Cultural landscapes from a bird’s eye view: applying aerial photography to identify archaeological sites in forest zone.pdf Введение Применение аэрофотосъемки в археологии насчитывает уже более чем вековую историю. Первоначально использовались снимки с воздуха, сделанные военными, а не данные, полученные специально для нужд археологических проектов [1]. Общедоступной технологией выявления и документирования памятников археологии аэрофотосъемка стала только в XXI в., с распространением портативных и относительно дешевых беспилотных летательных аппаратов с цифровыми камерами на борту [2]. Развитие вычислительных компьютерных мощностей сделало доступной технологию автоматической цифровой фотограмметрии. Возможность получения цифровой модели высот из серии фотографий позволила активно использовать инструменты анализа рельефа для поиска, документирования и изучения объектов археологии [3-5]. Общеизвестно, однако, что, несмотря на свою доступность, технология фотограмметрии с воздуха сильно ограничена природными условиями и признана малоэффективной при поиске и фиксации памятников археологии на лесных территориях. В местах с «буйной» растительностью применяется другая технология - лазерное сканирование (LIDAR -Light Detection and Ranging). В средствах массовой информации недавно широко освещалось сделанное с помощью лазерного сканирования сенсационное открытие в непроходимых джунглях Гватемалы: там был обнаружен крупнейший из известных центров майя, где было зафиксировано свыше 60 тыс. древних сооружений [6]. Съемке с воздуха с помощью лидара не препятствует никакая растительность, ее можно проводить при любом освещении и даже в ночное время. Единственное, что сейчас сдерживает массовое применение лидаров в археологии, - их высокая стоимость. Цена комплекса для лазерного сканирования с воздуха начинается от 5 млн рублей, что делает аэрофотосъемку с использованием лидара недоступной для подавляющего большинства российских исследователей. Вопреки устоявшемуся мнению о бесперспективности применения фотограмметрии с воздуха для обнаружения объектов археологии в залесенной местности, мы решили протестировать эту технологию в западносибирской тайге. Таким образом, цель нашего проекта заключалась в оценке возможности поиска памятников археологии в лесной зоне. Территория исследования Для проведения тестовой аэрофотосъемки был выбран хорошо изученный Шайтанский археологический комплекс на юге Томской области. На данную территорию имелись подробные топографические планы и трехмерные модели рельефа, полученные в разные годы с помощью тахеометрической съемки с земли. На территории Шатанского комплекса расположены разнотипные археологические памятники, датирующиеся развитым и поздним средневековьем. Материалы их исследований частично опубликованы [7-13]. В зону съемки с воздуха и последующего анализа вошли восемь памятников - городища Шайтан I, Шайтан II, Шайтан III, Шайтан IV, поселение Шайтан I, местонахождение Шайтан I и могильники Шайтан II и Шайтан III (рис. 1). Все они датируются в рамках развитого и позднего средневековья. Общая площадь съемки составила 120 тыс. м2. Городище Шайтан I Поселение Шайтан I Городище Шайтан IV Городище Шайтан III Местонахождение Шайтан I Городище Шайтан II Могильник Шайтан II Могильник Шайтан III 121 Культурные ландшафты с «высоты птичьего полета» 100 m =1 Рис. 1. Шайтанский археологический комплекс: А - спутниковая съемка (Яндекс.Карты); Б - ортофотоплан; В - теневая отмывка рельефа; Г - микрорельеф, снятый с земли, и расположение отдельных памятников в археологическом комплексе Оборудование и методы Проведение съемки предполагалось в осенний период, когда лиственный покров деревьев полностью опал, но снег еще не выпал. Для юга Томской области это период конца октября. Однако в ночь накануне проведения исследований неожиданно выпал снег. В итоге съемка проводилась при наличии тонкого слоя снега на поверхности. Съемка велась с беспилотного воздушного судна (БВС) самолетного типа Геоскан 201 [14] с высоты около 330 м. Использовалась цифровая фотокамера Sony RX1 с полнокадровой матрицей (35,8 мм х 23,9 мм), разрешением 6 000 х 4 000 пикселей и объективом с фокусным расстоянием 35 мм [15]. Вышеперечисленные параметры обеспечили расчетную детализацию снимков около 5,6 см на пиксель [16]. Фотографирование производилось с поперечным перекрытием изображений не менее 50% и продольным перекрытием не менее 70%. Географическая привязка в данном исследовании не требовала большой точности и проводилась на основе данных бортового навигационного ГНСС-приемника. Наземные контрольные точки для проверки точности географического позиционирования не использовались. Обработка полученных данных проводилась с помощью программного обеспечения Agisoft Meatshape (v.1.6.2). Каждой фотографии были назначены географические координаты в соответствии с данными навигационного ГНСС-приемника. Процесс выравнивания производился с настройками высокой точности и активной