Virtualna preteklost: 3D-rekonstrukcije objektov na zelo razgibanem terenu

Opis postopka uporabe odprtokodnih orodij GIS za 3D-vizualizacijo terena in objektov. Primer vizualizacije rekonstruiranih arheoloških ostankov na zelo razgibanem terenu.

Pri preučevanju preteklosti nas pogosto zanima, kako je svet izgledal v tistem obdobju. Vizualne komunikacije so uporabna veda za zgodovinopisje, še posebej za predstavitev podatkov in tez, ki imajo prostorsko komponento. Avtorji se za uporabo določene predstavitvene tehnike odločijo glede na namen uporabe izdelka in razpoložljivost medijev za dosego končnih uporabnikov. Z vstopom v digitalno dobo smo najprej poizkušali prenesti vso dozdajšnje znanje in nekatere tehnike v novo tehnologijo. Danes pa, ko se že večino dela in drugih aktivnosti izvaja v virtualnem svetu, imamo na voljo tudi vrsto novih predstavitvenih tehnik, s katerimi lahko predstavljamo in raziskujemo zgodovinsko krajino.

Namen tega prispevka je opis metode za hitro 3D-vizualizacijo in interaktivno predstavitev z odprtokodno programsko opremo rekonstruiranih arheoloških ostankov1 na razgibanem površju. To lahko pripomore k boljšemu razumevanju teh ostalin2 ter nam obogati seznam medijev za upodabljanje objektov v prostoru. Interaktiven 3D-model, izdelan v programu QGIS z vtičnikom qgis2threejs , je podan v obliki spletne strani, ki jo poganjata samo dve JavaScript knjižnici. Vtičnik omogoča izvoz mobilnim uporabnikom prilagojene strani, ki poleg prikaza trenutne lokacije uporabnika ponuja tudi pogled skozi razširjeno resničnost (AR - Augmentet reality).

Za digitalno ohranjanje in prikazovanje kulturne dediščine in območij, ki so še v funkciji oziroma jih imamo še možnost izmeriti, obstaja v strokovni literaturi kar nekaj dobro opisanih postopkov3-5, ki so namenjeni predvsem dokumentiranju in varovanju kulturne dediščine. Lahko pa vizualiziramo tudi izginule objekte, katerih ostanki so v naravi slabo ohranjeni ali nevidni, a jih je mogoče rekonstruirati na podlagi podatkov arheoloških izkopavanj in zgodovinskih virov. Rezultat je poustvarjena zgodovinska krajina, ki je poleg raziskovalnih zanimiva tudi za izobraževalne namene.

Za praktični primer sem izbral ostanke poznoantične rimske utrdbe AD PIRVM na Hrušici6. V prispevku je najprej predstavljena metoda 3D-vizualizacije preprostih arhitekturnih elementov (kot sta zid in stolp) na razgibanem terenu. V drugem delu prispevka je opisan postopek za dodajanje z orodji CAD izdelanih tridimenzionalnih modelov v orodje GIS. Sledi nekaj besed o uporabljenih prostorskih podatkih.

Hitro modeliranje 3D-objektov na terenu

Osnovna podatka za izdelavo interaktivnega 3D-modela sta: Digitalni Model Višin (DMV) površja in vektorski podatki o legi, obliki arheološki ostankov oz. arhitekture. Na podlagi DMV so izdelane tudi rasterske vizualizacije terena (senčenje, nagib, izpostavljenost) za podlago, kar grafično obogati končno vizualizacijo terena. Postopek izdelave interaktivnega 3D-modela je sledeč: v program QGIS naložimo DMV, rasterje s senčenjem (za teksturo) in obrise arhitekture, ki jo želimo prikazati (vektorji poteka zidov [line, polygon] in stolpov [polygon]). Ko uredimo podatke in jim določimo grafične vrednosti za prikaz, lahko izdelamo preprost 3D-model obrisov arhitekture na terenu. V vtičniku qgis2threejs nato izberemo DMV ter vektorjem nastavimo obliko in osnovne višinske parametre.

