Стереофотограмметрические методы в археологии: Исследование объектов археологического наследия в условиях городской застройки

В ряду антропогенно изменяемых территорий городская застройка наиболее существенно влияет на состояние известных и ещё не выявленных археологических памятников. Многовариантность архитектурно-планировочных и конструктивных решений зданий, возводимых в настоящее время, увеличение скорости выполнения строительных работ намного опережают темпы проведения археологических исследований и охранно-спасательных мероприятий. Многие памятники гибнут при строительстве, будучи не выявленными, либо исследуются не в полном объёме. Требуется их фиксация, документирование, учёт, составление карт. Это предполагает использование широкого круга современных технологий, как в полевых исследованиях, так и в аналитических процедурах. Эффективность их применения зависит от многих условий, связанных как с характером, обследуемого участка городской застройки, качеством используемой аппаратуры, так и с анализом полученного материала, который напрямую зависит от режима восприятия, осмысления, интерпретации конкретного исследователя. Поэтому априорные рекомендации по выбору того или иного метода малоперспективны.

В зарубежной практике полевых исследований естественнонаучные методы успешно применяются на протяжении последних тридцати лет1. Применение данных дистанционного зондирования.

1 Archaeological Prospection. Forth International Conference on Archaeological Prospection. Vienna, 19−23 September 2001 / Eds Doneus M. et al. — Wien, 2001; Barakat N., Dolphin L.T. Electromagnetic Sounder Experiments at the Pyramids of Giza. Report prepared for the NSF under Grant № 6F-3867 by Joint ARE-USA Research Team of Shams University. — Cairo: Stanford Res. Inst. 1975; Bevan В., Kenjon J. Ground-Penetrating Radar for Historical Archaeology//News Letter Museum Appl. Sci. Center Archaeol. Univ. Pensylvania. 1975. II, № 2.

ДДЗ), с использованием приборов глобального спутникового позиционирования (GPS) и в сочетании с геофизическими методами (так называемые «комплексные проекты»), позволяет изучать археологические памятники неразрушающими методами в условиях промышленных территорий и городских строений2. Следствием таких комплексных проектов, объединяющих усилия специалистов разных направлений, требующих крупного финансирования и долговременного исследования, является детальная реконструкция исторических процессов, связанных с конкретным археологическим памятником.

В отличие от зарубежной, отечественная археология пока не обладает достаточным опытом применения естественнонаучных технологий. За немногими исключениями отсутствуют целостные приоритеты в осознании важности и перспективности направления. Комплексный проект городища Чича и исследования отдельных специалистов4 лишь подчёркивают разрозненный характер применения новых технологий.

В настоящее время в рамках Отдела охранных раскопок Института археологии Российской академии наук (ИА РАН) создана специализированная группа археолого-географических информационных систем (АГИС), в задачи которой входит практическое применение современных технологий в рамках проведения крупных ново-строечных проектов5.

2 Wheatley D., Gillings М. Spatial Technology and Archaeology. The archaeological applications of GIS. — LondonNew York, 2001.

3 Чича — городище переходного времени от бронзы к железу в Барабинской лесостепи // Материалы по археологии Сибири. — Новосибирск, 2001. — Вып.1.-С. 19−22.

4 Афанасьев Г. Е., Зотько М. Р., Коробов Д. С. Первые шаги «космической археологии» в России (к дешифровке Маяцкого селища) // РА. — 1999. — № 2. — С. 12−15- Афанасьев Г. Е. Новые результаты применения ГНС и ДЗ-технологий в изучении археологических памятников Кнсловодской котловины // XXII «Крупновские чтения» по археологии Северного Кавказа. Тез. докл. конф. — ЕссентукиКисловодск, 2002.

5 Коробов Д С. Круглый стол «Геоинфорчацнонные технологии в археологических исследованиях» // РА. -2004.-№ 1.-С. 181−183.

