DIGITALER STEPHANSDOM
St. Stephan ist nicht nur Wahrzeichen, Kunstwerk und Herzensangelegenheit. Das Monument muss auch gepflegt und erhalten werden. Ein wesentlicher Bestandteil davon ist die Dokumentation des Zustandes, der Schäden und der Erhaltungsarbeiten durch die Dombauhütte von St. Stephan.
Von mittelalterlichen Abrechnungs- und Bautagebüchern angefangen über Skizzen und Pläne zur Kartierung von Zustand und Maßnahmen bis zur genauen Erfassung des Bauwerks mit Zeichnungen, Fotos, 3D-Scan und Photogrammetrie reicht das Spektrum der Möglichkeiten.
Die technische Erfassung hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht.
Lieferten die ersten Versuche mit Laserscans an den Wasserspeiern des Domes vor mehr als 25 Jahren noch eher vage Abbilder der Originale, die nur schwer wiederzuerkennen waren, ermöglichen moderne Scanverfahren heute eine beeindruckend präzise Dokumentation selbst kleinster Details.
Diese Entwicklung ist dem Engagement eines österreichischen Scanner-Herstellers zu verdanken: Die in Horn ansässige Riegl GmbH hat die Qualität von Bauaufnahmen überwältigend verbessert und unsere Arbeit immer tatkräftig unterstützt.
Die Verarbeitung der Daten wurde vom BMWKMS (Bundesministerium für Wohnen, Kunst, Kultur, Medien und Sport) im Rahmen der Digitalisierungshilfe finanziell unterstützt. Es waren mehrere Schritte zur Datenerfassung und zur Verarbeitung der Daten erforderlich, die in den letzten beiden Jahren unter Federführung der Dombauhütte durchgeführt wurden.
Der Laser-Scan misst die Entfernung zu einem Gegenstand mit Hilfe der Messung der Laufzeit eines Lichtstrahls, der vom Scanner ausgesendet, an einem Gegenstand reflektiert und vom Gerät wieder dedektiert wird. Das Licht legt in einer Sekunde ca. 300 Millionen Meter zurück, für die Messung von Details im Bereich von 1 Zentimeter müssen Laufzeitunterschiede von 30 Billionstel Sekungen (30 Pikosekunden) gemessen werden. So wird die Oberfläche abgetastet und vermessen, aus der Fülle von Messungen entsteht eine große Zahl von Punkten im Raum, die sogenannte „Punktewolke“. Das Ergebnis wird durch Fotos einer hochauflösenden Kamera, die mit dem Scanner verbunden ist, aufgewertet und eingefärbt. Dadurch ergibt sich – je nach Abstand und Blickwinkel – ein umfassendes Bild des Objektes, aber in diesem Schritt noch keine geschlossene Oberfläche, sondern eine genaue, auch über größere Entfernungen exakte Darstellung der Geometrie. Durch die hohe Anzahl an Scans (828), die im Inneren aus ca. 2 Metern Höhe und 10 Metern Höhe aufgenommen wurden, ist ein Großteil der Oberfläche erfasst worden, die üblichen Schatten, die an der Oberseite von Bauteilen und Skulpturen auftreten, weil der Lichtstrahl sie nicht erreicht, konnten so auf wenige hochgelegene Ausnahmen reduziert werden.
GEODÄTISCHE VERMESSUNG
Der Stephansdom ist das Zentrum der Stadt und mit dieser untrennbar verbunden, auch das Modell soll nicht im luftleeren Raum schweben, sondern in das globale Koordinatensystem eingebunden sein. Deshalb sind die wichtigsten Teile des Domes geodätisch vermessen und das Modell des Domes mit dem weltweiten Erdmodell in Beziehung gesetzt worden. Im Dom sind die wichtigsten Referenz-Punkte markiert, so kann mit einfachen Mitteln die Beziehung zwischen den neuen Modellen und dem realen Dom, aber auch mit alten Plänen eindeutig und exakt hergestellt werden. Vor allem die zweidimensionalen Pläne aus den 1990er Jahren sind sehr exakt und bildeten in den letzten 35 Jahren eine Grundlage für zahlreiche Dokumentationen. Sie bieten daher wertvolle Informationen, die mit den neuen Modellen verknüpft werden können, auch wenn sie entscheidende Lücken aufweisen, da sie nur die Hauptansichten des Domes abbilden, aber z. B. die Flächen von Strebepfeilern nicht zeigen.
