Smart-Geology für das größte fossile Austernriff der Welt

Die Einbindung moderner Technologien zur Datenprozessierung und Visualisierung in der Geologie und Paläontologie steckt noch in den Kinderschuhen. Innerhalb des eingereichten Projektes wird ein neues Feld eröffnet "Smart Geology" das sich durch Automatisierung und Verarbeitung großer Datenmengen auszeichnet. Dies wird in einer Pionierstudie anhand des weltweit größten fossilen Austernbiostroms initiiert, das das Highlight des Geo-Edutainment Parks "Fossilienwelt Weinviertel" in Stetten in Niederösterreich ist. Die Dimension dieses geschützten Naturdenkmals und die enorme Zahl einzelner Austernschalen (ca. 15.000) machen eine klassisch paläontologische Erfassung der internen Architektur und Orientierung sehr schwierig, zeitaufwendig und in hohem Maße subjektiv. Trotz der beeindruckenden Anzahl an Publikationen zu Flora und Fauna dieses frühmiozänen Ästuars, in dem das Austernbiostrom entstand, fehlt bisher jegliche Analyse dieser spektakulären Akkumulation an Schalen. Eine Quantifizierung der Schalen wurde bisher nicht durchgeführt, und das taxonomisches Inventar sowie die taphonomischen Charakteristika wurden während der Ausgrabungen nur sehr oberflächlich erfasst. In dieser Studie soll untersucht werden, ob die adäquate Anwendung von state-of-the-art Technologien zur 3D Digitalisierung, Datenverarbeitung und Visualisierung eine signifikante Automatisierung zur paläontologischen Analyse erlaubt. Dadurch soll die Erfassung großer Areale hinsichtlich des erforderlichen Zeitaufwandes sowie der damit verbunden Kosten ökonomisch vertretbar werden. Die zentralen Aspekte sind die Evaluierung aktueller Laserscanning-Systeme und bildgebender Verfahren zur Optimierung der 3D Digitalisierung, eine Erhöhung des Automatisierungsgrades sowie der Objektivität in der geologischen und paläontologischen Datenanalyse und Interpretation sowie eine Untersuchung zur Anwendbarkeit von Smart Devices (insbesondere TabletPCs) hinsichtlich der Bereitstellung paläontologischer Daten vor Ort für wissenschaftliche Anwendungen. Für die Evaluierung der angewendeten Methoden werden zwei wissenschaftliche Hypothesen postuliert: die Schalenakkumulation wurde durch ein Tsunami- oder Sturm-Ereignis gebildet und sowohl prä- als auch post-Event Vorgänge können rekonstruiert werden. Um verlässliche Referenzdaten für die Evaluierung der genannten "Smart Geology"-Technologien zu erhalten, wird die gesamte Ausgrabungsfläche interaktiv erfasst. Dies ermöglicht eine Kreuz-Validierung der Ergebnisse. Die dreistufige Validierung umfasst 1. eine Evaluierung der Zuverlässigkeit und besonders der Vollständigkeit und Korrektheit der Ergebnisse der automatischen Datenprozessierung, 2. die Evaluierung der Zuverlässigkeit konventioneller interaktiver Analyse in Hinblick auf lokale Variation der Ergebnisse, die etwa auf Variation im Verhalten des Bearbeiters oder auf Variation der Qualität der Input-Daten zurückzuführen sind und 3. die Evaluierung der Variationen der automatischen Datenprozessierung auf Grund von Variationen in den Eingangsdaten. Auf diese Weise vermittelt dieses Projekt zwischen den beiden Wissenschaftsdisziplinen Photogrammetrie und Geologie.

Projektziel war die digitale Dokumentation des weltweit größten fossilen Austern-Riffs durch photogrammetrische und paläontologische Methoden. Das Riff wurde durch die Riesenauster Crassostrea gryphoides bei Stetten im Norden von Wien gebildet und wurde auf einer Fläche von 459 m2 mit rund 50.000 Schalen freigelegt. Erstmals wurde Terrestrial Laser Scanning (TLS) angewendet, um ein derart großes paläontologisches Datenset zu erfassen, das in Form einer georeferenzierten 3D Punktwolke aus 1 Milliarden Datenpunkten vorliegt. Zusätzlich zu den TLS Messungen, wurden mehr als 300 Bilder generiert und zu einem Orthophoto mit 0.5 mm Auflösung zusammengeführt. Hauptziele waren sie taphonomische und paläoökologische Analyse der Schalenansammlung, sowie die Entwicklung von Methoden zur automatisierten Objekterkennung. Umrisse von mehr als 10,280 Objekten wurden anhand eines Digitalen Höhenmodells innerhalb von zwei Transekten manuell erfasst. Diese Daten waren Referenz für die Qualitätskontrolle der Ergebnisse der automatischen Objekterkennung. Daraus resultierten Daten zur Taxonomie (welche Arten sind vertreten?), Taphonomie (wie sind die Schalen erhalten?) und verschiedene physikalischen Eigenschaften (Schalengrößen, 3D- Orientierung, Verteilung von Objekten). Die Schalenakkumulation ist eine Event-Ablagerung, die durch einen Tsunami oder durch einen ungewöhnlich starken Sturm in einem Ästuar des frühen Miozäns geformt wurde. Disartikulierte Schalen der Riesenauster sind die häufigsten Objekte gefolgt von verschiedenen Muscheln und Schnecken. Die widersprüchlichen ökologischen Ansprüche und unterschiedlichen Erhaltungszustände der Arten zeigten, dass mindestens zwei dem Ereignis vorausgehende und zwei nachfolgende Phasen mit unterschiedlichen Umweltbedingungen in der Austernlage amalgamiert sind. Die Daten erlaubten auch erstmals eine Analyse der Populationsstruktur in einem fossilen Austernriff. Durch Korrelationen zwischen Zentrallinien- Länge der Schalen und Schalengewicht wurde ein Wachstumsmodell etabliert, das Einblick in die Karbonatproduktion eines miozänen Austrenriffes gibt. Die Analyse von TLS-generierten Daten stößt bei komplexen Geometrien, wie sie durch die Austernschalen und das Riff vertreten sind an Grenzen. Um dieses Problem zu lösen, wurden Techniken für eine automatsche Analysenmethode entwickelt, die konvexe Schalenteile erkennt und quantifiziert. Mittels dieses automatisierten Protokolls wurden Objektoberflächen dabei mit einer Vollständigkeit (completeness) von über 69% bei einer Korrektheit (correctness) von über 75% detektiert. Die erkannte Anzahl an Objekten war zu 98% akkurat. Die einzigartige Fundstelle ist geschützt und Teil des Geoparks Fossilienwelt. Die bisher unerreichte Genauigkeit der Dokumentation ist daher ein wichtiger Schritt für konservatorische Fragestellungen bei dem Erhalt von Naturdenkmälern.