Аэрофотограмметрическое исследования памятников археологии
В.А. Гнера
Институт археологии НАН Украины, Киев
DOI: 10.25681/IARAS.2021.978-5-94375-342-8.3
Современные археологические исследования трудно представить без привлечения новейших методик и технологий, которые предоставляют дополнительные возможности, упрощающие сложные процессы, и расширяют информативную базу. К новейшим технологиям фиксации памятников археологии и объектов относится аэрофотограмметрия.
Фотограмметрия – это научно-техническая дисциплина, занимающаяся определением размеров, форм и положения объектов по их изображениям на цифровых образах. Аэрофотограмметрия – фотограмметрия на основе аэрофотоснимков, в данном исследовании выполненных с помощью квадрокоптера для сбора информации об объекте или территории.
Квадрокоптер (дистанционно управляемый летательный аппарат с четырьмя винтами, расположенными на несущей конструкции) – это профессиональная техника для аэрофотосъемки, которая применяется в различных отраслях промышленности и науки. С его помощью решаются самые разнообразные задачи: составление карт и фотопланов в градостроительной и архитектурной деятельности, мониторинг и подсчет объемов в строительстве, кадастровый учет земельных участков, мониторинг состояния энергетических сетей и трубопроводов. Также все большую значимость приобретают методы аэрофотосъемки в науках о Земле: изучение речной сети и береговой линии водохранилищ, исследование состояния лесов, мониторинг экологического состояния земельных ресурсов, исследования археологических объектов и тому подобное.
Для решения многих из этих задач в качестве конечного или промежуточного результата используются цифровые модели (фотоплан, ортофотоплан, 3D-модель и т. д.), основанные на фотограмметрической информации о физических объектах и окружающей среде, полученной с высоты [Картография по беспилотникам…].
Фотограмметрию, то есть измерительную фотографию, ввел впервые во Франции Э. Лосседа в 1852 г., в Германии А. Майденбауэр в 1867 г. и в России В.Ф. Найденов в 1894 г. Основателем аэрофотограмметрии был С. Финстервальдер, который в 1890 г. применил ее для съемки ледников. Но практическое значение фотограмметрия получила лишь с изобретением доктора К. Пульфриха, который предложил использовать стереоскопические снимки. На основе этого изобретения физиком В. Бауэрсфельдом был сконструирован стереопланиграф, выпущенный фирмой «Цейсс». Этот аппарат дал возможность обрабатывать снимки, сделанные под любым углом, что и дало начало практической фотограмметрии с высоты. В отечественной науке первым, кто задекларировал понятие аэрофотограмметрии и описал ее направления, был Р. Менде в 1919 г. [Менде, 1919].
Основные положения аэрофотограмметрии построены на законах перспективы (центральной проекции) и свойствах стереоскопического зрения. Изображение местности на аэрофотоснимке имеет геометрические искажения, вызываемые несовпадением оптической оси панорамографа с вертикалью при съемке, различием относительных высот отдельных точек местности и другими факторами, что не позволяет определять координаты точек местности с точностью, необходимой для создания топографических карт. Эти искажения устраняют трансформированием изображения аэрофотоснимка, оптически проектируя его так, чтобы несколько опорных точек снимка (обычно четыре) точно совпадали с соответствующими им точками на экране фототрансформатора, геодезические координаты которых определены путем наземных измерений или вычислены методом фототриангуляции, а расстояния между ними нанесены в масштабе изготавливаемой карты. Из трансформированных снимков монтируется фотоплан, затем фотографические изображения на нем заменяются условными топографическими знаками. Условные знаки, обозначающие рельеф местности (горизонтали или штрихи), наносятся по результатам полевых измерений или, чаще всего, на основании камеральных измерений по модели местности [Лобанов, 1971].
Для выполнения указанных аэрофотограмметрических работ в ХХ в. использовались различные приборы: фототрансформаторы, диапроекторы, стереопланиграфы, плоттеры и т. д. С помощью электронной и вычислительной техники в то время удалось автоматизировать считывание фотоизображений с регистрацией пространственных координат и строить цифровые модели местности.
