MOBIMA – Mobile Imaging in Archaeology

Projektbeskrivning

Bakgrundsbeskrivning och problemanalys
Arkeologin är i behov av kemisk och spektroskopisk analys för en noggrann karakterisering av material och föremål. Denna karakterisering borde kunna ske med snabba ickedestruktiva screeningmetoder. Man kan med andra ord undersöka stora ytor (många observationer) på kort tid utan att påverka det undersökta föremålet/materialet. Kemisk bildanalys baserad på nära infraröd teknik (NIR) är under stark frammarsch som har en tydlig framtidspotential (Grahn & Geladi 2007). Genom att generera hyperspektrala bilder kommer vi att kunna täcka stora ytor väldigt snabbt och varje bildpixel innehåller via spektroskopin kemisk information och vi får då möjlighet till att bestämma kontraster, gradienter, klasser och även koncentrationer. Samtidigt behåller vi styrkan av en traditionell dokumentation i form av bilder.
Vi vill testa och undersöka snabba ickedestruktiva visualiseringsbaserade mätmetoder i laboratoriemiljö och i fält för arkeologiska studier. Genom att ta bilder i många våglängder (ett hundratal eller flera hundra) inom kemisk och biologisk informativa våglängdsområden (nära infraröd) kan man snabbt få en översiktsbild av en situation som annars skulle kräva hundratals tidsödande och dyra laboratorieanalyser. Detta är en ny och innovativ teknik som i samverkan mellan arkeologer, konstvetare, kemister, datatekniker och statistiker kan ge upphov till helt ny kunskap vid analys av arkeologiska material.
En ny utveckling inom analytisk vetenskap och teknologi (t.ex analytisk kemi) är att ta mätmetoden, till provet istället för att ta prov till mätinstrumentet. Detta kallas processanalytisk teknologi och används bl.a. i läkemedelsindustri, massa- och pappersindustri. Vår idé är att studera situationer som kräver hyperspektral bildanalys inom arkeologi genom att ta högteknologiska analytiska bilder med spektral information inom det Nära infraröda våglängdsområdet av olika situationer eller kontext i arkeologiska sammanhang för att på så sätt erhålla kemisk information. Vidare vill vi genom avancerad dataanalys (1) identifiera områden av intresse (2) extrahera dessa områden (3) vidare analysera dessa områden i detalj för att ge utrymme för fördjupade tolkningar av visuell information. Metodologin kommer att testas i praktiken och kommer att prövas och utvärderas i olika fältsituationer. Även konventionell NIR spektroskopi och våtkemiska analyser kommer att användas och integreras på ett optimerat sätt.
Ett typexempel på intresseområde inom arkeologin är människans användning av färg och pigment och då särskilt av så kallad rödockra. Mänskligt manipulerad järnoxid har förekommit i norra Skandinavien under mycket lång tid (främst under stenålder) och återfinns på som målningar på berghällar eller som rödfärgningar eller röda klumpar inom boplatsmiljön. Det är inte klarlagt hur denna ockra framställts även om hypoteser finns. Det finns ett behov av tekniska analyser (sådana som ger kemisk information) av dessa material för att ge ny kunskap om detta fenomen.

Ett annat tema är de spår som människor efterlämnar i sina boendemiljöer där jord och sediment kommer att inlagra kemisk och fysikalisk information som går att analysera efter mycket lång tid. Här ger bildanalys och NIR nya möjligheter att ta fram tolkningsbar information som rör rumslig organisation, mänsklig påverkan mm.
Situationer där dessa studier kan komma till användning är vid arkeologiska utgrävningar samt under det analytiska efterarbetet av framgrävt material. Här finns även möjligheter till vidare arbeten där behov finns för icke invasiva analyser av arkeologiskt material. På museer finns stora mängder material där fördjupade analyser ej tidigare varit möjliga då materialet skulle komma att förstöras och som med denna teknik kan komma ifråga för analys.

Projektmål
MOBIMA ska komma att ersätta vissa tidskrävande dyra laborativa analyser genom snabb visuell bildanalytisk information inom arkeologisk forskning och utbildning.
MOBIMA ska testa och applicera hyperspektral bildanalys (VIS och NIR) som en snabb visuell teknik att användas inom arkeologiska studier. Tanken är att tekniken även ska kunna användas inom forensics-brottsplatsundersökningar och miljöstudier.
Inom MOBIMA vill vi också utveckla en specifik kurs inom områden där projektet är aktivt och bidra till tvärvetenskaplig utbildning inom IT området. Vi strävar här efter en nära koppling mellan forskning och utbildning, både på forskarutbildningsnivå som på avancerad nivå.
MOBIMA vill bidra med en ny metodutveckling inom arkeologin. NIR teknologi har hittills nyttjats mycket lite för arkeologiska applikationer.
Data genererade inom MOBIMA ska resultera i en databas med spektral information över flera olika arkeologiska företeelser för att möjliggöra fortsatt forskning.