При обследовании археологических памятников ценность и достоверность научных материалов зависит от средств и методов полевой фиксации, полноты сопровождающей её научной документации6. Содержащая информацию научная документация служит источником дальнейшего изучения археологических памятников. Это накладывает особые требования к выбору основных средств и методов археологического обследования. Критерий выбора того или иного метода (или комплекса методов) определяется техническими возможностями используемых средств и задачами предстоящего исследования.

Задачи археологического обследования в условиях городапри ограниченном финансировании и лимите времени — свести к минимуму ущерб археологическому памятнику от строительных работ, выявить и зафиксировать объект в связи с природной' обстановкой. Эти задачи наиболее-полно решает стереофотограмметрия (СФГ) -раздел фотограмметрии (ФГ), изучающий? методы измерения объёмных форм, рельефа местности, пространственного положения объектов по стереопаре фотоснимков8.

Методика традиционной фотосъёмки археологических памятников, применяемая в полевых исследованиях, сводится к профильным, а чаще площадным фотосъёмкам9. Условия города накладывают на применение фотографических методов ряд ограничений, связанных как с выбором точки съёмки, так и с условиями проведения исследований. Опыт показывает, что только визуальный анализ археологических снимков, без определенной обработки, дает малую.

6 Мартынов А. И., Шер Я. А. Методы археологического исследования. — М.: Высшая школа, 1989. — 223 с.

7 Станюкович А. К. Основные методы полевой археологической геофизики // Естественно-научные методы в археологии. — М.: ИА РАН, 1997. — Вып.1. — С. 19−42.

8 Лобанов А. Н. Фотограмметрия. — М.: Недра, 1984. — 552 с.

9 Методика полевых археологических исследований / Отв. ред. Д. Б. Шеллов. — Л.: Наука, 1989. -100 с.

часть возможной информации об объекте. Применение специальных математических методов расшифровки фотоснимков позволяет резко повысить их информативность и дает качественно новые данные об объекте исследования. Такие задачи решает стереофотосъёмка с последующей стереофотограмметрической обработкой полученных снимков, которая позволяет с любой степенью детализации провести измерение объекта (группы объектов) и пространственно интерпретировать его относительно других объектов. СФГ даёт возможность существенно повысить информативность и достоверность обычных фотоизображений за счёт использования стереоприставок, двух и более камер, которые позволяют измерять глубину изображения и восстанавливать пространственные формы его элементов. Обработка любой стереопары фотоснимков может быть повторена (проверена), и, если атрибуты ясно определены, то другие археологи могут произвести те же измерения, осуществить обработку данных и оценить результаты.

Широкое распространение методов стереофотограмметрии* в археологии ранее сдерживалось необходимостью использовать сложное, дорогостоящее оборудование: метрических съёмных сте-реокамер, стереокомпараторов, фототрансформаторов, фотограмметрических станций и применялось, в основном, в топографии и картографии больших участков земной поверхности. Для измерения сравнительно малых объектов в архитектуре, строительстве, технике, полевых археологических исследованиях и т. п., фотограмметрическая технология применялась значительно реже.

В настоящее время ситуация кардинально меняется благодаря широкому использованию цифровых камер в полевых исследованиях, появлением доступных цифровых фотограмметрических систем и развитием соответствующего программного обеспечения для персональных компьютеров. В связи с чем, возникла потребность в более широком использовании стереофотограмметрических методов в археологических исследованиях.

Важным аспектом археологических исследований будет являться применение трёхмерной съёмки археологических памятников методами стереофотограмметрии, регистрация и обработка данных в полевых условиях, оцифровка крупных и труднодоступных объектов. Новым направлением в исследованиях являются автоматическая фотограмметрия и топографическая съёмка труднодоступных археологических объектов с помощью дистанционно-управляемых роботов10. Кроме того, последние успехи в области инфракрасной и радиотепловой техники11, открывают широкие перспективы не только фиксации археологических памятников, получения топографии, но и обнаружения и уверенной идентификации археологических объектов в условиях городской застройки без проведения земляных работ.