На современном этапе развития цифровой электроники аэрофотограмметрические проекты проводятся с помощью таких технических и технологических продуктов, как:
- дистанционно-управляемые летательные аппараты (беспилотники с фиксированным крылом, мультикоптеры, конвертопланы, глайдеры, тейлситтеры и т. п.) [Беспилотники…];
- компьютерная техника (стационарные компьютерные станции, ноутбуки, планшеты, смартфоны и т. д.);
- программные фотограмметрические платформы (DJI GS Pro, Pix4D, DroneDeploy, Lichti, OpenDroneMap, Autodesk ReCap 360, ContextCapture, PhotoScan Agisoft и т. п.) [12 Best Photogrammetry…].
Рассмотрим основные принципы аэрофотограмметрии на примере практического использования в археологических исследованиях квадрокоптера DJI Phantom 3 Pro – летательного аппарата профессионального класса, который выполняет высококачественную фото- и видеосъемку [Гнера, 2017б. C. 52–60].
Управление квадрокоптером реализовано с помощью пульта радиоуправления и смартфона (или планшета) с установленным приложением производителя DJI Gо. Приложение предназначено для получения изображения с камеры, настройки параметров камеры, контроля параметров полета и заряда аккумуляторной батареи самого квадрокоптера, выбора режима полета и других более тонких настроек. Фотосъемка возможна при наклоне камеры относительно горизонта от 0 до 90°, в ручном режиме или автоматическом режиме с заданной скоростью съемки.
Использование DJI Phantom 3 Pro позволяет просто и быстро загружать в программу положение камер, поскольку бортовой компьютер квадрокоптера записывает все необходимые полетные данные (высоту полета, координаты центра фотографии, угол наклона камеры, курс, тангаж и др.). Загрузка данных происходит автоматически на каждую снятую фотографию с квадрокоптера, в дальнейшем на основе этой информации создается фотограмметрический проект. В процессе выравнивания фотографий происходит определение положения и ориентации всех камер (фотографий) в проекте и построение разреженного облака точек.
В основном аэроисследования проводятся в три этапа: подготовительный, сама аэрофотосъемка, обработка полученных данных.
На подготовительном этапе при планировании полета квадрокоптера над объектом исследования необходимо учитывать многие элементы, которые в дальнейшем обеспечивают точное отображение данных для экстраполяции исследуемого объекта. Расчет аэрофотосъемки производится независимо от используемой камеры, программное обеспечение только автоматизирует процессы, но ответственность за правильное введение данных лежит на операторе, поэтому изложим, как выполнять эти вычисления.
Планирование фотограмметрического полета зависит от характеристик квадрокоптера и, в первую очередь, от фотокамеры, которую он несет. Эта процедура является общей для любых квадрокоптеров. На DJI Phantom 3 Pro установлена камера Sony EXMOR R BSI 1/2.3".
Для предварительных подсчетов ключевой величины полетного плана (разрешение) понадобятся фокусное расстояние камеры, размер изображения, размер пикселя и высота полета.
Фокусное расстояние – это расстояние от оптического центра объектива до точки фокусировки, то есть до матрицы, где образуется резкое изображение объекта. Крайне важно использовать фиксированный объектив фокуса, чтобы убедиться, что фотограмметрический проект будет иметь один и тот же масштаб на каждом снимке.
Пиксель (англ. рixel – «элемент изображения») – это наименьшая единица цифрового изображения, которая определяет его разрешение. В пикселях хранятся значения, которые будут формировать изображение. В каждом пикселе изображения сохраняется взвешенное значение всей отраженной энергии, соответствующей ее площади на местности.
Высота полета – это переменная, которую мы выставляем самостоятельно в программном приложении DJI Gо. Для каждого показателя высоты разрешение также меняется, что представлено в таблице расчетов.
