Mapping the past: GIS and intrasite spatial analyses of fossil deposits in paleontological sites and their applications in taxonomy, taphonomy and paleoecology

Gáspár Albert, Gábor Botfalvai, and Attila Ősi

Plain Language Abstract

Using modern surveying tools at paleontological excavation sites enables researchers to record the location of the fossils with a precision of a few centimeters. If such measurements are organized in a database, which contains the field observations for each finding, complex spatial analyses can be done relating to the geometry, the deposition methods, and the possible relations of the findings. Visualizations in virtual space also help researchers to understand the processes that led to the deposition of the fossil-bearing sediments. Although this method is widespread in archaeology, it is hardly used in paleontology. The paper provides the detailed description of the workflow of building a spatial database from data of a GPS-survey to help paleontologists adapt to such procedures. It also provides an optimal database structure and a free analyzer interface. In three use-cases the paper explains how to use the database for common analyses: first for the general distribution of fossils, then for the distribution of differently sized bones, and finally for the analysis of associations among the findings.

Resumen en Español

Mapeo del pasado: SIG y análisis espaciales in situ de depósitos fósiles en sitios paleontológicos y sus aplicaciones en taxonomía, tafonomía y paleoecología

En las excavaciones paleontológicas, el uso de herramientas de registro digital es cada vez más frecuente para medir la ubicación geográfica de los especímenes. Esta tecnología pasa a la práctica de la paleontología desde la arqueología, donde la metodología de mapeo es bastante similar y está más extendido el SIG (Sistema de Información Geográfica) como una herramienta estándar para el análisis. El resultado de dicho procedimiento es una base de datos geológica, que constituye la base de los análisis posteriores. El proceso de trabajo consiste en: 1) topografía, 2) creación de bases de datos, y 3) análisis espacial que crea mapas o modelos 3D. El artículo sobre metodología aquí presentado describe los detalles del proceso de trabajo, explica las mejores prácticas y destaca los problemas que deben abordarse ya en el mismo campo. Los métodos abordan la estructura óptima de la base de datos, la consulta espacial, que se administra desde formatos de tablas de datos simples, y el modelado 3D. Las explicaciones de estos temas se dan a través de programas específicos; sin embargo, las tareas también se describen en general, lo que permite al lector aplicar el método descrito a otros programas. La estructura de los datos se explica a través de las hojas de cálculo de Excel y, para el análisis, se desarrolló un guion/macro (script macro) basado en Excel, que se publica como material complementario de este artículo. Se realizaron análisis espaciales complejos y visualización con Jewel Suite, una aplicación de modelado geológico en 3D. Se muestra el proceso de trabajo, y se discuten tres tipos de consultas tafonómicas utilizando los materiales estudiados en el nivel de dinosaurios de Santonia en el sitio de Iharkút (Hungría). Esta técnica se aplica fácilmente y se convierte en una herramienta importante para obtener interpretaciones taxonómicas, teóricas y paleoecológicas más precisas de las excavaciones de fósiles.

Palabras clave: mapeo de huesos; base de datos paleontológica; modelado 3D; tafonomía de vertebrados; análisis espaciales; nivel de huesos

Traducción: Enrique Peñalver (Sociedad Española de Paleontología) or Diana Elizabeth Fernández

Résumé en Français

In progress

Translator: Antoine Souron

Deutsche Zusammenfassung

Die Vergangenheit abbilden: GIS und intrasitäre räumliche Analysen von fossilen Ablagerungen bei paläontologischen Fundstellen und deren Anwendungen in Taxonomie, Taphonomie und Paläoökologie

