Historische Bergwerke, Stollen und Abbaubereiche sind außergewöhnliche Zeugnisse der Technik- und Sozialgeschichte. Gleichzeitig gehören sie zu den schwierigsten Orten, wenn es darum geht, historisch bedeutsame Strukturen digital zu dokumentieren und für Forschung, Bildung oder Öffentlichkeit zugänglich zu machen.
Enge Stollen, unebene Böden, Feuchtigkeit, völlige Dunkelheit und schwer zugängliche Bereiche erschweren nicht nur die Arbeit vor Ort. Sie stellen auch etablierte Verfahren der digitalen 3D-Erfassung vor besondere Herausforderungen. Neue bildbasierte Rekonstruktionsverfahren wie 3D Gaussian Splatting (3DGS) eröffnen hier zusätzliche Möglichkeiten.
Als Beispiel zeigen wir eine interaktive Rekonstruktion einer montanhistorischen Szene des Fahlerzbergbaus aus der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts im Bergbaurevier Schwaz–Brixlegg in Tirol.
Fahlerz Bergbau, Bergbaurevier Schwaz – Brixlegg / Tirol, Österreich (2. Hälfte 18. Jahrhundert),
Erfasser: Gero Steffens (DBM), Peter Larch (Tiroler Bergbau- und Hüttenmuseum Brixlegg), http://www.tiroler-bergbau.at,
3D-Rekonstruktion: Dominic Fehling (TMDT, BUW)
Unter Tage gelten andere Bedingungen
Viele Verfahren zur dreidimensionalen Dokumentation funktionieren unter kontrollierten Bedingungen hervorragend. In historischen Bergwerken treffen jedoch gleich mehrere erschwerende Faktoren aufeinander.
An erster Stelle steht das Licht – beziehungsweise dessen Fehlen. Unter Tage muss die gesamte Beleuchtung für eine bildbasierte Aufnahme künstlich erzeugt werden. Dabei reicht es nicht, eine Szene lediglich möglichst hell auszuleuchten. Für photogrammetrische Verfahren sind ausreichend scharfe Bilder, erkennbare Oberflächenmerkmale und eine möglichst konsistente Beleuchtung zwischen unterschiedlichen Kamerapositionen wichtig. Dunkle Bereiche, stark gerichtetes Licht, harte Schatten oder Bewegungsunschärfe können die Zuordnung korrespondierender Bildmerkmale erheblich erschweren. Untersuchungen zur Photogrammetrie in vollständig dunklen unterirdischen Anlagen nennen deshalb Lichtführung, ausreichende Bildüberdeckung und die praktische Handhabung der Kamera in engen oder nassen Bereichen als zentrale Herausforderungen.
Hinzu kommen die räumlichen Bedingungen. Historische Stollen können niedrig, schmal, verwinkelt oder nur über schwierige Wege erreichbar sein. Vertikale Schächte, Nischen, Einbauten und unregelmäßige Felsoberflächen erzeugen zahlreiche Verdeckungen. Eine ideale Position für Kamera oder Scanner lässt sich deshalb häufig gar nicht erreichen. Gerade historische Bergwerksanlagen gelten aufgrund ihrer komplexen Geometrie, eingeschränkten Zugänglichkeit und rauen Umgebungsbedingungen als besonders anspruchsvolle Dokumentationsobjekte.
Auch die Umgebung selbst wirkt sich auf die Aufnahme aus: Feuchtigkeit und Wasser können Oberflächen glänzend erscheinen lassen, Staub beeinträchtigt Sicht und Technik, und dunkles oder gleichförmiges Gestein bietet teilweise nur wenige eindeutige visuelle Merkmale. Verwitterung, Korrosion und mineralische Ablagerungen erzeugen wiederum sehr komplexe Oberflächen, deren Erscheinungsbild historisch interessant sein kann, die sich geometrisch aber nur schwer vereinfachen lässt.
Warum auch klassische 3D-Aufnahmeverfahren an Grenzen stoßen
Eine naheliegende Lösung für schwierige Lichtverhältnisse ist aktives Laserscanning. Es benötigt kein Umgebungslicht zur geometrischen Erfassung und kann sehr präzise Messdaten liefern. Für eine wissenschaftliche Vermessung und metrische Dokumentation bleibt es deshalb ein wichtiges Werkzeug.