Die exakte Definition im weltweiten Koordinatensystem erlaubt auch in Zukunft die Ergänzung um neue Messdaten. Dadurch können Bauteile, die derzeit von Gerüsten verdeckt oder noch stark verschmutzt sind, nach ihrer Freilegung bzw. Sichtbarmachung nachträglich aufgenommen werden. Weiters ermöglichen Detailaufnahmen von Skulpturen am Außenbau, die z. B. von einem Gerüst aus erstellt werden, eine laufende Ergänzung der Informationen über den Dom.
PHOTOGRAMMETRIE
Für Details können die Laserscans mit hochauflösenden Fotos ergänzt werden. Die Erfassung der Architektur durch den Laser-Scan und die damit verbundene Kamera lässt kaum mehr Wünsche offen, aber Skulpturen und Ausstattungsdetails können – basierend auf dem Laserscan noch genauer erfasst und wiedergegeben werden. Ein ganz wichtiges Element der Ausstattung des Domes sind die 80 Skulpturen des Langhauses, die in ca. 10 Metern Höhe aufgestellt sind. Manche dieser mittelalterlichen Skulpturen werden teilweise in ihren untersten Zonen von den barocken Altären beschattet, was eine weitere Herausforderung bei der Erfassung darstellt. Eine Erfassung mit Drohnen wäre zwar denkbar, dabei stellt sich aber das Problem der Beleuchtung, die ebenfalls in die Nähe des Objektes bzw. der Kamera gebracht werden muss.
Wir haben daher ein komplexes System von vier bis fünf Kameras und zwei LED-Scheinwerfern mit Lichtballons aufgebaut, das je nach der Zugänglichkeit der Skulpturen auf einem Hubsteiger und einem Gittermast am Gabelstapler der Dombauhütte montiert wurde. So wurden in zahlreichen nächtlichen Kampagnen ca. 60.000 Bilder aufgenommen. Neben den Skulpturen wurde in manchen Bereichen auch die Oberfläche der Säulen erfasst, wobei mittelalterliche Bearbeitungsspuren und Steinmetzzeichen entdeckt und dokumentiert werden konnten.
Die Erfassung der hoch aufgestellten Skulpturen erfordert großen Aufwand, denn es ist nicht einfach, in dieser großen Höhe Aufnahmen zu machen. Sie sind aber besonders reizvoll und lohnend, weil die Skulpturen auch für die Besucherinnen und Besucher des Domes in großer Höhe nicht im Detail zu erkennen sind. Sie sind im virtuellen Modell erst wirklich in ihrer Gesamtheit sichtbar und zu erkennen.
Da die Verarbeitung von 60.000 Bildern sehr viel Rechenleistung erfordert, wurden die Bilder, die eine Skulptur abbilden, zusammengefasst und die Skulpturen einzeln berechnet. Auch in dieser übersichtlichen Form, in der nur ca. 1.000 Fotos zu einem Modell zusammengefügt wurden, sind teilweise mehrere Tage erforderlich gewesen, um eine Skulptur zu berechnen.
GIS-KARTIERUNGS-SYSTEM
Dokumentation ist nicht nur die Beschreibung des Zustands, sondern geht viel tiefer. Die Maßnahmen der Restaurierungen sind komplex und verwenden traditionelle, aber in beschränktem Rahmen auch neue Technologien zur Reinigung, Sicherung und Festigung der historischen Substanz. Die Effektivität aller Maßnahmen konventionell wie experimentell – kann erst nach mehreren Jahren wirklich beurteilt werden und die Kenntnis über die eingesetzten Techniken bildet für zukünftige Restaurierungen – wohl erst in 40 oder 50 Jahren eine wichtige Grundlage.
