NL ENG
20231005_100507

Multispectral Imaging

Remote sensing door middel van multispectral imaging is een relatief bekende techniek in de gereedschapskist van archeologische sensortechnieken. Multispectral imaging kan binnen de AMZ-cyclus als techniek worden toegepast tijdens de verkennende en karterende fases van een inventariserend veldonderzoek. In gunstige omstandigheden kan multispectral imaging op landbodems archeologische informatie in kaart brengen.

Wat?

Hoe werkt het?

Multispectrale sensoren zijn geavanceerde instrumenten die in staat zijn om zichtbaar licht en delen van het onzichtbare elektromagnetische spectrum vast te leggen in afzonderlijke banden op verschillende sensoren. Deze passieve sensoren bieden daarom een unieke mogelijkheid om de reflectie-eigenschappen van verschillende materialen te analyseren. Multispectral imaging is doorgaans effectief in het identificeren van gewasmarkeringen (afbeelding 1). Deze zijn het duidelijkst zichtbaar tijdens droge weersomstandigheden, wanneer de vochtigheid in de bodem laag is en de gewassen of vegetatie onder stress staan. Dit maakt de verschillen in groei of kleur zichtbaarder, en dit contrast kan verder worden versterkt door middel van vegetatie-indices.

Afbeelding 1: Obliquefoto van gewasmarkeringen in de buurt van Diepenveen, Overijssel, zichtbaar na een periode van langdurige droogte in de zomer van 2022 (bron: NAR80, © A. Speelman).
Meer weten?

Verdieping X

Multispectral imaging resulteert in verschillende reflectiebeelden, doorgaans in de kleuren Blauw (centrum golflengte: 475 nm), Groen (centrum golflengte: 560 nm), Rood (centrum golflengte: 668 nm), Rededge (centrum golflengte: 772 nm), en Nabij-infrarood (centrum golflengte: 840 nm). Er zijn ook verschillende combinaties mogelijk, evenals golflengten die licht kunnen afwijken van de genoemde.

Afbeelding 2: Het overzicht van golflengten in het elektromagnetische spectrum. Het bereik gemeten door multispectral imaging is met diagonale strepen aangegeven (geadapteerd van Wikimedia Commons).

De mate waarin verschillende materialen straling van verschillende golflengten absorberen of reflecteren, maakt het mogelijk om waardevolle informatie te verkrijgen over hun fysieke samenstellingen. Dit kan waarnemingen mogelijk maken die verder gaan dan het menselijke gezichtsvermogen; bijvoorbeeld kunnen gewasmarkeringen aanzienlijk worden versterkt omdat gezondere vegetatie relatief meer nabij-infraroodstraling reflecteert maar meer zichtbaar licht absorbeert. Door gebruik te maken van fotogrammetrische technieken, vergelijkbaar met die bij optische gegevens, kunnen gemozaïekte reflectiekaarten worden gemaakt. Deze kaarten, beter bekend als spectrale- of, doorgaans, vegetatie-indices (VI), zijn wiskundige functies die de reflectiewaarden van twee of meer spectrale banden gebruiken om informatie af te leiden over de fysieke eigenschappen van materialen in een beeld. De verschillende reflectiekaarten kunnen deel uitmaken van vele vergelijkingen die verschillende aspecten van vegetatie benadrukken, zoals de Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), die vaak wordt gebruikt voor agrarische doeleinden.

In feite is multispectral imaging een vorm van spectroscopie: de verzamelnaam voor technieken waarmee materialen onderzocht kunnen worden op basis van hun interactie met het elektromagnetisch spectrum.

Wat heb je nodig?

Voor het registreren van beelden van de verschillende spectrale banden worden specifieke camera’s gebruikt met een aantal sensoren (meestal <10) waarbij elke sensor de inkomende straling filtert en alleen de gewenste spectrale band op de sensor wordt vastgelegd. Dergelijke multispectrale camera’s worden soms als onderdeel van een geïntegreerd UAS-systeem (drone) aangeboden, waarbij een directe live-feed op het beeldscherm kan worden getoond, waarbij een directe live-feed op het beeldscherm kan worden getoond, maar er zijn ook oplossingen waarbij de integratie met de hard- en software op de drone minder volledig is. Multispectrale beelden kunnen worden vastgelegd als losse reflectie indices, maar voor archeologische doeleinden is het nuttiger om reeksen beelden te maken. Met behulp van fotogrammetrische technieken die ook worden gebruikt voor optische gegevens, kunnen vervolgens gemozaïekte reflectiekaarten worden gemaakt.