Unter Tage entstehen jedoch auch hier praktische Einschränkungen. Ein Laserscanner erfasst grundsätzlich nur Oberflächen, zu denen eine direkte Sichtlinie besteht. Vorsprünge, Geräte, Felsen und verwinkelte Strukturen erzeugen Abschattungen und erfordern zusätzliche Scanpositionen. Dunkle, spiegelnde oder nasse Oberflächen können die Erfassung zusätzlich beeinflussen.
Im Bergbau kommen logistische Aspekte hinzu. Geräte müssen durch enge oder unebene Bereiche transportiert und an geeigneten Positionen aufgestellt werden. Staub, hohe Luftfeuchtigkeit und Kondensation können empfindliche Optik beeinträchtigen. Erfahrungen aus Untertageanwendungen zeigen, dass gerade Transport, Sichtverhältnisse, Staub, Feuchtigkeit und Verdeckungen den Einsatz hochpräziser Scanner erheblich aufwendiger machen können.
Photogrammetrie ist in dieser Hinsicht häufig flexibler. Eine handgeführte Kamera kann aus vielen unterschiedlichen Positionen eingesetzt und auch in Bereiche gebracht werden, an denen ein stationärer Scanner kaum sinnvoll aufzustellen wäre. Gerade im Altbergbau wird diese Flexibilität bereits genutzt, um verwinkelte Bereiche und ansonsten verdeckte Flächen durch zusätzliche Aufnahmen zu erfassen.
Die Herausforderung verlagert sich dann jedoch auf die Rekonstruktion: Die Software muss aus vielen Einzelbildern zuverlässige Kamerapositionen bestimmen und daraus eine konsistente Geometrie ableiten. Fehlende Texturen, ungünstige Beleuchtung, Reflexionen oder zu geringe Bildüberdeckung können diesen Prozess empfindlich stören.
Was 3D Gaussian Splatting verändert
3D Gaussian Splatting setzt ebenfalls bei Bildaufnahmen einer realen Umgebung an, verfolgt bei der Darstellung aber einen anderen Ansatz als eine klassische Rekonstruktion aus Polygonen und Texturen.
Statt jede sichtbare Struktur zunächst in eine geschlossene geometrische Oberfläche zu überführen, wird die Szene durch eine große Menge räumlich positionierter, orientierter und unterschiedlich transparenter 3D-Gaußfunktionen – sogenannte Gaussian Splats – repräsentiert. Zusammen erzeugen sie aus neuen Blickwinkeln ein sehr dichtes und fotorealistisches Bild der aufgenommenen Umgebung.
Gerade für komplexe historische Oberflächen ist das interessant. Unregelmäßige Felsstrukturen, Holz, Korrosion, mineralische Ablagerungen, kleine Spalten oder Übergänge zwischen unterschiedlichen Materialien müssen nicht zunächst vollständig in ein sauberes Polygonmodell mit einer expliziten Oberfläche übersetzt werden. 3DGS kann einen großen Teil des visuellen Eindrucks unmittelbar aus den aufgenommenen Ansichten erhalten.
Aktuelle Vergleiche im Bereich des Kulturerbes zeigen entsprechend eine besondere Stärke von 3DGS bei visueller Qualität und Echtzeitdarstellung. Gleichzeitig bleibt klassische Photogrammetrie dort im Vorteil, wo eine möglichst zuverlässige und explizite geometrische Rekonstruktion im Mittelpunkt steht.
Für die Dokumentation montanhistorischer Orte entsteht daraus eine interessante Kombination: Die fotografische Aufnahme kann relativ mobil erfolgen, während sich aus den Bildern anschließend eine räumlich frei betrachtbare und visuell sehr dichte Darstellung erzeugen lässt.
Die Atmosphäre eines Ortes wird Teil der Dokumentation
Bei historischem Kulturerbe ist nicht ausschließlich die Geometrie relevant. Auch Materialität, Verwitterung, Oberflächenfarbe und die räumliche Wirkung eines Ortes können wichtige Informationen transportieren.
Gerade unter Tage ist dieser Aspekt besonders ausgeprägt. Ein historischer Abbaubereich besteht visuell nicht nur aus seinen Wandflächen und ihrer Position im Raum. Felsstrukturen, Bearbeitungsspuren, Holzeinbauten, metallische Objekte, Feuchtigkeit oder mineralische Verfärbungen prägen die Wahrnehmung des Ortes.
Ein ausschließlich geometrisch präzises Modell kann diese Eigenschaften zwar ebenfalls über Texturen abbilden, benötigt dafür aber einen zusätzlichen Verarbeitungsschritt von Messdaten über Geometrie und UV-Abwicklung bis zur texturierten Oberfläche. 3DGS zielt dagegen unmittelbar auf die Rekonstruktion der aufgenommenen Ansichten. Für Anwendungen, bei denen der visuelle Raumeindruck eine zentrale Rolle spielt, kann dies einen erheblichen Vorteil darstellen.