Прогноз Европейского Союза (ЕС) в области культурного наследияпоказывает, что ведущую роль на протяжении, ближайших десятилетий будет играть археология в синтезе с естественнонаучными методами, прежде всего, на базе технологической и реконструктивной археологии. Это предполагает развитие и использование стереофотограмметрических методов в археологии.

Этой актуальной и перспективной задаче полевой археологии посвящено данное диссертационное исследование — разработка теоретической концепции, адаптации методов и практических приёмов стереофотограмметрических исследований в условиях городской за.

10 Смит Б. Исследовательская деятельность Европейского Союза в области культурного наследия // VI-международная конференции EVA 2003 Moscow «Информация для всех: культура и технологии информационного общества». — http://www.evarussia ru.

11 Plotnikov Р.К., Singatulin R.A., Ramzaev A.P., Dremov I.I. Application of method of infra-red photogrammetry for identification of underground archaeological tracks and rests of constructions in urban ist’s conditions // IV-International Symposium turkish-german joint geodetic dajs. — Berlin, 2001. стройки. На основании данной концепции может быть повышена эффективность проведения полевых (археологических) работ на урбанизированных территориях.

Данная работа опирается на результаты исследований двух средневековых городищ методами мультиспектральной стереофото-грамметрии (видимого и инфракрасного диапазонов), расположенных в городской черте г. Саратова — Алексеевского и Увекского. Изучение этих городищ проводилось в рамках различных хоздоговорных, научно-исследовательских геофизических, полевых археологических исследований. Были произведены: археологические разведки на территории и близлежащей акватории Волгоградского водохранилища посёлка Увек г. Саратова (2002 г., 2004 г.) — геологоархеологические работы ГУК НПЦ по историко-культурному насле дию Саратовской области в районе Алексеевского городища (2001 г.) — археологические разведки и охранно-спасательные работы на Алексеевском городище (2004 г.).

Работа выполнена в Институте истории им. Ш. Марджани АН' РТ, в Саратовском отделении Научного совета по проблемам татаро-ведения при Институте истории им. Ш. Марджани АН РТ, в археологической лаборатории педагогического института Саратовского госуниверситета, на кафедре «Приборостроение» Саратовского технического госуниверситета.

В ходе подготовки представляемой работы использовались архивные материалы и археологические коллекции исследованных памятников из фондов Саратовского областного краеведческого музея (СОМК), Энгельского краеведческого музея, ГУК НПЦ по историко-культурному наследию Саратовской области.

Автор выражает благодарность П. К. Плотникову, А.Г. Мухама-диеву, Ф. А. Рашитову, А. П. Рамзаеву, И. Л. Измайлову, Д. В. Черепанову, А. И. Юдину, А. В. Балановскому, А. В. Иванову и, особенно, Д. С. Худякову за помощь в работе, сборе материалов и возможность ознакомиться с неопубликованными коллекциями исследованных ими памятников.

Цель и задачи исследования

состоят в системном изложении теоретических и практических подходов к применению и совершенствованию стереофотограмметрических технологий в условиях городской застройки. Реализация данной цели предполагала решение следующих задач:

1. показать основные вехи* развития и интеграции физических методов и археологии, дать историографический обзор формирования и развития фотограмметрического направления;

2. обосновать выбор и применение (мультиспектральной) сте-реофотограмметрической съёмки в полевых исследованиях;

3. изложить основные подходы проведения археологических исследований в условиях городской застройки, дать характеристику их эффективности;

4. показать перспективы применения и развития стереофотограмметрических методов в практике полевых исследований;

5. показать практическое применение технологии стереофотограмметрических работ в условиях города на примере Алек-сеевского и Увекского городищ.

Методологической основой диссертации являются: системный подход к изучению объектов археологического наследиякомплексный подход к методам полевых археологических исследований и использованию методов полевой научной фотографии, естественнонаучных и технических наук.