Multispectrale handcamera’s kunnen worden gebruikt om de fysische en chemische eigenschappen van b.v. objecten te bestuderen.

Multispectrale beelden worden ook verzameld door satellieten. Deze beelden hebben doorgaans een relatief grovere resolutie in vergelijking tot beelden gemaakt met een drone, maar satellietbeelden bieden de mogelijkheid om grote gebieden te onderzoeken, omdat één enkele opname een groot oppervlak kan bestrijken. Vanwege de herhalingsfrequentie van verschillende veel satellieten is het ook mogelijk om satellietdata in te zetten voor het lange-termijn monitoren van objecten. In Nederland worden deze data aangeboden door de Netherlands Space Office op het satellietdataportaal.

Meer weten?

Verdieping X

Multispectrale camera’s produceren voor elke opname meerdere beelden, afhankelijk van de specifieke spectrale banden die ze meten. In de fotogrammetrische software kunnen beelden worden bewerkt door de groene spectrale band te gebruiken voor het produceren van puntenwolken, 3D modellen, en orthofoto’s, waarop deze de basis vormen voor het projecten van de informatie uit de andere spectrale banden. Bekende fotogrammetrische softwarepakketten zoals Agisoft Metashape of Pix4D kunnen met deze data werken. In deze pakketten is het tevens mogelijk om direct verschillende vegetatie indices te produceren, maar dit kan ook worden gedaan in GIS-software pakketten zoals QGIS. Om met multispectrale satellietdata aan de slag te gaan is het naast GIS-software ook mogelijk om Google Earth Engine te gebruiken.

Omdat het vergelijken van reflectie in verschillende beelden afhankelijk is van de totale hoeveelheid aanwezige elektromagnetische straling, bijvoorbeeld vanwege een variabel wolkendek, is het belangrijk de beelden te calibreren. Dit doe je in het geval van drone opnames met een calibratiepaneel voor en na elke opname, en door b.v. een downwelling light sensor (DLS) die bovenop de drone wordt gemonteerd en continue de totale hoeveelheid elektromagnetische straling meet.

Kan worden gebruikt met..

Door gebruik te maken van een handcamera of een camera vastgemaakt onder een drone kunnen verschillen in de reflectie in deze spectrale banden effectief op korte afstand worden vastgelegd (afbeelding 3). Vanwege de opkomst van UAS-technologie heeft multispectral imaging voor archeologische prospectie flinke sprongen gemaakt, omdat er nu zeer hoge resolutie beelden verzameld kunnen worden op exact bepaalde (en dus potentieel optimale) momenten in het jaar. Wel is er een beperking in geografisch bereik afhankelijk van de wetgeving en beperkte batterijduur.

Afbeelding 3: Een multispectrale drone survey in voorbereiding (bron: J. Waagen, privécollectie).
Meer weten?

Verdieping X

Multispectrale beelden kunnen ook worden verzameld met camera’s bevestigd aan satellieten en vliegtuigen, Toch hebben deze beelden vaak een beperktere resolutie, en atmosferische absorptie van nabij-infraroodstraling speelt een grotere rol wanneer de sensor zich ver van het aardoppervlak bevindt. Bovendien is het exacte moment van de opname van groot belang bij multispectral imaging, dus bij gebrek aan controle daarover is het moeilijk de beelden goed op waarde te schatten.

Archeologische Toepassingen

Plaats in het archeologisch proces

Multispectral imaging kan, net als de meeste andere archeologische remote sensing methoden, worden toegepast in de verkennende en karterende fasen van een archeologische inventarisatie. De verzamelde en geanalyseerde beelden leveren een set spectrale anomalieën op (afbeelding 4), voorzien van een beschrijving en een interpretatie. Deze kunnen gebruikt worden voor het beter begrijpen van de onder- en bovengrondse archeologische sporen, en eventueel nieuw prospectieonderzoek, of gravend onderzoek, informeren.

Afbeelding 4: Multispectrale opname genomen in Weesp in de zomer van 2023. Multispectrale opname genomen in Weesp in de zomer van 2023. Op deze NDVI-weergave zijn verschillende spectrale anomalieën zichtbaar (bron: 4D Research Lab).
Meer weten?

Verdieping X

Door huidige wettelijke (maximale afstand tot piloot, beperkt zicht na zonsondergang) en technische (o.a. batterijduur) beperkingen is de inzet van drones uitgerust met multispectrale camera’s over grote gebieden vaak moeilijk haalbaar. Om deze reden zal dit soort onderzoek vaak plaatsvinden op plekken waar minimaal een sterk vermoeden van de aanwezigheid van archeologische resten is. Vanwege het beperkte bereik zal een handcamera vooral worden ingezet bij bekende archeologische complexen, en zal deze gekoppeld zijn aan een hele specifieke vraagstelling (b.v. fysische of chemische samenstelling van een object).