Damit wird 3DGS besonders für Anwendungen interessant, bei denen Dokumentation und Vermittlung ineinandergreifen: virtuelle Begehungen, digitale Ausstellungen, Lehr- und Lernanwendungen oder immersive VR- und XR-Szenarien.
Zugang schaffen, ohne den Ort zugänglicher machen zu müssen
Viele montanhistorisch wertvolle Bereiche können nur eingeschränkt oder überhaupt nicht öffentlich betreten werden. Gründe können bauliche Instabilität, schwierige Fluchtwege, Wasser, enge Passagen oder allgemeine Sicherheitsanforderungen sein.
Eine digitale Rekonstruktion hebt diese Einschränkungen nicht auf – aber sie kann den Zugang zum Abbild des Ortes ermöglichen.
Eine im Browser oder in einer immersiven Anwendung bereitgestellte 3DGS-Rekonstruktion kann von praktisch jedem Standort aus erkundet werden. Perspektiven lassen sich frei wechseln, räumliche Zusammenhänge werden unmittelbar nachvollziehbar und schwer erreichbare Orte können in museale, schulische oder hochschulische Vermittlung eingebunden werden.
Damit entsteht aus der digitalen Erfassung mehr als eine reine Bestandsaufnahme. Ein nur für wenige Menschen erreichbarer historischer Raum kann zu einem dauerhaft verfügbaren digitalen Anschauungsobjekt werden.
Kein Ersatz für präzise Vermessung
Bei allen Vorteilen ist eine wichtige Unterscheidung notwendig: Eine fotorealistische Darstellung ist nicht automatisch eine metrisch hochpräzise Dokumentation.
Auch 3DGS benötigt zuverlässige Ausgangsdaten. In vielen Workflows werden die Kamerapositionen zunächst mittels Structure from Motion (SfM) aus den Bildern bestimmt. Wenn schlechte Beleuchtung, monotone Oberflächen oder zu geringe Überdeckung bereits hier zu Fehlern führen, übernimmt die nachfolgende 3DGS-Rekonstruktion diese Probleme. Aktuelle Forschung weist ausdrücklich auf diese Abhängigkeit von der Qualität der Kameraposen und der initialen Punktwolke hin.
Auch geometrisch ist zwischen unterschiedlichen Einsatzzielen zu unterscheiden. Wenn exakte Maße, Deformationen oder konservatorische Veränderungen quantifiziert werden sollen, können vermessungstechnische Verfahren wie terrestrisches Laserscanning oder entsprechend kontrollierte Photogrammetrie die geeignetere Grundlage darstellen.
Die besondere Chance von 3DGS liegt deshalb weniger darin, diese Verfahren grundsätzlich zu ersetzen. Interessanter ist die Möglichkeit, sie zu ergänzen: durch schnell erzeugbare, visuell hochwertige und interaktiv nutzbare Repräsentationen.
Vom schwer zugänglichen Fundort zum digitalen Erlebnis
Gerade für montanhistorisches Kulturerbe verbindet 3D Gaussian Splatting damit mehrere Eigenschaften, die sonst nur schwer zusammenzubringen sind: eine vergleichsweise flexible bildbasierte Aufnahme, eine detailreiche visuelle Rekonstruktion und die Möglichkeit zur direkten interaktiven Darstellung.
Das eingangs gezeigte Beispiel zum Fahlerzbergbau des 18. Jahrhunderts im Bergbaurevier Schwaz–Brixlegg verdeutlicht dieses Potenzial. Die Rekonstruktion ermöglicht es, eine komplexe historische Situation räumlich zu erkunden und Details aus Perspektiven zu betrachten, die in einer klassischen fotografischen Dokumentation nur über eine Vielzahl einzelner Aufnahmen vermittelt werden könnten.
Für uns ist 3DGS deshalb besonders dort spannend, wo ein physischer Ort schwer zugänglich, schwierig zu erfassen oder langfristig gefährdet ist – gleichzeitig aber seine räumliche und visuelle Wirkung erhalten und vermittelt werden soll.
So kann aus einer Sammlung von Aufnahmen ein digital begehbarer Raum entstehen: als Dokumentation eines historischen Zustands, als Grundlage für weitere Forschung und vor allem als neuer Zugang zu Orten, die vielen Menschen sonst verborgen bleiben.