NL ENG

Thermografie

Remote sensing door middel van thermografie is een relatief nieuwe techniek in de gereedschapskist van archeologische sensortechnieken. Thermografie kan binnen de AMZ-cyclus als techniek worden toegepast tijdens de verkennende en karterende fases van een inventariserend veldonderzoek. In ideale omstandigheden kan thermografie op landbodems boven- en ondergrondse archeologische sporen in kaart brengen.

Wat?

Hoe werkt het?

Thermografie meet de thermische infraroodstraling (warmte) die door het aardoppervlak wordt uitgestraald. Zonnestraling wordt gereflecteerd en geabsorbeerddoor materialen op en onder het aardoppervlak (bodem, vegetatie, gebouwen, water etc.). Deze materialen stralen in verschillende mate geabsorbeerde thermische infraroodstraling uit, afhankelijk van hun thermodynamische eigenschappen. Bij afwezigheid van directe straling van de zon kan thermische infraroodstraling worden gemeten met thermische camera’s. De gemeten waarden worden vastgelegd in thermogrammen, beelden waarop geregistreerde temperaturen worden gevisualiseerd met behulp van een kleurenschaal (afbeelding 1). Archeologische sporen kunnen verschillende maten van thermische infraroodstraling uitstralen. Dergelijke sporen kunnen dan verschijnen als een anomalie in een thermogram.

Afbeelding 1: Een voorbeeld van een thermogram, ingewonnen bij Huis ten Bosch, Weesp (Waagen 2023. 24). Lichtere kleuren duiden op warmere plekken, donkerdere kleuren op koudere plekken. In het noordwesten van het veld naast de boerderij zijn kasteelmuren waarneembaar.
Meer weten?

Verdieping X

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

Thermografie maakt gebruik van het thermisch infraroodspectrum, met een meetbereik tussen 8 en 14 μm (afbeelding 2), waardoor temperatuurverschillen gedetecteerd kunnen worden die samenhangen met de verschillende fysische samenstellingen van materialen en bodem (o.a. Cool 2023, Waagen et al. 2022). Een archeologisch spoor of materiaalsoort kan een grotere volumetrische warmtecapaciteit hebben, d.w.z. dat het meer warmte kan absorberen en dus langer warm blijft na zonsondergang. Een in het verleden gegraven en opgevulde greppel kan bijvoorbeeld een hoger vochtgehalte hebben dan de omringende grond. Zo’n element kan overdag koeler blijven dan de omringende grond, die sneller opwarmt in het directe zonlicht. Bij zonsondergang kan een dergelijk relatief verschil als een contrasterende anomalie in een thermogram worden opgepikt. Omdat dit effect in gunstige omstandigheden ook door een bodemlaag heen kan worden gemeten, kan zo’n spectraal of thermisch signaal op zowel sporen op als onder de bodem wijzen (zie afbeelding 3).

Naast de volumetrische warmtecapaciteit zijn nog drie thermodynamische eigenschappen relevant:

  • Thermische geleidbaarheid: Een eigenschap die bepaalt hoeveel warmte een materiaal kan transporteren. Hoe groter de thermische geleidbaarheid van de bodem, hoe groter de kans dat een thermogram van het landoppervlak warmere, begraven objecten kan waarnemen.
  • Thermische diffusiviteit: Een eigenschap die bepaalt op welke snelheid deze warmteverplaatsing plaats kan vinden. Van vergelijkbaar belang als de thermische geleidbaarheid.
  • Thermische inertie: Een eigenschap die bepaalt hoe snel een materiaal van temperatuur verandert. Dit hangt af van de thermische geleidbaarheid en volumetrische warmtecapaciteit. Significante verschillen in thermische inertie zijn vaak bepalend zijn voor warmteverschillen, en dus uitstraling, tussen materialen.

    Afbeelding 3: De wisselwerking tussen de natuurlijke ondergrond en archeologische sporen op de thermografische waarneembaarheid (Casana et al. 2017, 312).

Wat heb je nodig?