Научная новизна работы определяется комплексным применением мультиспектральных стереофотограмметрических технологий при археологических исследованиях в условиях городской застройки.

1. Предложены и апробированы новые концептуальные подходы при исследованиях объектов археологического наследия в условиях городской застройки.

2. Обобщены некоторые принципы адаптации стереофотосъём-ки с традиционными методами полевой научной фотографии.

3. На основе предложенных подходов апробированы методы мультиспектральной (видимой, инфракрасной и радиотепловой) стереофотограмметрии при полевых исследованиях.

4. На основе адаптированных подходов предложены аппаратные средства для поиска, фиксации и идентификации археологических объектов.

Научная ценность работы состоит в совершенствовании археологических методов исследованияприменении принципов естественнонаучных методов в гуманитарных исследованиях, для нужд археологического знанияполучении, в процессе раскопок и разведок максимальной информации и точной документации. Это выражается в следующем:

• Научно обоснованы стереофотограмметрические подходы при исследованиях в условиях городской застройки.

• Освещены некоторые перспективы применения мультиспектральной (инфракрасной) стереофотограмметрии и реализации данного метода при полевых исследованиях.

• Обобщены некоторые принципы адаптации стереофотосъёмки и полевой фотографии.

Практическая значимость работы. Важнейшим фактором значимости диссертационного исследования является возможность применения материалов и теоретических разработок на практике. Основные положения и разработки диссертации могут быть использованы при создании охранных зон в городах, мониторинге объектов археологического наследия, исследовании и классификации новых памятников.

1. На практике разработан новый метод исследований.

2. Результаты исследований нашли применение при проведении полевых изысканий на Увекском и Алексеевском городищах.

3. Результаты исследования могут иметь методическое значение и быть использованы при разработке более прогрессивных решений, создании автоматизированных экспертных систем в археологии.

4. Результаты исследования могут быть использованы в практике установлении границ памятников археологии, определения границ земель историко-культурного назначения, особо охраняемых земель, наложения сервитутов при попадании участков с археологическими объектами в частную собственность, при проведении археологического исследования культурного слоя и погребальных памятников.

Апробация, работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Великий Волжский путь» (Саратов, 2001 г.), VIII-Донской международной археологической конференции «Проблемы археологии и этнической истории Дона и Северного Кавказа» (Ростов на Дону, 2002 г.), Всероссийской конференции посвящённой 100-летию А. Е. Алиховой (Пенза, 2003 г.), VIII-Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, 2001 г.), IV международном симпозиуме «Turkish-German Joint Geodetic Days» (Берлин, 2001 г.), на заседаниях кафедр в Саратовском государственном университете им. Н. Г. Чернышевского, Саратовском государственном техническом университете, на заседаниях Научного совета по проблемам татароведения Саратовского отделения Института истории им. Ш. Марджани Академии наук Республики Татарстан, а также в приведённых публикациях.

Структура работы определяется основными целями и задачами предпринимаемого диссертационного исследования.

Диссертация содержит четыре главы, которые освещают отдельные рассматриваемые вопросы, приводятся материалы апробированных решений, даётся описание как известных, так и вводимых автором в научный оборот материалов исследований, дополнительно обосновываются некоторые конкретные выводы.

ВЫВОДЫ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Решение любой задачи исследования археологического памятника в условиях города подразумевает комплексный подход и интегрированный анализ всех имеющихся данных о процессе или объекте. Традиционное исследование археологических памятников естественнонаучными методами уже давно вышло за рамки отдельно стоящей проблемы. Научные исследования, методические и экспериментальные работы, выполненные в ходе подготовки диссертации по теме интеграции фотограмметрических методов в область археологического знания и применения стереофотограмметрии в условиях городской застройки, свидетельствуют о технической обоснованности применения данных методов.

В ходе исследования Алексеевского и Увекского городищ по археологическим данным 1913 г. и современных работ в 2001, 2002, 2004 гг. выяснилась относительная простота применяемых методик, программных средств обработки и доступность технических средств, что создаёт предпосылки применения стереофотограмметрических методов в практике полевых исследований.