Die Dokumentation über das gesamte Bauwerk mit möglichst vielen Informationen und ihre Verfügbarkeit und Lesbarkeit auch in mehreren Jahrzehnten ist wichtig. Für die Langzeit-Archivierung ist die Hardware-Seite natürlich entscheidend, also die Speicherung von Datenträgern, die dauerhaft sind oder regelmäßig kopiert und neu geschrieben werden. Bei sorgfältiger Handhabung der Speicherroutinen lassen sich die Daten zuverlässig über lange Zeiträume speichern.
Man könnte sagen, dass früher Dokumente (bei geeigneten Bedingungen) umso besser konserviert werden konnten, je weniger sie benutzt wurden, während sie heute ständig gepflegt werden müssen. Dieses allgemeine Problem der Datenkonservierung betrifft alle Anwender und ist Anwendern und Systemadministratoren bewusst.
Für die Dokumentation der Restaurierungsarbeiten werden sehr spezielle Anwendungen verwendet, die Grafik mit Datenbanken verbinden, deren Schnittstellen sich bei Software-Updates ändern können und dann nutzlos sind. Sollte eine der zugrunde liegenden Applikationen eingestellt werden, könnte die weitere Nutzbarkeit des Systems beeinträchtigt sein, da sich auch Betriebssysteme und Hardware (auch aus Sicherheitsgründen) laufend weiterentwickeln. Ein Einfrieren der Ausstattung ist daher weder sinnvoll noch realistisch.
Nachdem die Denkmalpflege nur eine kleine Gruppe von Anwendern umfasst, ist die Gefahr, dass die spezielle Dokumentations-Software nicht mehr weiterentwickelt wird, sehr groß vor allem, weil die Domerhaltung auf weite Zeiträume ausgelegt sein muss. Wir haben uns daher für eine freie Version des Global Information Systems (GIS) entschieden, um die Arbeiten am Dom zu dokumentieren. Hier sind Datenbanken, Bild- und Textinformationen und schließlich Plangrundlagen (im Prinzip macht es keinen Unterschied, ob eine Landkarte oder ein Fassadenplan die Basis der Kartierung ist) schon von vorneherein in der Anwendung miteinander verknüpft. Probleme mit den Schnittstellen sind daher nicht so häufig. Darüber hinaus sind GIS-Systeme weit verbreitet. Eine stetige Weiterentwicklung ist daher auf längere Sicht zu erwarten (im Gegensatz zur sehr kleinen Anwendergruppe in der Denkmalpflege) und eine langfristige Datenspeicherung sowie -bereitstellung weitgehend gesichert.
ERGEBNISSE
Nicht nur die Restaurierung am Dom ist eine Daueraufgabe, da Erosion ein natürlicher Vorgang ist, der mit traditionellen und modernen Techniken gebremst werden muss, um den Dom für spätere Generationen zu erhalten. Auch die Dokumentation des Domes ist eine langfristige Aufgabe. Durch die Restaurierungen ändert der Dom immer wieder sein Erscheinungsbild. Man denke nur an die schwarzen Krusten, die vor wenigen Jahren noch weite Teile des Domes überzogen haben.
Die Überarbeitung und Erweiterung der Dokumentation ist aber auch dem technischen Fortschritt und verschiedenen Verwendungszwecken geschuldet: So konnte nach dem Scan 2005 erst nach mehrmonatiger mühevoller Arbeit ein vereinfachtes Modell generiert werden, das für die Analyse des Baues wertvolle Daten lieferte. Ein spannendes Ergebnis war, dass sich das Gewölbe (vor allem im Chor) in den Bereichen, die an die beiden Türme angrenzen, verformt hat. Ursache dafür ist das höhere Gewicht der Türme, die jünger als der Chor sind, und sich daher stärker gesenkt haben. Die Verformungen sind mit freiem Auge und auf 2D-Plänen nicht sichtbar, sondern nur im 3D-Modell erkennbar.