Разрешение – это уровень детализации, достигнутый на один пиксель на вашей карте. В иностранной литературе этот параметр обозначают как ground sample distance (GSD) – представление пикселя в ландшафте, т. е. часть ландшафта, которую захватит пиксель. Добавлю, что разрешение зависит от качества полученных изображений и высоты полета (то есть высоты камеры от объекта фотографирования).
Подсчеты разрешения проводятся на основе теоремы Фалеса, а точнее – от ее производной (рис. 1). Теорема Фалеса (1) – теорема планиметрии о параллельных и секущих. Если на одной из двух прямых отложить последовательно несколько отрезков и через их концы провести параллельные прямые, пересекающие вторую прямую, то они отсекут на второй прямой равные отрезки [Коншин, 1967].
(1) Разрешение = Высота × Размер пикселя / Фокусное расстояние
Из характеристик квадрокоптера нам известны постоянные показатели формулы – это размер пикселя (1,55 мкм) и фокусное расстояние (4 мм). Подставляем переменную величину – высоту – и в ответе получаем разрешение снимка для заданной высоты. Чем больше высота, тем больше разрешение или ниже уровень детализации, и чем ниже высота, тем выше уровень детализации или разрешение. В связи с емкостью отображения это отношение пропорционально – чем больше разрешение, тем больше площадь отображения; чем меньше разрешение, тем меньше площадь отображения в одном снимке. К тому же, зная разрешение и размеры изображения (в пикселях), можно рассчитать по простой формуле подсчета площадь, отраженную на снимке.
Результаты расчетов представлены в Табл. 1.
Пример расчетов разрешения и площади одного кадра съемки при разной высоте
Высота, м Разрешение, см/п Площадь, кв. м 5 0,19 32,49 10 0,38 129,96 20 0,76 519,84 30 1,14 1169,64 40 1,52 2079,36 50 1,90 3249,00 100 3,80 12 996 назад
В итоге мы получаем таблицу, благодаря которой возможен подсчет размеров объекта на аэрофотоснимке, выполненном квадрокоптером Phantom 3 Pro.
Разрешение является одной из наиболее важных переменных и главным условием, которое обеспечивает качественную детализацию. Выбор разрешения непосредственно влияет на резкость отображения, следовательно, повышается уровень детализации [Kasser, Egels, 2002].
Расчеты, представленные в Табл. 1, были проверены практическим исследованием. Так, были установлены контрольные точки – закреплены на местности красные пластиковые круги диаметром 24 см (такие круги видно с квадрокоптера на высоте до 150 метров), в виде фигуры условного креста, на расстоянии 10 м друг от друга. Выполнена пошаговая аэрофотосъемка через каждые 5–10 м до высоты 100 м (рис. 2). Затем визуальным подсчетом пикселей на изображениях рассчитана погрешность в размере от 4 до 5 % между теоретическими подсчетами и практическими измерениями. Такая погрешность не является критической для планирования и осуществления фотограмметрического проекта (цифровой модели).
После проведения математических подсчетов получаем все необходимые данные для полета (разрешение снимка, ширина изображения на земле, высота изображения на земле, поперечное и продольное перекрытие, расстояние между проходами, интервал между фотографиями, количество проходов, количество фотографий за один проход, количество фото за рейс, дальность полета, длительность полета), в зависимости от наших требований и оборудования, и переходим к полевой аэрофотосъемке.
В начале второго этапа (осуществление аэрофотосъемки) проводятся наземные геодезические работы для обеспечения возможности точной привязки объектов и участка. На снимках в программе обработки для построения ортофотоплана размещаются контрольные точки (GPS) на заданном расстоянии друг от друга и на одной высоте относительно нулевого репера. При правильном использовании наземные контрольные точки значительно улучшают глобальную точность фотограмметрического проекта. То есть они помогают обеспечить точное соответствие широты и долготы любой точки проекта с фактическими координатами GPS. В дальнейшем в программе построения задаются контрольные точки и расстояние между ними, после чего выстраивается цифровая модель в полномасштабной метрической системе измерений и с верным размещением относительно горизонта. Также программа позволяет измерять заданные расстояния, площади и объемы.