Na spodnjih slikah so vektorji prikazani z sledečimi nastavitvami:


Poleg prednosti (hitrost in obseg) takega generiranja 3D-objektov, so hitro vidne tudi pomanjkljivosti, kadar želimo prikazati elemente, kompleksnejše od preprostih geometrijskih likov. Za primer lahko vzamemo neenakomernost višine vratnih stolpov trdnjave, saj sta bila stolpa v resnici skoraj gotovo dograjena do enake višine. Danes teren na mestih, kjer sta stala, ni izravnan, kar privede do razlike v višini stolpov. Vseh tovrstnih podrobnosti ni mogoče avtomatsko uskladiti ali odpraviti, lahko se jim izognemo na drugačne načine, kar pa ne bo del tega članka. Tako je postopek do te točke primeren za hitro vizualizacijo elementov na površju večjega območja, kjer ne potrebujemo veliko podrobnosti. Za bolj realistično izgradnjo 3D-modelov pa nam vtičnik ponuja še nekaj drugih možnosti.

Združitev orodij CAD in GIS

Qgis2threejs ima možnost vstavljanja 3D-objektov po standardu COLLADA v model, in sicer tako, da v QGIS naložimo vektorski sloj s točko, ki bo izhodišče za model, v nastavitvah vtičnika pa pri sloju s točko [point] izberemo nastavitev [Object type = Model file]. Na ta način lahko uvozimo 3D-modele, izdelane z orodji CAD, ter tako združimo CAD-vizualizacije arhitekture in površine, ustvarjene z orodji GIS. To močno poveča vizualno kvaliteto končnega izdelka, saj lahko na podrobnem modelu površja prikažemo objekte kompleksnih geometrijskih oblik s poljubnimi teksturami.


Kot praktični primer za prikaz metode sem izbral poznoantično rimsko utrdbo AD PIRVM na Hrušici s pripadajočimi obzidji na severu in jugu trdnjave, ki leži na zelo razgibanem terenu. Za vizualizacijo in določitev višin ter oblike terena sem uporabil LiDAR podatke, ki jih je izdelala ARSO . Digitalni model višin (DMV) je bil izdelan s pomreženjem točk (t. i. gridding), kjer ima mreža določeno ločljivost, in sicer 1 pixel = 25cm v naravi. Qgis2threejs nato obseg območja 3D-površja, zgrajenega iz DMV, še enkrat pomreži za svojo vizualizacijo, tako da ima ta nekoliko manjšo ločljivost.

Z orodji CAD izdelani 3D-modeli, rekonstrukcije rimskih utrdbenih objektov, so bili realizirani za dele utrdbe na Hrušici, katerih rekonstrukcije (oz. poiskusi le-te) do sedaj še niso bile objavljene7. Temeljijo na pregledu strokovne literature (arheološke, zgodovinske)8-14, lastnih terenskih ogledov in meritev ter upoštevajo naravne danosti prostora, predviden koncept gradnje in materiale, ki so jih graditelji imeli na voljo. Prve 3D-modele iz leta 2015(©) sem izdelal za različne tipe obzidja in kot osnovne elemente, ki jih je mogoče nato sestavljati v večje strukture. Obzidje severno in južno od trdnjave ima prikazane 3D-modele stolpov, 2 stolpa z vrati in južni zaključek obzidja (na Bršljanovcu) so bili izrisani na podlagi tlorisnih risb arheoloških izkopavanj, ostali stolpi pa imajo vsi enak tloris (kvadrat 4x4m). Poiskus rekonstrukcije obrambnih zidov je prikazan na dveh mestih, del južno od vzhodnega stolpa z vrati ima prikazan zid z zidanim stopničastim pohodom, ki ni dokazan z arheološkimi raziskavami in je namenjen predvsem prikazu možnih rešitev. Zid na južnem zaključku obzidja ima prikazane lesene pohodne mostove na obzidanih obokih, nekateri izmed njih so bili odkriti med izkopavanji ter so pogost element ob zapornih zidovih v sklopu obrambnega sistema Claustra Alpium Iuliarum (CAI).