Принципиальную важность обретает то обстоятельство, что полученные стереофотограмметрические данные в ходе исследований в режиме реального времени могут быть использованы для интерпретации числового материала в целях его обобщения, структуризации и группировки полученных данных, создания цифровых баз данных, изучения данных с помощью методов пространственного анализа. Дальнейшее развитие и внедрение методов стереофотограмметрии в практику полевых исследований позволит существенно повысить эффективность исследования памятников археологии и ведения полевой документации.

Технология стереофотограмметрии постоянно совершенствуется благодаря успехам в области цифровой фотографии и распространением доступных, адаптированных к решению конкретных исследовательских задач компьютерных программ обработки стереоизображений, способных извлекать дополнительную информацию из объектов съёмки. Также становится возможным получать ортопланы, электронные чертежи, создавать цифровые базы данных, реконструировать и создавать трёхмерные археологические ландшафты и объекты.

СФГ является перспективным и продуктивным методом археологических исследований в условиях города, особенно в тех случаях, когда применение других естественнонаучных методов затрудненно или невозможно. СФГ позволяет получать совершенно новые результаты при изучении археологических памятников.

На основании проведённых диссертационных исследований можно сделать вывод о высокой эффективности стереофотограммет-рического метода не только при фиксации археологических памятников, но и при поисках и идентификации других объектов историко-культурного наследия в условиях городской застройки.

Обобщая полученные результаты, можно вполне обоснованно утверждать, что высокоточные и прецизионные мультиспектральные стереофотосъёмки могут успешно применяться для выделения хозяйственных ям, остатков древних построек, ритуальных сооружений, в ряде случаев захоронений и многих других типов археологических объектов. Необходимо только, чтобы стереофотосъёмка проводилась методически правильно, с высокой точностью и по достаточно густой сети наблюдений.

В результате проведённых диссертационных исследований можно сделать следующие заключения:

• применение стереофотограмметрических методов позволяет производить квалифицированную оценку сохранности участка, его мониторинга, выбора метода и средств исследований, дальнейших перспектив обследования археологического памятника;

• применение стереофотограмметрических методов даёт возможность проверки или уточнения результатов полевых исследований, соответствия топографического плана составленного в полевых условиях с изображением на стереопарах, возможность восстанавливать трёхмерную сцену и др.;

• произведённые стереофотосъёмки показали высокую эффективность фиксации сложных структур, археологических предметов в слое и вне слоя по сравнению с обычной фотографией, контроля процесса шурфовки, упреждающего зондирования в реальном масштабе времени;

• применение подводных стереокамер позволяет эффективно обнаруживать, идентифицировать и измерять археологические объекты непосредственно в акватории, в районах древних переправ, городищ и т. п.;

• экспериментально установлено, что глубина инфракрасной (радиотепловой) стереофотосъёмки в зависимости от применяемой аппаратуры и условий съёмки может достигать 0,8−1,2 м, резкость снимков достаточна для фотограмметрической обработки. Современный уровень развития фотограмметрических методов, как по количеству видов получаемой при съёмках информации, так и по технико-метрологическим параметрам ДДЗ, возможности ком-плексирования с материалами наземных, аэрои космофотосъёмок в единые ГИС, а также обработка данных с помощью методов пространственного анализа, реконструкция и трёхмерная визуализация археологических ландшафтов и объектов позволяет изменить технологическую схему использования стереофотограмметрии в решении различных прикладных исследовательских задач. Вместо традиционного «прямого поиска» археологического памятника визуально (по внешним признакам) и техническими средствами (по локальным геофизическим аномалиям), современное состояние стереофотограмметрических методов позволяет перейти к разработке и использованию целевых интегрированных технологий, ориентированных на эффективное обнаружение, фиксацию и исследование археологических памятников в конкретных ландшафто-геологических условиях.