Аэрофотосъемка выполняется в двух режимах – плановом (ортогональная проекция) и перспективном (аксонометрическая проекция). При плановом режиме снимки делаются вертикально вниз с постоянной заданной высоты, обеспечивая равномерное покрытие территории. Маршрут проходит по графику условного прямоугольника – прямыми линиями постепенно очерчивая следующий прямоугольник по всей площади фотографируемого участка. Перспективный режим позволяет фиксировать общие виды снимаемых объектов, в том числе панорамные, осуществляя облет по определенной траектории с изменением высоты и удалением (рис. 3). Сочетая данные плановой и перспективной аэрофотосъемки, получаем фотограмметрическую платформу трехмерных данных, в которых отражены характеристики объектов и местности.
Добавлю, что аэрофотосъемка проходит с продольным перекрытием между фотографиями в пределах 60–70 % и поперечным перекрытием в пределах от 20 до 30 %. В зависимости от точности фотограмметрического проекта и площади фотографируемого участка или объекта, таких фотографий выполняется от 200 до 10 000.
Следует также отметить, что детализация модели связана с качеством фотографий, поэтому желательно выбрать максимальные параметры съемки на камере квадрокоптера, с большим значением количества пикселей. Съемка выполняется в формате RAW, дающем возможность комплексной художественной обработки и любой корректировки цвета в фоторедакторе [Кашканов, 2015].
В результате аэрофотосъемки формируется набор фотографий с данными снимка и телеметрии, которые включают в себя географические координаты центра фотографии, высоты, фокусное расстояние камеры, размер изображения, а также углы крена, тангажа и курса (рис. 4).
Следующим этапом становится полная обработка и сведение всех полученных результатов – это данные с самого квадрокоптера и дополнительные данные, полученные от наземных геодезических измерений. Информация обрабатывается в специализированном программном обеспечении. Существует три вида обработки данных:
- преобразование кадров для создания ортофотопокрытия, схемы равнинных территорий;
- полное ортотрансформирование кадров для создания ортофотоплана, с выполнением геодезических требований по масштабу;
- полное ортотрансформирование кадров для построения 3D-модели.
Эти виды обработки данных тесно связаны друг с другом и частично взаимно перекрываются. Поэтому желательно использовать один и тот же программный продукт для обработки одного фотограмметрического проекта.
Современные программы аэрофотограмметрии используют технологии машинного зрения для нахождения общих точек на многих фотографиях. В результате к каждому пикселю на фотографии находится цветовое соответствие на других фотографиях. Каждое соответствие становится ключевой точкой. Если ключевая точка найдена на трех фотографиях и более, программа строит эту точку в пространстве. Чем больше таких точек, тем лучше определяются координаты точки в пространстве.
Пространственные координаты каждой точки вычисляются методом триангуляции, когда от каждой точки съемки выбранного пункта автоматически проводится линия зрения, и их сечение дает необходимое значение пространственных координат.
Совокупность всех 3D-точек называется облаком точек. В процессе обработки фотографий создается расширенное облако точек, которое используется для генерирования поверхности, составленной из треугольников. Последний шаг – вычисление разрешения (размера пикселя) и соотнесение пикселей на фотографии с треугольниками поверхности. Для этого 3D-модель разворачивается в 2D-плоскость, и затем 3D-положение точки ставится в соответствие оригинальной фотографии для задания цвета [Kjellman, 2012].
Существует большое количество различных программных продуктов, как открытых, так и коммерческих, для обработки фотограмметрических данных: PhotoScan (Agisoft), Pix4Dmapper (Pix4D), Context Capture (Bentley Systems), Altizure App Tutorial (iOS) [12 Best Photogrammetry…].