Vektorski podatki o legi trdnjave, obrambnih zidov in stolpov so vzeti iz sloja CAI, ki je del zbirke Atlas Antike (zbral in uredil Jaka Pelan, uporaba z dovoljenjem: Arkeomapia, ©2016). Omenjena zbirka je del moje lastne prostorske baze podatkov, kjer so zbrana arheološka najdišča iz prazgodovine in antike. Sloj CAI sem dopolnil in na mestih uredil po lastni interpretaciji. Zasnovan je na podlagi pregleda objavljene arheološke in zgodovinske literature, terenskih ogledov in interpretacije LiDARskih posnetkov. Iz tega sloja so generirani tudi objekti na Lanišču in Brstu.



Grafično sem izdelek dopolnil s terenom okolice narejenim na podlagi Državnega digitalnega modela višin (DMV125, ločljivost 12,5m, vir: GURS) ter slojem vegetacije iz LiDAR podatkov, prirejenih za obdobje, ko je delovala trdnjava. Okoliški teren nam poleg boljše orientacije in konteksta omogoča prikaz nekaterih iztopajočih zemljepisnih točk in sorodnih objektov v okolici. Na modelu so prikazane bližnje utrdbe v sistemu Claustra alpium iuliarum (CAI), naselbine iz tistega obdobja in pogorje Nanosa. Sloj vegetacije sem izdelal na podlagi LiDAR podatkov o moderni poraščenosti terena, kjer sem izrezal dele, za katere predvidevam, da so bili med delovanjem trdnjave izčiščeni za boljši pregled nad prostorom.

Prikazana metoda je poleg naslovljenega praktičnega primera, rekonstrukcije arheoloških ostalin in poustavarjanje zgodovinske pokrajine, primerna tudi za druge discipline, ki se ukvarjajo z vizualizacijo prostora. Pri prostorskem načrtovanju in planiranju, vizualizacijah arhitekture, krajinskih ureditev ali večjih infratrukturnih objektov.


Interaktivna 3D vizualizacija utrdbe AD PIRVM na Hrušici


Poskus rekonstrukcije tipskega stražnega stolpa v sklopu zapor Claustra Alpium Iuliarum (CAI)

Zgoraj opisana metoda, hitre rekonstrukcije preprostih objektov na razgibanem terenu, ima poleg hitrosti in obsega, v našem primeru prednost tudi v tem, da končni izdelek – prikaz, vizualizacija, objekte prikaže po vseh podatkih, ki jih je o objektih mogoče zbrati, kar pomeni, da je to najbolj »zanesljiva« možna rekonstrukcija. Za rekonstrukcijo celotnega sistema obzidij in trdnjav imamo namreč na voljo le arheološke ostanke, iz katerih lahko zanesljivo določimo samo obseg objektov v naravi (tloris temeljev objektov), oceno o višini nekaterih zidov (glede na volumen gradbenega materiala lahko ocenimo višino zidov na približno 1 meter natančno) in vrsto gradbenega materiala (kamen, les, opeka…). Arheološke raziskave so seveda odkrile še več podrobnosti o nekaterih objektih ali njihovih delih, ki so lahko v oporo pri bolj podrobnem poskusu rekonstrukcije teh objektov.

Poskus rekonstrukcije tipskega stražnega stolpa v sklopu zapor Claustra Alpium Iuliarum (CAI) je namenjen kot pripomoček za iskanje rešitev pri podrobnejši rekonstrukciji dejanskih arheoloških ostankov CAI. Vsak poskus rekonstrukcije je obsojen na posploševanje, na sklepanje o predmetih, samo na podlagi njihovih delnih ostankov. Z izdelavo tipskega objekta, pa gremo še korak dlje, saj objekt ni vezan na nek konkreten objekt, ampak prikazuje objekt z elementi, ki naj bi bili skupni vsem objektom podobnega tipa.

