Опыт применения воздушного лазерного сканирования на базе БПЛА в лесной и лесостепной зонах Европейской части России. Предварительные результаты работ
В.В. Новиков
Институт антропологии и этнографии РАН, Москва
ООО «НИПИИ ЭТ «Энерготранспроект», Москва
Фонд «Таволга», Москва
DOI: 10.25681/IARAS.2021.978-5-94375-342-8.14
Введение. С 2018 г. на территории лесной, лесостепной и степной зон России осуществляется проект по воздушному лазерному сканированию (ВЛС) на базе беспилотного летательного аппарата (БПЛА) [1]. Воздушное лазерное сканирование – это современная технология активной съемки для получения высокоточной цифровой модели ландшафта и объектов на нем. В условиях лесных массивов и растительности европейской части России лазерное сканирование является одним из наиболее эффективных методов выявления объектов археологического наследия и определения их границ. Результатом съемки становится плотное 3D-облако точек лазерных отражений, которое может быть классифицировано по высоте объектов от 0 см и выше. В результате из общего числа точек выделяется слой «ground», который отражает только точки поверхности без иных высотных объектов (травы, кустарника и пр.). Определяется параметр количества точек земли из расчета на 1 кв. м поверхности. Точность определения координат в зависимости от оборудования определяется от 2,5 до 10–12 см. Полученные данные могут быть использованы для построения топографических карт и планов высокой точности, а также 3D-визуализации объектов. Облако точек в зависимости от задач соотносится с одной из известных систем координат.
В археологии лазерное сканирование начали использовать с конца 1990-х гг. [Doneus et al., 2008. P. 883]. В настоящее время его применяют гораздо более активно. В качестве примера можно привести крупнейшую лидарную съемку поселений культуры майя в северной части Гватемалы. Работы охватили площадь 214 381 га и позволили получить данные о более чем 61 480 структурах VII–IX вв. [Canuto et al., 2018. P. 1–2]. В 2016 г. был реализован проект по изучению королевских курганов эпохи викингов в Борре (Норвегия, Ослофьерд). Он преследовал цель выявить курганные насыпи и реконструировать предполагаемое место портовой зоны на побережье. Все полученные данные были объединены и проанализированы в ГИС. Территория была отсканирована с самолета с высоты 550 м весной 2009 г. В результате была получена цифровая модель территории с разрешением 10 точек на 1 кв. м. Данные ВЛС позволили установить местоположение девяти сохранившихся больших курганов (диаметр больше 30 м), двух средних курганов (диаметром 19 и 24 м) и 35 небольших курганов (диаметром менее 13 м). Среди этого числа курганов 12 насыпей было выявлено впервые. Кроме того, были выявлены различные каменные структуры, связанные с погребениями, и одно камерное погребение. Полученная модель рельефа позволила выделить прибрежную зону, наиболее подходящую для причаливания судов с небольшой килевой осадкой (около 1,4 м), реконструированной по известным находкам кораблей эпохи викингов [Draganits et al., 2015].
В России первый лазерный сканер появился в 1997 г., но эта технология в археологии еще не получила повсеместного распространения в силу дороговизны решения и необходимости привлекать авиационную технику для проведения работ. Однако в последнее время становятся более доступными технические решения, интегрированные на базе беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), которые позволяют работать с небольшими по площади участками и в небольшие сроки.
Результаты проекта. В 2018–2020 гг. были проведены работы на 20 площадных объектах в Смоленской, Тверской, Московской, Пензенской, Владимирской, Тульской областях и в Краснодарском крае на общей площади 3499,04 га (Табл. 1). В степной зоне Краснодарского края было обследовано семь памятников (курганные группы и поселения) на площади 987,3 га. В лесной зоне было исследовано 16 памятников на общей площади 2 511,74 га [Novikov et al., 2020] (рис. 1). Для отдельных памятников лесной зоны в Тульской, Смоленской и Пензенской областях для увеличения точности и расширения границ работы проводились несколько раз. С учетом этих работ общая площадь исследования составила 3499,04 га. Работы по сканированию проводились в весенний, летний и осенний периоды, на разных высотах и скорости, при разных погодных условиях для определения максимально эффективного набора параметров для исследования. Во всех случаях работы заверялись независимыми полевыми разведками.