Фотограмметрическая обработка и структура построения цифровых моделей здесь не рассматривается, поскольку это тема для отдельной публикации.
С помощью аэрофотограмметрии можно получать ортофотопланы и данные для создания масштабных 3D-моделей объекта или местности, с точной GPS-привязкой, которые имеют лучшую разрешающую способность и качество, чем спутниковые снимки. Аэрофотоснимки могут быть также выполнены в нужное время и при определенных погодных условиях. Это упрощает создание картографических данных местности, планов раскопок, проведения археологических разведок значительных территорий и, соответственно, позволяет выполнять наблюдения за состоянием археологических памятников с высоты.
С 2014 г. сотрудники Архитектурно-археологической экспедиции (ААЭ) Института археологии НАН Украины активно применяют аэрофотограмметрию в археологических исследованиях на территории Киева и Киевской области.
Так, с помощью квадрокоптера, аэрофотограмметрия используется при исследовании памятников в городской застройке (научно-спасательные археологические исследования). Особенно она необходима для получения общего фотографического плана исследуемой площади (это невозможно сделать с земли, поскольку часть общей картины раскопа объектов не попадает в объектив). Примерами являются археологические раскопки в г. Киеве на улице Набережно-Крещатицкая (рис. 5), где была получена общая картина раскопа в виде ортофотоплана с остатками деревянных сооружений ХIХ в., что дало возможность в дальнейшем изучать памятник не только по чертежам и планам.
Во время научно-спасательных археологических работ главной задачей археолога является получение максимальной информации с применением различных методов фиксации и консервации. Памятник исчезает физически и остается лишь в виде чертежей и текстовых отчетов. Метод фотограмметрии позволяет добавить фотографические планы и 3D-модели в качестве еще одного способа фиксации, что расширяет информативную базу археологических исследований.
Рассмотрим несколько примеров новейшего использования аэрофотограмметрической съемки квадрокоптером в полевых археологических экспедициях, что в дальнейшем дало нам возможность построить ортофотопокрытие и 3D-модель памятников.
Подобные работы велись при исследовании многослойного памятника – средневекового могильника ХI в. «Остров 1» в Киевской области, перекрывающего более ранние наслоения черняховского времени (рис. 6). На данном этапе это успешный пример активного использования аэрофотограмметрии. В рамках данного многолетнего проекта сложного археологического исследования ортофотопокрытие, построенное по аэрофотоснимкам этого памятника площадью более 10 000 м2, дает возможность дистанционного изучения выявленных объектов в камеральных условиях и анализа перспективы будущих исследований по фотопланам частично выявленных объектов.
Построение 3D-модели на основе аэрофотограмметрии было реализовано на городище «Сухолесы» в Киевской области (рис. 7), что позволило проводить мониторинг изменений, происходящих на самом памятнике и в его окружающей среде. К тому же с помощью программного обеспечения на ортофотоплане и 3D-модели можно проводить дополнительные метрологические измерения всех объектов.
Широкое применение аэрофотограмметрии в Украине имеется также в исследовании архитектурно-археологических памятников. С помощью этого метода проводятся метрологические исследования зданий и участков [Никоненко и др., 2017. С 120–129]. Создание 3D-моделей объектов позволяет наблюдать за состоянием их сохранения, проследить конструктивные изменения, а главное – сохранить для потомков детальный вид памятника.
Значимым опытом аэрофотограмметрического исследования является регулярное обследование состояния консервации фундаментов Десятинного храма, где проводилась периодическая аэрофотосъемка участка. Мониторинговая аэрофотосъемка Старокиевской горы проводилась с 2014 по 2018 г. над фундаментами Десятинной церкви и над Детинцем древнего Киева в целом (рис. 8). Таким образом была апробирована фотограмметрическая аэрофотосъемка для анализа состояния консервации, а полученные результаты имели важное значение для изучения уникального памятника украинской культуры [Гнера, 2017а. C. 244–247].