Welke typen archeologische materialen/landschappen

Multispectral imaging is inzetbaar in alle omstandigheden waarin het aannemelijk is dat er verschillen in spectrale reflectie waarneembaar kunnen zijn tussen archeologische sporen en het natuurlijke landschap. Of de verschillen kunnen worden waargenomen is sterk afhankelijk van de lokale omstandigheden. Typische omstandigheden zijn velden met akkerbouw in de late zomer, waarbij verschillen in de gezondheid van de gewassen vaak maximaal zullen zijn, en dus het beste waarneembaar als gewasmarkeringen.

Meer weten?

Verdieping X

Men dient zich te realiseren dat de mogelijkheid om archeologie in de vorm van gewasmarkeringen waar te nemen sterk afhankelijk is van de staat van de vegetatie, en dus het seizoen en het specifieke groeitraject van een gewas. Daarnaast spelen ook weersomstandigheden een grote tol. In bepaalde jaren met b.v. veel droogte, zullen gewasmarkeringen sneller en duidelijker waarneembaar zijn.

Beperkingen/onzekerheden

Het maken van multispectrale opnamen is sterk gebonden aan het seizoen, en dient te gebeuren rondom het middaguur, wat de inzet ervan beperkt. Bovendien is de fotogrammetrische postprocessing een vrij complex proces dat kwetsbaar is voor vele variabelen die de uiteindelijke output bepalen.

Meer weten?

Verdieping X

Vanwege de veelheid aan landschappen en klimaten wereldwijd, maar ook in Nederland, is de relatieve effectiviteit van multispectrale opnames onderwerp van onderzoek. Een belangrijk aspect van multispectraal onderzoek is dan ook het vastleggen van de situationele parameters ten tijde van het drone onderzoek, en het inzetten van complementaire en potentieel validerende andere prospectietechnieken. Het potentieel van multispectral imaging om archeologische kenmerken te detecteren is bovendien afhankelijk van vegetatietypes en groeicycli. Dit maakt het noodzakelijk om de workflows en output te vergelijken met gegevens die zijn verkregen uit andere bronnen, zoals optische sensoren.

Casestudies

Casestudies

Ben je nieuwsgierig over hoe multispectral imaging al succesvol is ingezet voor archeologisch veldonderzoek? Klik dan op de tegels hier beneden om naar de casestudies te gaan waarin deze innovatieve sensortechniek wordt toegepast.

Referenties/verder lezen

Kalayci, T., Lasaponara, R., Wainwright, J., & Masini, N. (2019). Multispectral Contrast of Archaeological Features: A Quantitative Evaluation. Remote Sensing, 11(8), 913. https://doi.org/10.3390/rs11080913

Agapiou, A., Hegyi, A., Gogâltan, F., Stavilă, A., Sava, V., Sarris, A., Floca, C., & Dorogostaisky, L. (2023). Exploring the largest known Bronze Age earthworks in Europe through medium resolution multispectral satellite images. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 118. https://doi.org/10.1016/j.jag.2023.103239

Casana, J. (2023). Archaeological Remote Sensing. In Handbook of Archaeological Sciences (eds A.M. Pollard, R.A. Armitage and C.A. Makarewicz). https://doi.org/10.1002/9781119592112.ch50

Rensink, E., Theunissen, L., Feiken, R., Bourgeois, J., Deforce, K., van Doesburg, J., Emaus, R., van der Heiden, M., de Jong-Lambregts, N., Karagiannis, N., de Kort, J. W., Liagre, E., van Londen, H., Meylemans, E., Orbons, J., Stichelbaut, B., Terlouw, B., Timmermans, G., Waagen, J., & van Zijverden, W. (2022). Vanuit de lucht zie je meer. Remote sensing in de Nederlandse archeologie. Nederlandse Archeologische Rapporten (NAR) 80.

Netherlands Space Office. Satellietdataportaal

Seyfried, Simon. (2020). Thermal and Multispectral Monitoring of cropmarks by UAV AARGnews, 61.

Waagen, J. (2023). In search of a castle: Multisensor UAS research at the Medieval site of ‘t Huijs ten Bosch, Weesp. 4D Research Lab report series, 4. https://doi.org/10.21942/uva.23375486.v2