Slika 1: Prikaz poskusa rekonstrukcije treh različnih tipov obrambnih zidov v sistemu CAI.

Za izdelavo tipologije so poleg samih obrambnih zidov, zanimivi še stražni stolpi. Teh je bilo ob obrambnih zidovih identificiranih na desetine. Praviloma so prislonjeni na zid, kvadratnega tlorisa. Za dimenzijo stranice tipskega objekta je bila najbolj pogosta mera zaokrožena na 4 m. Ko pa želimo konstruirati stolp naprej od tlorisa, ostanemo brez zanesljivih virov.

Pregled ostalih rimskih obrambnih sistemov

CAI se od drugi rimskih obrambnih sistemov razlikuje že po strateški vlogi, zaradi svojevrstne geografije in predvsem topografije, so bile potrebne tudi svojevrstne inžinerske rešitve. Prav tako, je bil grajen in v uporabi v več fazah, obdobjih, brez kontuitete, med katerimi so bile razlike tako v tehniki gradnje, kot v strategiji obrambnega utrjevanja. Nekaj arhitekturnih elementov naših stolpov, pa je bilo gotovo standardno rimskih.

Znane rekonstrukcije stražnih stolpov ob Donavskem in Germanskem limesu (kjer so jih kar nekaj postavili tudi v naravi) v največji meri temeljijo na prikazih takih objekov na rimski plastiki – Trajanovem stebru, torej sodobnem zgodovinskem viru. Čeprav je že iz prikazov na plastiki očitno, da gre za drugačen tip objekta, lahko iz njih vseeno prevzamemo določene elemente za našo rekonstrukcijo.

Ob omenjenih limesih, (ter tudi ob afriškem) se je nekaj objektov v celoti ohranilo do danes, da pa so preživeli ves ta čas, so bili vmes večkrat deležni prenov in predelav, tako da je potrebno previdno izbirati, katere elemente prevzemamo.

Po tlorisu so stolpom ob obrambnem obzidju CAI najbolj podobni objekti ob Hadrijanovem zidu v Britaniji. Tam so na obrambni zid prav tako prislonjeni manjši stolpi, ki jih imenujejo stolpiči (ang. turret). Tudi tukaj si je mogoče ogledati rekonstrukcije v naravi, izdelanih pa je bilo tudi več poskusov grafičnih rekonstrukcij, ki lahko služijo kot vir možnih rešitev.

Poskusi rekonstrukcije

S CAD orodji lahko izdelamo izrise s poljubno natančnostjo, s poljubnim številom detajlov. Za tipski objekt so bili izrisani samo osnovni gradbeni elementi, edini detajl so lestve za prehod med nivoji. Izdelanih je bilo več variant, za tiste arhitekturne elemente, ki so enakovredno verjetni.

Slika 2: Variante tipskega stražnega stolpa.

Vsem variantam sta skupni dve značilnosti:

Pri preostalih elementih pa se razlikujejo po:

Za končno varianto sem izbral 2/3 zidan objekt in lesen zaključek, kar utemeljujem z velikostjo grobelj ostankov stolpa v primerjavi z bližnjimi ostanki zidu, ki nakazujejo, da zidan del stolpa ni mogel biti mnogo višji od zidu (povprečno so groblje stolpa enakovredne ali celo manjše od grobelj zidu, kjer jih je mogoče ločiti od nasipa).

Vhod v objekt je odvisen od topoografije okolice. Kjer je ob stolpu vidna izravnava in postavitev to omogoča, je vhod iz zadnje strani v pritličju. Kjer so bili prepoznani elementi za pohodno povšino ob zidu, ali le-to omogoča širina zidu, je vhod iz strani, v drugo etažo. Če je stolp umeščen ob del zidu z nizkim, enakomernim naklonom, je vhod na obeh straneh ob zidu.

