Исследование комплекса мавзолеев у с. Лапас Астраханской области с применением современных технологий

Г.Х. Зарипова*, Л.В. Овечкина*, Е.М. Пигарёв*, А.Г. Ситдиков**

*Институт археологии им. А.Х. Халикова АН РТ, Казань

**Казанский (Приволжский) федеральный университет, Казань

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ № 18-09-00615а.

DOI: 10.25681/IARAS.2023.978-5-94375-423-4.6

Введение. С каждым годом неуклонно растет интерес исследователей к таким современным технологиям, как воздушное лазерное сканирование (ВЛС), или лидар, а также фотограмметрия, которые зарекомендовали себя как методы упрощения и облегчения работы в поле при сохранении, а зачастую и улучшении качества и точности получаемых материалов.

Все больше ученых прибегают к применению ВЛС для различного рода исследований. ВЛС широко используется для идентификации и мониторинга оползневых зон, при морфометрических исследованиях рельефа, в сферах дорожного строительства, железнодорожного машиностроения, газовой промышленности, теплотехники, энергетики, геологии и др. [Реджепов, Колесникова, 2019].

В настоящее время лидарная съемка все чаще упоминается и в публикациях российских археологов. Это связано с тем, что с решением некоторых задач воздушное лазерное сканирование справляется лучше других методов. Например, съемка труднодоступных памятников, находящихся в залесенной местности, где GNSS-приемник постоянно теряет сигнал, а тахеометрическая съемка осложнена ограниченностью обзора из-за растущих деревьев, оказывается возможной и легко реализуемой с помощью лидара. В зависимости от типа используемого лидара могут фиксироваться более одного (до четырех) отражений от наземных объектов для каждой линии визирования.

Воздушное лазерное сканирование представляет собой активный метод дистанционного зондирования, основанный на импульсном измерении дальностей и углов до точек местности с помощью лазера [Новаковский и др., 2020]. Столкновение лазерного луча с неполным препятствием приводит к тому, что часть энергии импульса отражается, а другая распространяется дальше вдоль линии визирования. Так, даже один импульс может принести множественные отклики сразу от нескольких значимых компонентов сцены: первые отклики будут получены за счет отражений от листвы растительности, проводов и опор ЛЭП, кромок зданий, а последний отклик, как правило, соответствует поверхности земли или другой сплошной поверхности, являющейся абсолютным препятствием на пути распространения лазерного импульса [Медведев и др., 2006]. Таким образом, ВЛС при определенных условиях позволяет зафиксировать рельеф даже в лесной зоне [Новиков, 2020].

Кроме того, ВЛС обладает высокой производительностью работ, что позволяет за короткие сроки получать топографические планы обширных по площади объектов, чем не может похвастаться инструментальная съемка рельефа. Качество получаемых материалов отличается высокой точностью и детальностью.

Фотограмметрия археологических памятников уже не нова и используется достаточно давно. Применение данного метода обусловлено рядом характеристик: высокая точность получаемых изображений, достаточная простота использования и автоматизация процесса, невысокая стоимость оборудования по сравнению с 3D-сканированием, реалистичность получаемых моделей [Лбова, Жан-Мишель, 2017; Вафина и др., 2018]. Точность моделей позволяет проводить по ним любые измерения, расчеты, получать разрезы, изучать положение отдельных элементов под любым углом и с разных ракурсов, переводить их при необходимости в двухмерные чертежи [Гусев и др., 2014].

Объединение материалов, полученных этими двумя современными методами, в геоинформационной системе и анализ полученных результатов позволяет рассматривать объект изучения более детально, добавляет объективность исследованию.

Цель нашего исследования заключалась в комплексном анализе данных, полученных с помощью фотограмметрии и воздушного лазерного сканирования, доступных картографических материалов памятника для известного астраханского городища «Ак-Сарай».

Территория исследования. К северу от села Лапас Харабалинского района Астраханской области находится поселение золотоордынского времени, известное по официальным документам как городище «Ак-Сарай». К востоку от поселения расположены развалины мавзолеев различных размеров. Руины мавзолеев находятся на возвышенностях и представляют собой груды обломков обожженного кирпича, мелких фрагментов глазурованных изразцов и известкового раствора. Территория, занимаемая памятником, в природном отношении представляет собой всхолмленную слабозадернованную песчаную полупустыню.

Разрушение этих монументальных сооружений происходило в течение XVII–XIX вв., в ходе строительства Астраханского кремля и Белого города. В настоящее время развалины золотоордынских сооружений «укрыты» достаточно мощным слоем песка, что вкупе с отсутствием активной хозяйственной деятельности в этом регионе остановило процесс их дальнейшего разрушения [Бездудный и др., 2022б].

Местоположение некрополя отмечено на итальянской карте 1367 г. братьев Пицигани с латинской надписью: «Гробницы императоров, умерших в районе Сарайской реки» [Чекалин, 1889. Рис. 17]. Сведения об этом некрополе имеются также в «Книге путешествия» турецкого дипломата Эвлии Челеби, посетившего Нижнее Поволжье в 1665–1666 гг. [Эвлия Челеби, 1979. С. 134–135; Бездудный и др., 2022б].