Frågeställningar att besvara:
-vilka provtyper är lämpliga att undersöka i fält respektive på laboratorium?
-vilka klassificeringar kan göras och med vilken noggrannhet?
-hur är sambandet mellan bildinformation och resultat av extern analys?
-hur kan man överföra laboratorieresultat till fältsituationer?
-hur genomförs statistisk utvärdering för att testa metodens tillförlitlighet?
-hur kan man förbättra informationsutbytet av förhistoriska hällbilder och därigenom förbättra tolkningsmöjligheterna, dvs genom att ta fram information som ej är okulär?
-hur kan man förbättra informationsutbytet och förståelsen av jord- och sedimentprofiler i samband med arkeologiska utgrävningar genom att använda NIR hyperspektrala bilder?
-hur kan detta integreras i utbildningen?
-hur sprids kunskapen till allmänheten genom IT teknik?

Metodik
Arkeologiska och miljöarkeologiska undersökningar
En arkeologisk undersökningsplats är oftast en komplex miljö att överblicka, inhämta och strukturera information från. Vi kommer att applicera bildanalys teknik med hyperspektral visualisering/analys av olika typer av material från arkeologiska undersökningar och då främst av den typen där Nära infraröd spektral information finns, sediment av olika typ, benmaterial etc.
Här vill vi arbeta med möjligheten att både dokumentera och analysera den situation som en arkeolog ställs inför. Denna teknik kan också ses som ett prospekterande redskap (dvs att ta reda på förutsättningar för) där så lite åverkan som möjligt görs på den aktuella platsen men man ändå har möjlighet att värdera information och ställa nya frågor eller välja ny undersökningsstrategi innan vidare, ofta destruktiv, undersökning tar vid.
Hyperspektral bildtagning
En hyperspektral bild är en digitalbild som omfattar t.ex. 256x320 bildpunkter i vilken varje bildpunkt kan motsvara ett spektrum med ett stort antal våglängder, t.ex. 256. Detta ger en stor datakub av 256x320x256 = 20000000 tal som var består av 2 eller 4 bytes. Att ta sådana bilder görs möjlig genom nyutvecklade detektorer som är byggda av InGaAs (900-1700 nm) eller HgCdTe (1000-2500 nm). En spektroskopisk filtermekanism tillåter val av vågländsband. Detta sker snabbt så en total hyperspektral bild kan tas på några sekunder eller sämst några minuter. Tekniken är ickedestruktiv. De spektrala områden ligger i det nära infraröda som möjliggör: klassificering av organiska och biologiska material samt även i viss mån oorganiska material. Kalibrering på ett material kan leda till koncentrationsbilder och tolkning av den spektrala informationen. Man förstår fördelen jämfört med att analysera ett litet prov av ett föremål som då delvis förstörs, och sedan behöva vänta några veckor på resultaten från en våtkemisk analys.

I projektet har vi tillgång till ett antal analysinstrument som kan skapa hyperspektrala bilder på laboratoriet. Vi kommer att testa dessa med ett stort antal arkeologiska prover som inte har blivit undersökta på detta sätt tidigare. Sedan kommer vi också att testa möjligheten att ta utvalda instrument ute i fält för snabba at-line mätningar som diagnostiskt instrument under pågående arkeologisk undersökning/utgrävning. Detta ger snabbare och mer tillförlitliga underlag för hela det arkeologiska tillvägagångssättet. I normalfallet fattas dessa beslut efter avslutad fältundersökning/erhållet analysresultat. Eftersom arkeologi är en destruktiv metod i relation till sitt källmaterial är det viktigt att bättre beslutsunderlag finns tidigt i undersökningsprocessen.

Multivariat dataanalys
Informationsmängden i en hyperspektral bild är överväldigande och därför krävs effektiva metoder för data reducering, analys och visualisering. Spektrala data i varje bildpunkt (pixel) kan ge upphov till interaktiv datautforskning, klassificering och kalibrering mot externa data. Mjukvaran möjliggör, samtidigt som den analyserar data, också en statistisk tolkning. Vi kommer att använda kraftfull mjukvara som fungerar på en persondator av normalhög standard och som ger interaktiva visuella tolkningar. Man kan t.ex. skapa en bild med klasser i olika färger som visar opåverkade/ målade områden i en hällmålning där det kan vara mycket svårt att visuellt bedöma motiv. Vidare kan man vid studier av jord och sediment visualisera en gradient från en naturlig bakgrund till kulturpåverkade sådana vilket har stor betydelse för boplatsundersökningar inom arkeologin.
Kommersiellt tillgängliga och redan utprövade produkter kommer att användas (Evince; UMBIO 2012). Kemometrisk analys behövs för identifiering, klassificering och kvantifiering av de arkeologiska och miljöarkeologiska material som bedöms vara av intresse. Jämförelser mellan referensanalyser och bildanalyser är av central betydelse.

Referensanalyser
Som referensanalyser till analyserade NIR-spektra används för sediment/jord våtkemisk fosfatanalys, magnetisk susceptibilitet samt spårelementbestämningar (ICP-MS/XRF). I fältsituationer används fältbaserad XRF apparatur (x-ray fluorescence) och då främst med avseende på huvudkomponenter. Inom arkeologin är fosfatanalys och magnetisk susceptibilitet väl etablerade prospekteringsmetoder (Linderholm 2010) som ger god inblick i människans påverkan på sin närmiljö som då är väl lämpade att relateras till NIR-spektra.