функцией преселекции изображений по привязке. Построение плотного облака точек проводилось с настройками максимального качества и «агрессивной» фильтрацией карт глубины. Точки рельефа классифицировались при стандартных настройках. На основе точек рельефа строилась карта высот. Также был построен ортофотоплан с проекцией изображений на карту высот. Данные экспортировались в файлы растровых изображений с географической привязкой в формате geotiff с пространственным разрешением 5,6 см на пиксель. Мы опасались, что равномерный снежный покров может дать большие ошибки при фотограмметрической обработке [17], но из-за обилия мелких деталей (деревьев) этого не произошло. Следует уточнить, что съемка проводилась в пасмурный день, и на полученных фотографиях не наблюдалось пересвета участков, покрытых снегом, что является одной из проблем воздушной съемки при наличии снега [18. C. 159-163]. Анализ данных Для анализа данных применялось программное обеспечение Quantum GIS (QGIS). Слой карты высот использовался в двух режимах отображения - в режиме теневой отмывки рельефа для обзорного анализа всей территории (см. рис. 1, В) и в режиме одноцветного градиента для подробного анализа локальных М.В. Вавулин, О.В. Зайцева, А.А. Пушкарев 122 участков (рис. 2, Б). Данные наземной съемки в виде изолиний с интервалом 0,1 м были импортированы и выровнены в географическую систему координат. Сначала были произведены поиск и обрисовка археологических объектов, различимых на карте высот, после чего полученные результаты сравнивались с данными наземной тахеометрической съемки. На теневой отмывке рельефа четко выделяются крупные оборонительные конструкции (рвы и валы) всех четырех городищ (см. рис. 1, В). Небольшие объекты теряются на общем фоне и плохо различимы на теневой отмывке рельефа. Для поиска объектов типа жилищных западин использовался режим отображения одноцветного градиента, высоты отображения которого подстраивались для анализа каждого памятника отдельно. Анализ площади всех памятников проводился с растягиванием градиента на 2 м по высоте, при постепенном смещении диапазона с шагом в 1 м. На слое ортофотоплана невозможно было различить ни одного объекта археологии. Таким образом, сам по себе ортофотоплан нельзя использовать для выявления археологических объектов, для дешифровки данных съемки необходимо применять и комбинировать разные способы отображения - теневую отмывку рельефа, отображения одноцветного градиента и т.д. Городище Шайтан L На городище Шайтан I (рис. 2) с воздуха четко прослеживаются ров, три сегмента вала и проходы. Высота вала достигает 1,8 м, глубина рва - до 1,4 м. Из небольших объектов на территории городища удалось различить 50 из 62 западин. Западины диаметром 5-7 м достигают глубины до 0,8 м. Двенадцать объектов не удалось различить из-за наличия нескольких хвойных деревьев на территории памятника. Поселение Шайтан L. На поселении Шайтан I (рис. 3) нет крупных земляных оборонительных сооружений, поэтому оно не так хорошо идентифицируется на теневой отмывке рельефа. На территории памятника присутствует несколько небольших хвойных деревьев, что негативно сказалось на качестве фиксации рельефа в этих местах. На поселении соотнесены 51 из 57 западин. Три западины, расположенные у северного склона, попали под хвойные деревья и не видны на данных воздушной съемки. Еще три западины имеют небольшую глубину - около 10-15 см - и также незаметны на данных с БВС. Большинство западин диаметром 4-7 м достигают глубины до 0,8 м. Городище Шайтан LLL. Ров городища Шайтан III (рис. 4) хорошо виден на теневой отмывке рельефа и позволяет провести четкую идентификацию памятника. Ров в центральной части имеет глубину около 2,8 м, вал небольшой, высотой до 0,3 м. На территории городища расположены 28 западин. Из них 26 обнаружены на данных воздушной съемки. Еще 2 западины расположены на западной оконечности мыса, заросшей несколькими хвойными деревьями, где не удалось вычислить рельеф поверхности. Сама площадка имеет уклон около 7°, западины размером от 3 до 7 м в основном врезаны в склон и имеют глубину до 0,5 м. \\ л 7 > Западины Q Оборонительные сооружения [л] Участки археологических раскопок I«Sim Объекты различимые на съемке с воздуха щШдш !_'и: Объекты не различимые на съемке с воздуха Рис. 2. Городище Шайтан I: A - ортофотоплан, Б - градиент карты высот, В - теневая отмывка рельефа, Г - план памятника на основе наземной съемки Культурные ландшафты с «высоты птичьего полета» 123 О 00, □ Западины „ О Оборонительные сооружения КЗ Участки археологических раскопок 1FT1 Объекты различимые на съемке с воздуха Jt_j Объекты не различимые на съемке с воздуха Рис. 3. Поселение Шайтан I: A - ортофотоплан, Б - градиент карты высот, В - теневая отмывка рельефа, Г - план памятника на основе наземной съемки Рис. 4. Городище Шайтан III: A - ортофотоплан, Б - градиент карты высот, В - теневая отмывка рельефа, Г - план памятника на основе наземной съемки 124 М.В. Вавулин, О.В. Зайцева, А.