Voor het registreren van thermogrammen worden specifieke sensoren gebruikt met diodes die groot genoeg zijn om straling in het thermisch infraroodspectrum effectief op te vangen. Dergelijke thermische camera’s worden vaak als onderdeel van een geïntegreerd UAS-systeem (drone) aangeboden, waarbij een directe live-feed op het beeldscherm wordt getoond. Thermogrammen kunnen worden vastgelegd als losse beelden, maar vanwege de relatief grote diodes hebben thermogrammen vaak maar een beperkte resolutie (b.v. 640 x 512 pixels). Voor archeologische doeleinden, dat wil zeggen, het naderhand analyseren van de meetwaarden met b.v. Geografische Informatiesystemen, is het daarom van belang om reeksen foto’s te maken. Met behulp van fotogrammetrische technieken die ook worden gebruikt voor optische gegevens, kunnen vervolgens gemozaïekte thermografische reflectiekaarten worden gemaakt.

Daarnaast kunnen handwarmtecamera’s worden gebruikt om de fysieke eigenschappen van staande architectuur te bestuderen, zoals bij het opsporen van vocht in muren (Brooke 2018), en er is ook gekeken naar de mogelijkheid deze in te zetten in archeologische veldsurveys (Thomas 2019).

Meer weten?

Verdieping X

Eenvoudige thermische camera’s produceren een thermogram waarbij het gemeten bereik aan waarden wordt verdeeld over 256 bits. Dat betekent dat de pixelwaarden per thermogram een andere gemeten straling kunnen representeren. Daarom is het sterk aan te bevelen om een radiometrische thermische camera te gebruiken, waarmee de werkelijk gemeten straling kan worden geregistreerd. Bekende fotogrammetrische softwarepakketten zoals Agisoft Metashape of Pix4D kunnen met radiometrische JPGs werken.

Kan worden gebruikt met..

Door gebruik te maken van een handcamera of een camera vastgemaakt onder een drone kunnen verschillende in thermische infraroodstraling effectief op korte afstand worden vastgelegd (afbeelding 4). Met name vanwege de opkomst van UAS-technologie is een nieuwe en doeltreffende methode voor het archeologische remote sensing werkveld ontstaan. Wel is er een beperking in geografisch bereik afhankelijk van de wetgeving en beperkte batterijduur.

Afbeelding 4: Links: multirotor UAS (DJI M210) in Siegerswoude klaar voor thermische opnamen, rechts: de daarbij gebruikte radiometrische thermische camera (Zenmuse XT2) (bron: 4D Research Lab).
Meer weten?

Verdieping X

Thermogrammen kunnen ook worden verzameld met camera’s bevestigd aan satellieten en vliegtuigen, maar die zijn voor archeologische toepassingen zeer beperkt geschikt. Dit heeft te maken met enerzijds de relatief grove resolutie van de beelden, en anderzijds met de atmosferische verstoringen van de thermische infraroodstraling die een groot effect hebben bij een sensor zo ver verwijderd van het aardoppervlak. Bovendien is het exacte moment van de opname van groot belang bij thermografie, dus bij gebrek aan controle daarover is het moeilijk de beelden goed op waarde te schatten.

Archeologische toepassingen

Plaats in het archeologisch proces

Thermografie 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 thermische/spectrale anomalieën op (afbeelding 5), 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 5: Thermische anomalieën waarneembaar op een gemozaïekte thermografische reflectiekaart bij Siegerswoude, interpreteerbaar als oude greppel/drainage systemen (Waagen et al. 2022).
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 thermische 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. vochtverspreiding in een muur).

Welke typen archeologische materialen/landschappen

Thermografie is inzetbaar in alle omstandigheden waarin het aannemelijk is dat er verschillen in thermische infraroodstraling waarneembaar kunnen zijn tussen archeologische sporen en het natuurlijke landschap inclusief de bodem. Of de verschillen kunnen worden waargenomen is sterk afhankelijk van de lokale omstandigheden.

Meer weten?