Результаты съемки ВЛС для объектов в лесной зоне
№ Объект Область Период S, га Точки, всего, млн Точки поверхности земли, всего, млн Точки, поверхности земли, на 1 кв. м [*] 1 Гнёздово [**] Смоленская обл. октябрь / ноябрь 937,6 826,37 515,65 55 2 Демидовка Смоленская обл. ноябрь 74,2 33,65 19,8 26,7 3 Лубня Смоленская обл. ноябрь 38,5 19,58 6,8 17,8 4 Юшково Тверская обл. октябрь 1,4 3,18 0,116 7,9 5 Макеево Тверская обл. октябрь 2,6 1,8 0,310 11,7 6 Шниткино Тверская обл. октябрь 5,5 3,1 0,774 14,0 7 Верхмарево Тверская обл. май 71,8 70 38,75 54 8 Руна Тверская обл. май 20,78 28,9 4,16 20 9 Лихуша Тверская обл. май 40,9 44,3 8,91 22 10 Беревенец Тверская обл. май 22,97 37,4 10,12 44 11 Вышегжа Владимирская обл. сентябрь 558,05 524,6 76,03 25,3 12 Спас-Тешилово Московская обл. октябрь 62,7 23,24 8,5 58,7 13 Золотаревка Пензенская обл. сентябрь 212,6 191,19 3,6 40,7 14 Армиево Пензенская обл. сентябрь 301 264,35 475,69 24,7 15 Вышенское Пензенская обл. сентябрь 112 191,97 3,6 24,7 16 Стрекаловка Тульская обл. сентябрь / ноябрь 48,9 40,51 21,99 45,6 Итого 2 511,74 899,94 652,55 назад
[*] среднее значение точек на 1 кв. м поверхности земли (ground). Значения леса и открытых участков могут отличаться. назад
[**] учтена площадь второй съемки в 2020 г. назад
Работы осуществлялись с применением импульсного лазера АГМ-МС3, смонтированного на базе беспилотного летательного аппарата DJI Matrice 600 Pro. Полеты проходили на высоте 50–70 м коридорами шириной 50–90 м. Перекрытие коридоров составляло не менее 50%. Оптимальная скорость БПЛА составляла от 7 до 9 м/с, но в отдельных случаях снижалась до 5 м/с. Последующая классификация данных, построение цифровой модели рельефа и светотеневых карт осуществлялись в программном обеспечении MicroStation, ArcMAP, CivilMap. Данные получали пространственную привязку в системах координат МСК-67 и WGS-84 UTM 36 (рис. 2).
В ходе работы БПЛА на 1 кв. м поверхности при скорости 7–8 м/с и высоте 60–80 м в благоприятных погодных условиях можно получать в среднем от 100 до 170 точек, где более трети или половина точек может приходиться на поверхность земли (ground). Во всех случаях ключевыми факторами, осложняющими получение результата, являются высокая растительность (деревья, подлесок), упавшие стволы деревьев, широколиственная низкая растительность, плотность которой влияет на результат съемки. Для решения этой проблемы необходимо проводить двойную съемку с плотной сеткой перпендикулярных пролетов, осуществлять съемку на пониженных скоростях и/или осуществлять работу ранней весной или в первые заморозки.
Наиболее сложным для съемки оказался плотный лес в Тульской обл. (дуб с подлеском), где при высоких показателях плотности облака точек (122 точки) на 1 кв. м 98,9% съемки попали на высокую и среднюю растительность и дали самый низкий показатель точек (1,4 точки) на кв. м земной поверхности (ground). Чуть лучший результат, в 3,2 точки на 1 кв. м, был получен в Пензенской обл. по городищу Вышенское. Ландшафт был покрыт плотным лесом и насыщен западинами и оврагами. Повторные съемки в осенний период позволили получить новый результат 45,6 точки на 1 кв. м для Тульской области и 24,7 точки на 1 кв. м для Пензенской области. Высокая пропускная способность характерна для смешанных и хвойных лесов, которые позволяют получить высокий результат съемки: 30–50 точек на 1 кв. м поверхности земли (ground).
В результате обработки данных для исследования становятся доступны разнообразные материалы для аналитической оценки исторического ландшафта. Они представлены прямыми и обратными светотеневыми картами в разных градиентах, а также топографическими планами с шагом изолиний 5 или 10 см (рис. 3).
На основании проведенных работ можно говорить о том, что оптимальными для объектов в лесной зоне являются показатели точек в количестве 15/20 – 30/50 на 1 кв. м поверхности земли (ground).
ВЛС позволяет успешно выявлять разные типы объектов в лесной зоне: курганные насыпи, могильники (жальники), элементы фортификации, городища, селища, остатки фундаментов, дороги и пр. Определяющим фактором является возможность комплексно подойти к пониманию объекта на значительной территории, скрытой от глаз лесом и другой высокой растительностью. ВЛС позволяет оценить потери культурного слоя от современной застройки, определить места старых раскопов и изученных без восстановления курганов, проводить мониторинг динамики изменения ландшафта под влиянием антропогенных, техногенных и природных факторов.