Die einst sichtbaren Schäden wie Sprünge im Gewölbe und in den Wänden wurden schon im 19. Jahrhundert dauerhaft saniert. Die Bewegung der Fundamente war schon damals zur Ruhe gekommen, die Stabilität des Domes ist natürlich nicht in Gefahr!
2018 konnten nicht nur der Innenraum, sondern auch der Außenbau und die unterirdischen Räume die sogenannten „Katakomben“, die sich teilweise auch unter dem Stephansplatz erstrecken präzise erfasst werden. So war es möglich, sie räumlich exakt mit dem oberirdischen Bauwerk und dem Stephansplatz in Beziehung zu setzen.
Diese Daten finden weiterhin Verwendung und können mit den aktuellen zusammengeführt werden.
Der Schwerpunkt und das Ziel haben sich bei der letzten Erfassung – auch ermöglicht durch den technischen Fortschritt geändert. Zusätzlich zur architektonischen Struktur konnten auch viele Details erfasst werden: Die Konstruktion des Dachbodens zum Beispiel, und als besonderes Ziel die Dokumentation der ca. 100 Skulpturen an den Pfeilern des Langhauses und des Chores. Diese konnten durch die neue Generation des Laser-Scanners und den Einsatz von Photogrammetrie hochdetailliert erfasst und ausgearbeitet werden.
Verzerrungsfreie Bilder und 3D-Modelle in realistischer Auflösung sind auch für Betrachter, die weniger an technischen Details, sondern am optischen Eindruck und der Ästhetik interessiert sind, spannend und attraktiv. Die Skulpturen können nun auch in ihren Details betrachtet und studiert werden, ohne dass ein Gerüst aufgebaut werden muss. Natürlich hat jedes Modell seine Grenzen. So können die engen Spalten zwischen den Pfeilern und den Skulpturen nicht zerstörungsfrei vermessen werden. Die Erreichbarkeit jedes Fleckchens der Oberfläche ist in einem so komplexen Gebäude wie dem Stephansdom nicht zu 100% möglich, aber die Grenzen sind nur mehr in Ausnahmefällen störend.
ZUGÄNGLICHKEIT
Das hochauflösende Modell des Innenraumes kann im Internet erkundet werden, die einzelnen Skulpturen sind in unserer ebenfalls öffentlich zugänglichen Bilddatenbank betrachtbar, und ein 3D-Modell, das den Innenraum und große Teile des Äußeren umfasst, ist mit Information zu den Kunstwerken im Dom ausgestattet. Die erfassten Daten können jederzeit erweitert und ergänzt werden, weitere Daten – von Bildern, historischen Ansichten, Berichten bis zu wissenschaftlichen Artikeln – hinzugefügt werden.
Es ist kein abgeschlossenes Projekt entstanden, das den aktuellen Zustand des Domes statisch wiedergibt, sondern eine Grundlage für ein vielseitiges Informationssystem, das neuen Interessentengruppen offen steht. Die Daten sind nicht nur für den internen Gebrauch, sondern sollen in Zukunft auch Dombesucherinnen und Dombesuchern (in speziellen Nebenräumen) sowie in internettauglicher Form allgemein zugänglich sein. Der virtuelle Dom mit seinen verschiedenen Zugängen ist kein digitaler Zwilling des gebauten Domes, sondern nur ein Modell, aber ein sehr interessantes und informatives, das nicht nur bei der Arbeit der Dombauhütte zur Erhaltung des Domes hilft, sondern auch neue Perspektiven auf den Dom eröffnet, und hoffentlich sowohl Kenner des Domes als auch Menschen, die ihn nicht kennen, dazu einlädt, sich wieder oder erstmals intensiver mit ihm zu beschäftigen.
Für die Realisierung der vielfältigen Aspekte dieses Projekts bedankt sich die Dombauhütte ganz herzlich bei Nikolaus Studnicka, Anna Nöbauer, Robert Kalasek und Elmar Schmidinger.
Die Internetmodelle können über die Internetseiten der Dombauhütte www.stonemarks.org/afl bzw. über www.dombauwien.at eingesehen werden. (MMag. Franz Zehetner, Archivar der Dombauhütte)