Verdieping X

Hoewel er verschillen zijn in bijvoorbeeld de relatieve thermische geleidbaarheid van de Nederlandse bodemtypen, zijn het vochtgehalte van de bodem en de staat van de vegetatie vaak veel belangrijkere factoren. Belangrijk is te weten in welke omstandigheden het zeer onwaarschijnlijk is dat thermografie succesvol is. Dit is met name het geval bij bodems met een hoge relatieve vochtigheid en waterbodems, welke zorgen voor een gelijkmatige temperatuurspreiding. Ook dient men zich te realiseren dat de thermische straling van de objecten het dichtst bij de sensor dominant is. Dus b.v. een toplaag op de bodem van asfalt of keien, of een dichte vegetatie, zorgen ervoor dat vooral de temperatuur van deze objecten zal worden geregistreerd. Voor archeologische materialen geldt verder dat de mate van waarneembaarheid afhangt van de lokale omstandigheden. Zo kunnen stenen goed contrasteren met een kleiige grond, maar waarschijnlijk niet als die relatief diep in een slecht geleidende grondmatrix liggen. Tot slot is het van belang dat verschillen in vegetatie thermisch waarneembaar kunnen zijn als plantensoorten verschillend warmte vasthouden. Op die manier kunnen vegetatiemarkeringen (crop marks) worden waargenomen die een indicatie vormen voor begraven archeologische resten (Seyfried 2020).

Beperkingen/onzekerheden

Thermografie is gevoelig voor een veelheid aan factoren. Hierboven is reeds het belang vermeld van o.a. materiaaleigenschappen, bodemeigenschappen en vegetatie. Daar komen ook nog temporele factoren bij, zoals het temperatuurverschil tussen dag en nacht en atmosferische omstandigheden zoals de relatieve luchtvochtigheid. Bovendien bestaan er verschillende warmtecycli, namelijk de dagelijkse cyclus van dag en nacht, de seizoencyclus, maar ook cycli over variabele perioden van periodieke opwarming en afkoeling. Deze kunnen allemaal effect hebben op de thermische infraroodenergie die materialen uit kunnen stralen (zie b.v. Casana 2017). Met betrekking tot het Nederlandse landschap zijn er inmiddels een paar onderzoeken gepubliceerd waarin de lokale en temporele factoren worden onderzocht (Van Doesburg et al. 2022, Rensink et al. 2022, Waagen 2023).

Meer weten?

Verdieping X

Vanwege de veelheid aan landschappen en klimaten wereldwijd, maar ook in Nederland, is het onderzoek naar de relatieve effectiviteit van thermografie nog in volle gang. Dit betekent dat het toepassen van thermografie, met name als UAS remote sensing methode, nog een sterk experimenteel karakter heeft. Een belangrijk aspect van thermografisch 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 (Waagen 2023).

Casestudies

Ben je nieuwsgierig over hoe thermografie 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

Brooke, C. (2018). Thermal imaging for the archaeological investigation of historic buildings. Remote Sensing, 10(9). https://doi.org/10.3390/rs10091401

Casana, J., Wiewel, A., Cool, A. C., Hill, A. C., Fisher, K. D., & Laugier, E. J. (2017). Archaeological Aerial Thermography in Theory and Practice. Advances in Archaeological Practice, 5(4), 310–327. https://doi.org/10.1017/aap.2017.23

Cool, A.C. (2023). Thermography. In The Encyclopedia of Archaeological Sciences, S.L. López Varela (Ed.). https://doi.org/10.1002/9781119188230.saseas0579

Van Doesburg, J., van der Heiden, M., Waagen, J., van Os, B., & van der Meer, W. (2022). Op zoek naar lijnen: De waarde van elektromagnetische inductie en optische en thermische infraroodbeelden in Siegerswoude (Friesland). Rapportage Archeologische Monumentenzorg 273.

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.

Thomas, H., & Williams, E. (2019). High resolution terrestrial thermography of archaeological sites. Archaeological Prospection, 26(3), 189–198. https://doi.org/10.1002/arp.1733

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

Waagen, J., García Sánchez, J., van der Heiden, M., Kuiters, A., & Lulof, P. (2022). In the heat of the night: Comparative assessment of drone thermography at the archaeological sites of Acquarossa, Italy, and Siegerswoude, The Netherlands. Drones, 6(7), 165. https://doi.org/10.3390/drones6070165

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