Первые исследования у пос. Лапас были проведены в 1915 г. группой краеведов во главе с хранителем Астраханского губернского музея М. Новиковым. В то время обследование представляло собой осмотр и описание археологических объектов. В середине ХХ в. городище и развалины мавзолеев были обследованы В.А. Филипченко – директором Астраханского государственного краеведческого музея, который составил глазомерный план местности и подготовил необходимые документы для постановки на государственную охрану территории «поселка строителей» и самого крупного мавзолея под названием «Городище Ак-Сарай и развалины феодального замка Давлет-хана». Именно так памятник именуется в охранных документах до сих пор. Лишь в 1995–1997 гг. отряд Поволжской археологической экспедиции ИА РАН под руководством В.В. Дворниченко приступил к планомерным рекогносцировочным работам на памятнике. Были сняты топографические планы как отдельных мавзолеев, так и местности в целом. Была начата съемка территории «поселка строителей». Был обследован берег р. Ашулук, где располагалось городище. По результатам работ ПАЭ была значительно расширена охранная зона, мавзолеи и городище были объединены в одну охраняемую территорию [Бездудный и др., 2022б].

В 2000 г. на городище производились исследования экспедицией ГНПУ «Наследие» и Астраханского государственного университета под руководством Д.В. Васильева. Было установлено, что городище в древности располагалось в непосредственной близости к воде, будучи вытянуто вдоль реки узкой полосой (около 100 м), а не составляло единого комплекса с мавзолеями. В ходе раскопок на берегу был частично исследован дом из сырцового кирпича с остатками подворья [Васильев, 2018].

С 2018 г. на памятнике Бездудным В.Г. проводилась магниторазведка, которая дала некоторые представления о конструктивных особенностях мавзолеев №№ 1 и 4 [Бездудный и др., 2022б].

Оборудование и методы. С недавних пор изучение мавзолейного комплекса было возобновлено с применением современных неконтактных методов исследования. В декабре 2020 г. и в марте 2021 г. была проведена фотограмметрическая съемка городища в районе комплекса мавзолеев с помощью беспилотного летательного аппарата (БПЛА). Площадная съемка территории производилась с квадрокоптера DJI Phantom 4 с высоты 100 м. Полученные в ходе работ фотографии обрабатывались в программе Agisoft Metashape. В результате были получены ортофотоплан и карта высот территории ханского некрополя, охватившие 436,4 га площади городища (рис. 1, 2). По ним был построен подробный топографический план памятника.

Воздушное лазерное сканирование памятника проводилось в августе 2022 г. [1]. В ходе съемки была охвачена территория, полностью покрывающая площадку городища «Ак-Сарай», обозначенного на карте В.В. Дворниченко [Бездудный и др., 2022а].

Сканирование производилось с высоты 100 м при скорости полета аппарата в 10 м/с. На гексакоптер в качестве полезной нагрузки был подвешен лидар Л-СКАН150 фирмы «Геоматика». Скорость сбора данных лидара по техническому паспорту составляет 300 000 точек в секунду, а погрешность определения расстояний не превышает 3 см.

Для корректировки траектории полета во время постобработки использовалась базовая станция, расположенная в г. Астрахань.

Камеральная обработка заключалась в поэтапной обработке данных в ряде специализированных программ. Конвертация GNSS-данных производилась в программе Raw GNSS Data Converter 8.90. Съемочные данные были обработаны в таких программах, как Inertial Explorer 8.90, LiGeoreference, LiDAR360. Данные сохранялись в международной системе координат WGS-84. Всего над участком городища было произведено 16 полетов с высоты 100 м. Таким образом была отснята территория городища «Ак-Сарай» и примыкающего к нему ханского некрополя.

В программе LiDAR360 были отфильтрованы шумы, проклассифицированы сначала автоматически, а затем вручную облака точек по классам объектов. Общее количество точек, полученных на территорию съемки, составило 991 млн, а средняя плотность до обработки – 90 точек на кв. м. В результате классификаций земляные точки были сохранены в одном классе, по которому и происходило дальнейшее построение цифровой модели рельефа. После преобразований плотность точек составила 10 тыс./кв. м.

Данные работы [Кочнева, Красикова, 2017], в которой происходила оценка максимально возможного процента разрежения точек лазерного отражения без потери правдоподобности рельефа, демонстрируют, что при равнинном рельефе 90 % разрежения дает среднеквадратическую ошибку в 0,25 м, что входит в допустимые рамки погрешностей по ГОСТу для топографического плана масштаба 1: 1000 при высоте сечения 0,5 м. Поэтому полученная плотность точек для нашего памятника оказалась приемлемой.

Анализ данных. Результатом воздушного лазерного сканирования территории комплекса мавзолеев у с. Лапас стала цифровая модель рельефа.

В программе ArcMap были собраны в единый проект ортофотоплан и цифровая модель рельефа, полученная в ходе воздушного исследования памятника. К этим данным была привязана схема размещения мавзолеев по космоснимку, выполненная Д.В. Васильевым [Васильев, 2018].