Bei paläontologischen Ausgrabungen wird der Einsatz digitaler Vermessungswerkzeuge zur Messung der geografischen Lage von Stücken immer häufiger eingesetzt. Diese neue Technologie für die Paläontologie kommt aus der Archäologie, wo die Kartierungsmethode sehr ähnlich ist und GIS als Standardwerkzeug für die Untersuchungen weiter verbreitet ist. Das Ergebnis einer solchen Untersuchung ist eine Geodatenbank, die als Basis für weitere Analysen fungiert. Der Arbeitsablauf besteht aus: 1) Vermessung, 2) Erstellen einer Datenbank und 3) räumliche Analyse zur Erstellung von Karten oder 3D-Modellen. Die vorliegende methodische Arbeit beschreibt die Details des Arbeitsablaufs, erklärt die besten Praktiken und hebt die Punkte hervor, die notwendig sind, um auch im Feld gezielt eingesetzt zu werden. Die Methoden befassen sich mit der optimalen Datenbankstruktur, der räumlichen Abfrage, die mit einfachen Datentabellenformaten gesteuert wird, und der 3D-Modellierung. Erläuterungen zu diesen Themen werden in den einzelnen Programmen gegeben; die Vorgänge werden aber auch allgemein beschrieben, so dass der Leser die beschriebene Methode auf andere Programme anwenden kann. Die Datenstruktur wird durch Excel-Arbeitsblätter erläutert, und für die Analyse wurde ein Excel-basiertes Makroskript entwickelt, das als Ergänzungsmaterial zu diesem Papier veröffentlicht wird. Komplexe räumliche Untersuchungen und Visualisierungen wurden mit Jewel Suite, einer geologischen 3D-Modellierungsanwendung, durchgeführt. Um den Arbeitsablauf zu veranschaulichen, werden drei Arten taphonomischer Fragestellungen am Material aus dem santonischen Dinosaur Bed der Fundstelle Iharkút (Ungarn) diskutiert. Diese Technik ist leicht anzuwenden und wird zu einem wichtigen Werkzeug, um präzisere taxonomische, taphonomische und paläoökologische Interpretationen bei fossilen Ausgrabungen zu erhalten.

Schlüsselwörter: Knochenabbildung; paläontologische Datenbank; 3D Modellierung; Vertebraten-Taphonomie; räumliche Analysen; Bonebed

Translator: Eva Gebauer

Arabic

812 arab

Translator: Ashraf M.T. Elewa

Polski

Mapowanie przeszłości: GIS i przestrzenne analizy osadów kopalnych stanowisk paleontologicznych i ich zastosowania w taksonomii, tafonomii i paleoekologii

W badaniach paleontologicznych coraz częściej wykorzystuje się cyfrowe narzędzia geodezyjne do pomiaru położenia geograficznego okazów. Technologia ta przenosi się do paleontologii: z archeologii, gdzie metodologia mapowania jest dość podobna, a GIS jako standardowe narzędzie do analizy jest bardziej rozpowszechnione. Wynikiem tych badań jest baza danych „geobaza” która stanowi podstawę kolejnych analiz. Układ pracy jest następujący: 1) pomiar geodezyjny, 2) tworzenie bazy danych oraz 3) analiza przestrzenna tworząca mapy lub modele 3D. Zaprezentowana metodologiczna praca opisuje szczegóły ukierunkowania pracy, wyjaśniając najlepsze praktyki i podkreślając kwestie, które są konieczne do wykonania także w terenie. Metody dotyczą optymalnej struktury bazy danych, kwerend przestrzennych, które są zarządzane z prostych formatów tabel danych i modelowania 3D. Objaśnienia do tych danych podane są w poszczególnych programach; jednakże poszczególne zadania są również ogólnie opisane, umożliwiając czytelnikowi zastosowanie opisanej metody do innych programów. Struktura danych jest wyjaśniona za pomocą arkuszy programu Excel, a do analizy opracowano skrypt makro oparty na Excelu, który został opublikowany jako materiał uzupełniający tego artykułu. Złożone analizy przestrzenne i wizualizacje zostały wykonane przy pomocy programu Jewel Suite, geologicznej aplikacji do modelowania 3D. Demonstrując przebieg pracy, omówione zostały trzy rodzaje zagadnień tafonomicznych z wykorzystaniem badanych materiałów stanowiska dinozaurów z okresu Santonu z Iharkút (Węgry). Ta technika jest łatwa w zastosowaniu i staje się ważnym narzędziem do uzyskania dokładniejszych interpretacji taksonomicznych, tafonomicznych i paleoekologicznych w wykopaliskach.

Słowa kluczowe: mapowanie kości; baza paleontologiczna; modelowanie 3D; tafonomia kręgowców; analizy przestrzenne; brekcja kostna

Translator:  Krzysztof Stefaniak