В ходе проекта первое сканирование было проведено для Гнёздовского археологического комплекса в Смоленской обл. Границы комплекса охватывают около 438,98 га. Сканирование проводилось в два этапа в 2018 и 2020 гг. На первом этапе было отсканировано 6 участков с курганами и поселением на площади 239 га. Значения этой съемки колебались от 11 точек на 1 кв. м земной поверхности для участков с лесом до 20 – на открытых участках. Вторая съемка в 2020 г. охватила площадь 937,6 га и была скорректирована с учетом первого опыта. В результате показатели плотности точек на 1 кв. м составил от 18-20 до 86 точек в зависимости от массы растительности на участке [2].
Результатом работы стало составление первой комплексной цифровой и высотной модели рельефа, что позволило уточнить местоположение, площадь и степень сохранности для большинства объектов на территории памятника (рис. 4, 5). В сочетании с ортофотопланом всей территории археологического комплекса, полученным в 2016 г., а также серией топографических карт разного времени удалось привязать большинство археологических объектов и современную жилую и транспортную инфраструктуру и составить новую топографическую карту территории [Новиков, Плетняков, 2017].
Результаты съемки были заверены в ходе полевой разведки на сложном участке южной части Лесной курганной группы [3]. Общая площадь участка – 12,04 га. В летний и осенний период он плотно закрыт высокой травой, подлеском, кустарником и высокими деревьями. Для этого участка в процессе ВЛС было получено около 16,6 млн точек. После классификации было выделено 846 761 точек поверхности (7 точек/кв.м). Для полевой проверки использовались новая цифровая модель рельефа с шагом 10 см, светотеневая карта участка в сером градиенте, аэрофотосъемка Люфтваффе 1944 г., план курганной группы, составленный М.Н. Кисловым в 1950 г., план А.Н. Лявданского и отчетная документация о проведенных раскопках. Эта проверка позволила определить набор картографических данных, построенных на основе лидарной съемки, оптимальных для проведения подобных работ. В ходе работы было учтено 195 курганных насыпей и мест их раскопок. Было выявлено 17 новых курганных насыпей высотой около 20 см и диаметром от 2 до 5 м, местоположение 53 ранее раскопанных насыпей и т.д. В северной части Центральной курганной группы было зафиксировано 137 насыпей, из которых 15 курганов было выявлено впервые. Кроме того, появилась возможность определить краевые распаханные курганы, отделить поврежденные насыпи от курганов с обрядом трупоположения, обнаружить следы грабительских раскопок и пр. Можно аккуратно предполагать, что лазерное сканирование в Гнёздово позволяет уточнить не менее 10% новых насыпей от ранее известных [Новиков, 2021].
В Московской обл. в ходе съемки в районе Спас-Тешилово было зафиксировано средневековое городище XI–XIII вв. и на его площадке следы траншей А.В. Арциховского, заложенных в 1925 г. В ближайшей округе городища было выявлено несколько селищ, фундаменты церкви, остатки дороги XVIII–XIX вв., курганы и пр. (рис. 6).
В Тверской обл., где в ходе работ была исследована курганная группа Макеево 3, ВЛС выявило две новые курганные насыпи и позволило уточнить ранее сделанный план группы 1970–1980-х гг. [АКР, 2007. С. 175–176]. Новый план позволил оценить степень погрешности полуинструментального плана, которая составляла от 5 до 30 м [Новиков, Стефутин, 2020] (рис. 7).
В случае с городищем «Золотаревка» VIII–III вв. в Пензенской обл. удалось зафиксировать сотни «волчьих» ям, расположенных с напольной стороны городища, вырытых против наступающего монгольского войска в 1237 г. (рис. 8).
В качестве дополнения стоит отметить эффективный опыт проведения комплекса разведочных мероприятий с использованием ВЛС, направленных на выявление распаханных курганов, и проверки результатов съемки в ходе полевых неинвазивных исследований. Одним из таких опытов стали работы в зоне курганной группы «Красносельская 9» в Краснодарском крае в зоне строительства трассы М-4 «Дон». Группа состояла из двух хорошо читаемых курганов №№ 3 и 4, высотой до 4,6 и 6,93 м и диаметром 114 м и 78 м соответственно, а также невысокого кургана № 3 высотой 0,24 м и диаметром 70 м. Проведенная топографическая съемка в условиях равнинной местности не выявила распаханную и не выраженную в рельефе курганную насыпь. ВЛС локализовало курган № 6 высотой 0,3 м и диаметром 44 м. Дальнейшими геофизическими исследованиями (магниторазведка, электроразведка) были определены магнитные и электрические аномалии, которые впоследствии оказались погребениями, исследованными до начала строительства скоростной трассы (рис. 9).