А. Пушкарев Рис. 5. Городище Шайтан IV: A - ортофотоплан, Б - градиент карты высот, В - теневая отмывка рельефа, Г - план памятника на основе наземной съемки Рис. 6. Городище Шайтан II: A - ортофотоплан, Б - градиент карты высот, В - теневая отмывка рельефа, Г - план памятника на основе наземной съемки Культурные ландшафты с «высоты птичьего полета» 125 Объекты не различимые на съемке с воздуха Объекты различимые на съемке с воздуха Q Участки археологических раскопок S3 Западины Курганы О 10 20 m Рис. 7. Могильник Шайтан II. A - ортофотоплан, Б - градиент карты высот, В - теневая отмывка рельефа, Г - план памятника на основе наземной съемки. Городище Шайтан IV. Городище Шайтан IV (рис. 5) может быть идентифицировано по рву, видимому на теневой отмывке рельефа. На территории городища отсутствуют хвойные деревья, что позволило хорошо зафиксировать всю территорию городища с воздуха. На западной оконечности мыса прослеживается две западины, которые также видны и на данных, полученных с БВС. Глубина рва достигает 1,2 м, высота вала - до 0,9 м. Диаметр западин около 5 м при глубине до 0,3 м. Городище Шайтан П. Городище Шайтан II (рис. 6) хорошо видно на теневой отмывке рельефа по глубокому рву (до 1,7 м) и высокому валу (до 1,7 м). Площадку городища более чем на 30% покрывают хвойные деревья, поэтому многие объекты незаметны с воздуха. Всего на территории городища расположено 12 западин размерами 3-5 м и глубиной до 0,4 м. Лишь три из них удалось различить по данным воздушной съемки. Под деревьями находится 7 западин, еще две слабо выражены в рельефе (10-15 см в глубину) и не видны на данных воздушной съемки. Могильник Шайтан II. Вся западная часть могильника Шайтан II (рис. 7) покрыта хвойными деревьями, и нам не удалось получить данные о рельефе на этом участке. Большинство объектов, расположенных в восточной части могильника, было раскопано в предыдущие годы исследования памятника. Из сохранившихся археологических объектов можно выделить четыре западины размером 4 х 5 м глубиной до 0,4 м и 13 курганов диаметром от 2,5 до 8 м, высотой от 0,2 до 1,2 м. Из этих объектов все западины и 8 курганов располагаются под хвойными деревьями и незаметны с воздуха. Два крупных кургана частично расположены на территории хвойного леса и могут быть опознаны как возвышенности. Три небольших кургана расположены на территории лиственного леса и полностью видны на данных воздушной съемки. Из-за отсутствия крупных объектов, выраженных в рельефе, таких как рвы, памятник не может быть распознан на теневой отмывке рельефа при быстром осмотре. Маленькие курганы могут быть выявлены только на карте высот при подробном локальном поиске. На исследуемой территории расположены еще два выявленных памятника археологии - местонахождение Шайтан I и могильник Шайтан III. Местонахождение Шайтан I расположено в области лиственного леса, и его территория была хорошо зафиксирована. Однако на памятнике отсутствуют объекты археологии, выраженные в рельефе, поэтому такой памятник, естественно, не будет обнаружен при поиске с помощью БВС. Могильник Шайтан II, несмотря на то что содержит крупные курганы, не виден на данных воздушной съемки, так как полностью расположен на хвойном участке леса. Результаты и обсуждение На данных, полученных с использованием БВС, удалось детально и точно зафиксировать рельеф поверхности в зоне лиственного леса. При этом рельеф, М.В. Вавулин, О.В. Зайцева, А.А. Пушкарев 126 расположенный под хвойными деревьями, зафиксирован не был. Точность фиксации по высоте совпадает с данными наземной съемки с погрешностью до 10 см, что может быть объяснено наличием невысокого травяного и снежного покрова. Детальность зафиксированного рельефа позволяет различить все объекты археологии, выраженные в рельефе более чем на 0,2 м. Крупные объекты, такие как рвы и валы городищ, могут быть легко обнаружены при быстром обзорном анализе территории с использованием теневой отмывки рельефа. Для обнаружения более мелких объектов требуется детальное рассмотрение карты высот небольшими локальными участками в узком диапазоне высот. Наличие небольшого снегового покрова в нашем случае не отразилось на качестве фиксации поверхности. В ходе обработки возникли сложности с автоматическим выравниванием фотографий на некоторых участках леса с однородной текстурой поверхности и без четко выраженных на фотографиях объектах. В нашем случае это были зоны, находящиеся за границами рассматриваемого района. Для исключения подобных проблем в будущих исследованиях следует увеличить перекрытие фотографий при съемке в лесу. Таким образом, вопреки общераспространенному мнению о бесполезности проведения аэрофотосъемки для поиска археологических памятников в лесной зоне, нами на практике продемонстрировано обратное. Основные ограничения связаны с хвойными лесами. Проведение аэрофотосъемки в лиственных лесах в сезоны до появления или после опада листвы дает прекрасные результаты.

Скачать электронную версию публикации