С опорой на накопленный опыт работы с квадрокоптером (2014–2019 гг.) был разработан определенный алгоритм последовательности использования аэрофотосъемки для фотограмметрических проектов. В конечном итоге были получены фотопланы и 3D-модели памятников, раскопок и отдельных археологических объектов (ям, сооружений, захоронений, курганов, фундаментов и т. д.), зафиксированы общие виды памятников археологического наследия и проведен аэромониторинг.
Применение аэрофотограмметрии в археологии позволяет использовать 3D-модели для дополнительной фиксации и цифрового хранения данных, яркой и понятной визуализации результатов исследований, дополнительных метрологических исследований, компьютерных реконструкций объектов и ландшафтов, онлайн-передачи процесса исследования и создания «эффекта присутствия» для ученых со всего мира.
Стоит добавить, что большинство археологических памятников имеют устаревшую учетную документацию, которая основывается на минимуме информации. Аэрофотограмметрические данные дают нам возможность детально зафиксировать нынешнее состояние (вид) и площадь как известной достопримечательности (объекта), так и только выявленной. Такие новейшие паспорта могут положить начало новой, более современной информационной системе для упрощения регистрации археологического памятника. И в дальнейшем такой зафиксированный объект археологического наследия будет сложнее разрушить [Гнера, 2016. C. 274–282].
Современное комплексное исследование археологических памятников подразумевает использование новейших технических средств (квадрокоптер, тахеометр, GNSS-станция, лидар) и технологий (ортофотопокрытие, ортофотоплан, 3D-модель), что выводит на новый уровень археологические исследования. Такие аэрофотограмметрические проекты становятся базовым материалом для научной и учетной документации в цифровом формате.
Литература
Беспилотники. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/bespilotniki/ назад
Гнера В.А., 2016. Музеєфікація пам’яток археології у міському середовищі // Opus Mixtum. № 4. Киев. C. 208–217. назад
Гнера В.А., 2017а. Аеромоніторинг пам’яток Старокиївської гори, «Град Володимира» 2014–2017 рр. // Opus Mixtum. № 5. Киев. C. 244–247. назад
Гнера В.А., 2017б. Археологічна аерофотозйомка за допомогою квадрокоптерів DJI Phantom (порівняльний аналіз) // Питання історії науки і техніки. № 4 / Ред. колл.: Гріффен Л.О. (гол.), Литвинко А.С. та ін. Киев. C. 52–60. назад
Картография по беспилотникам: фотограмметрия и лидары. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.sldonline.ru/article/Kartografiya-po-bespilotnikam назад
Кашканов А., 2015. Формат RAW. Фотоучебник. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.artem-kashkanov.ru/photo-textbook.php?id=4 назад
Коншин М.Д., 1967. Аэрофотограмметрия. М.: Недра. 348 с. назад
Лобанов А.Н., 1971. Аэрофототопография. М.: Недра. 560 с. назад
Менде Р., 1919. Аэрофотограмметрия, ее сущность, развитие и современное положение. Киев: Тип. Картограф. отд-ния. 12 с. назад
Никоненко Д.Д., Радченко С.Б., Волков А.В., 2017. Вітовтова вежа за даними сучасних фотограмметричних досліджень // Археологія. № 4 С. 120–129. назад
12 Best Photogrammetry Software For 3D Mapping Using Drones. [Electronic resource]. Access mode: https://www.dronezon.com/learn-about-drones-quadcopters/drone-3d-mapping-photogrammetry-software-for-survey-gis-models/ назад
Kasser M., Egels Y., 2002. Digital Photogrammetry. London: Taylor & Francis. 351 р. назад
Kjellman E., 2012. From 2D to 3D — A Photogrammetric Revolution in Archaeology? Master’s Thesis in Archaeology. Faculty of Humanities, Social Sciences and Education Department of Archaeology and Social Anthropology, University of Tromso. [Electronic resource]. Access mode: https://www.academia.edu/1771011/From_2D_to_3D_a_photogrammetric_revolution_in_archaeology назад