Заключение. ВЛС на базе БПЛА показало высокую эффективность для разведочных мероприятий на больших площадях и в условиях сложного и труднодоступного для фиксации рельефа. Это удобный инструмент для сплошных и точечных разведок объектов археологического наследия, который в короткий промежуток времени (один вылет – около 60–100 га, один день – 8–10 вылетов) позволяет получать необходимые данные для определения границ и постановки на учет объектов археологического наследия, составления топографических и иных планов отдельных памятников или целых групп. Если учесть, что крупнейшие средневековые памятники Древней Руси редко превышают площадь 70–90 га, то привлекать для их съемки самолет неоправданно дорого. Кроме того, для выполнения археологических задач часто требуется повторная съемка (для уточнения деталей или набора дополнительных данных). В этой ситуации использование БПЛА становится наиболее мобильным и эффективным решением. Малая высота полета, низкая скорость, возможность оперативных повторных пролетов, мобильность самого оборудования позволяют достигнуть очень высоких показателей по числу точек на 1 кв. м поверхности и получить необходимый результат для археологических памятников в условиях любой сложности. Тем не менее обязательным условием для полноценного использования является проверка данных ВЛС в ходе разведочных мероприятий с привлечением современных неинвазивных технологий.
Литература
АКР, 2007. Археологическая карта России. Тверская область. Часть 2. Андреапольский, Бельский, Жарковский, Западнодвинский, Нелидовский, Оленинский, Ржевский, Торопецкий районы / Авт.-сост. В.С. Нефёдов. М.: ИА РАН. 440 с. назад
Новиков В.В., 2021. Воздушное лазерное сканирование территории Гнёздовского археологического комплекса. Опыт применения и первые результаты // Гнёздовский археологический комплекс: Материалы и исследования. Вып. 2. М.: ГИМ. С. 269–283. (Тр. ГИМ; Вып. 215.) назад
Новиков В.В., Плетняков П.А., 2017. О создании единой цифровой модели ландшафта археологического комплекса «Гнёздово» // Геопрофи. № 1. С. 26–29. назад
Новиков В.В., Стефутин С.А., 2020. Опыт применения воздушного лазерного сканирования на базе БПЛА на объектах Средневековья в Тверской области // Тверь, тверская земля и сопредельные территории в эпоху средневековья. Материалы научного семинара. Вып. 13 / Отв. ред. А. Н. Хохлов. Тверь: ТНИИР-Центр. С. 18–21. назад
Canuto M.A., Estrada-Belli F., Garrison T.G., Houston S.D., Acuña M.J., Kováč M., Marken D., Nondédéo P., Auld-Thomas L., Castanet C., Chatelain D., Chiriboga C.R., Drápela T., Lieskovský T., Tokovinine A., Velasquez A., Fernández-Díaz J.C., Shrestha R., 2018. Ancient lowland Maya complexity as revealed by airborne laser scanning of northern Gutemala // Science 361, 1355. назад
Doneus M., Briese C., Fera M., Janner M., 2008. Archaeological prospection of forested areas using full-waveform airborne laser scanning // Journal of Archaeological Science. No 35. P. 882–893. назад
Draganits E., Doneus М., Gansum T., Gustavsen L., Nau E., Tonning C., Trinks I, Neubauer W., 2015. The late Nordic Iron Age and Viking Age royal burial site of Borre in Norway: ALS- and GPR-based landscape reconstruction and harbour location at an uplifting coastal area // Quaternary International. 367. P. 96–110. назад
Novikov V., Kainov S., Vladimirov A., Dorodnix S., Vlasov D., 2020. A study of burial mounds in Russia using LiDAR based on drone-mounted Laser Scanner for data acquisition and verification // 26th EAA Virtual Annual Meeting. Abstract Book. P. 205. назад
Примечания
[1] Автор выражает благодарность руководству компании ООО «НИПИИ ЭТ «Энерготранспроект», и в частности отделу картографии и геодезии – А.В. Рудакову, Р.В. Гордийчуку, А.А. Шульгину, А.А. Капитохиной, А.В. Трусову – за реализацию проекта в поле и помощь в камеральной обработке данных. назад
[2] Новая съемка территории археологического комплекса проведена на площади 937,639 га в ноябре 2020 г. в ходе проекта «Исторический и археологический ландшафт как объект культурного наследия и среда современного обитания: изучение, сохранение, популяризация» по гранту, выданному фонду развития науки и культуры «Таволга» при поддержке Фонда президентских грантов РФ. назад
[3] Работы проводились под руководством С.Ю. Каинова. назад