Razgledne terase so bile del stražnih stolpov ob Donavskem in Germanskem limesu. Ta vrsta stolpov je stala samostojno, prostorsko ločeno od morebitnih obrambnih zidov, nemalokrat pa je imela lastno palisado in obrambni jarek. Ker so imeli naši stolpi drugačno obliko (del obzidja) in namen (ožji vidni kot nadzora) jim take razgledne terase niso bile potrebne, ne praktične so sploh za stolpe na terenu z velikim naklonom. Za prikaz rešitve sem tako razgledno teraso dodal na zadnji stolp na Bršljanovcu, ki bi mu lahko koristila izvidniška funkcija terase.

Slika 3: Detajl notranjosti in vhoda iz strani ob zidu.


Interaktivna 3D vizualizacija utrdbe AD PIRVM na Hrušici


Viri in reference

  1. Tobiáš, P., Cajthaml, J., & Krejčí, J. (2018). Rapid reconstruction of historical urban landscape: The surroundings of Czech chateaux and castles. Journal of Cultural Heritage, 30, 1-9.
  2. Fanini, B., Pescarin, S., & Palombini, A. (2019). A cloud-based architecture for processing and dissemination of 3D landscapes online. Digital Applications in Archaeology and Cultural Heritage, 14, e00100.
  3. Fritsch, D., & Klein, M. (2018). 3D preservation of buildings–reconstructing the past. Multimedia Tools and Applications, 77(7), 9153-9170.
  4. Maietti F., Di Giulio R., Balzani M., Piaia E., Medici M., Ferrari F. (2018), 3D Data Acquisition and Modelling of Complex Heritage Buildings, in AA.VV., Digital Cultural Heritage, Springer, Cham, Switzerland.
  5. Iakushkin, O., Selivanov, D., Tazieva, L., Fatkina, A., Grishkin, V., & Uteshev, A. (2018, May). 3D reconstruction of landscape models and archaeological objects based on photo and video materials. In International Conference on Computational Science and Its Applications (pp. 160-169). Springer, Cham.
  6. Šašel, J. (1988). Ad Pirum - Rimska štabna baza na Hrušici / 159. zvezek zbirke vodnikov kulturni in naravni spomeniki Slovenije. Ljubljana: Zavod SR Slovenije za varstvo naravne in kulturne dediščine.
  7. Kos, P., & Istenič, J. (2015). Ad Pirum (Hrušica) in Claustra Alpium Iuliarum. Ljubljana: Zavod za varstvo kulturne dediščine Slovenije.
  8. Müllner, A. 1900, Der römische Limes in den italischen Grenzgebiergen. I. Die Schanzmauern um Nauportum. Argo 8, 201–204; 220–222.
  9. Müllner, A. 1901, Der römische Limes in den italischen Grenzgebiergen. I. Die Schanzmauern um Nauportum. Argo 9, 11–16; 29–31.
  10. Ulbert, T., Giesler, U., & Mackensen, M. (1981). Ad Pirum:(Hrušica): spätrömische Passbefestigung in den Julischen Alpen: der deutsche Beitrag zu den slowenisch-deutschen Grabungen 1971-1973. CH Becksche Verlagsbuchhandlung.
  11. Basler, Đ. (1972). Arhitektura: kasnoantickog doba u Bosni i Hercegovini. Veselin Masleša.
  12. Jilek, S. (2009). The Danube Limes: A Roman River Frontier. University of Warsaw.
  13. Breeze, D. J., Jilek, S., Thiel, A. (2011). Frontiers of the Roman Empire: Hadrian's Wall. Hexham: Hadrian's Wall Heritage Ltd.
  14. Frelih, M. (2003). Logatec - Longaticum in rimski obrambni sistem Claustra Alpium Iuliarum: S prispevkom o bitki pri reki Frigidus (Soča) leta 394. Logatec: Občina.