Оцифровав местоположения объектов интереса – мавзолеев – по имеющимся у нас картографическим материалам в отдельные слои и сравнив полученные данные, мы заметили, что на всех этих данных отчетливо выделяются 14 известных мавзолеев (рис. 3). Ранее на данном комплексе Д.В. Васильевым были выделены 10 мавзолеев по космоснимку и 14 объектов на плане-схеме В.В. Дворниченко.

Однако на цифровой модели рельефа, полученной в результате проведения воздушного лазерного сканирования, визуализируются и дополнительные 9 участков, которые, возможно, связаны с комплексом. Их очертания схожи с уже известными мавзолеями, однако не стоит исключать того, что они могут оказаться и песчаными дюнами. Мы предполагаем, что некоторые из этих участков могут иметь отношение к ханскому некрополю, так как визуально они представляют собой небольшие возвышения в рельефе, размеры которых сопоставимы с размерами уже известных мавзолеев. Подтвердить или опровергнуть отнесение вновь выявленных участков к комплексу будет возможно с применением дополнительных доступных методов исследования (геофизических, шурфовочных), а пока вопрос их генезиса остается открытым.

Совместное применение всех полученных данных аэросъемки (фотографической, с помощью технологии лидар) дали более полное представление о рельефе городища, а их совмещение с результатами магнитометрии и картографическим материалом прежних лет позволило провести комплексный анализ на более высоком уровне и локализовать мавзолеи на карте. Для этого мы провели независимую идентификацию и верификацию мавзолеев по всем имеющимся у нас материалам.

Результаты и обсуждение. В XXI в. возобновился интерес к исследованию ханского некрополя у с. Лапас с привлечением современных неконтактных методов, позволяющих быстро и относительно легко получать детальные тематические карты на обширные территории. В рамках всестороннего изучения памятника проводились магниторазведочные работы, фотограмметрическая съемка с последующим получением ортофотоплана, карты высот и топографического плана. А в 2022 г. на памятнике проводилось воздушное лазерное сканирование.

Впервые применяя воздушное лазерное сканирование на памятнике археологии, мы пришли к некоторым выводам:

1. Проведение ВЛС характеризуется высокой производительностью. При хороших погодных условиях памятники, занимающие площадь в сотни гектаров, можно отснять за считаные дни.

2. Лидар частично просвечивает растительность. Если проводить съемку не только поперек, но и вкрест, то будет получено большее количество точек земной поверхности, а следовательно, будет тем лучше изучен рельеф местности. Однако получить подробную карту рельефа в период густой растительности, даже при наличии высокоточного лидара, может оказаться невозможным. Оптимальным временем для проведения съемки с БПЛА, в частности с применением технологии ВЛС, является весенний период до появления листвы. Идеальным для выполнения полевых работ является небольшой промежуток времени, когда уже нет снега, но еще не появилась растительность.

В связи с тем, что лето 2022 г. выдалось теплым и влажным, территория памятника была покрыта пышными кустами верблюжьей колючки. Сильно ветвящиеся стебли этого растения достигали 1 м. Несмотря на то, что комплекс мавзолеев находится в зоне полупустыни с практически отсутствующими деревьями, активный вегетационный период этих растений затруднял сканирование земли. Поэтому на облаке точек в местах концентрации верблюжьей колючки мы заметили существенное уменьшение плотности точек, достигших непосредственно земли.

3. По цифровой модели рельефа, которую мы получаем в результате обработки, можно оценить ландшафт местности. В археологии это очень полезно с точки зрения дешифрирования, так как сразу можем выявить интересующие нас участки (в данном случае мавзолеи), не отвлекаясь на ситуацию на карте – на современные антропогенные объекты.

4. К недостаткам применения технологии ВЛС следует отнести необходимость компьютера с высокой производительностью для обработки материалов съемки. Для хранения полученной объемной информации требуется техника с огромными ресурсами памяти. Например, после обработки эти 16 полетов заняли более 400 Гб свободного места памяти диска.

5. Не всегда возможно однозначно идентифицировать объекты по картам лидарной съемки. Важно проводить полевую проверку полученных данных. Только комплексный подход в изучении даст надежные результаты, которые могут считаться достоверными.

Таким образом, применение воздушных методов фиксации дало возможность освежить представления о пространственном размещении мавзолеев на территории ханского некрополя и наметило направления дальнейшего изучения памятника.

 

Литература

Бездудный В.Г., Вафина Г.Х., Мирсияпов И.Ю., Овечкина Л.В., Пигарев Е.М., Ситдиков А.Г., 2022а. Предварительные итоги исследований неконтактными методами Лапасского комплекса мавзолеев // Археология евразийских степей. № 3. С. 314–325. назад

Бездудный В.Г., Пигарёв Е.М., Ситдиков А.Г., 2022б. Магнитометрические исследования памятников Золотой Орды Нижнего Поволжья // Археология eвразийских степей. № 6. С. 144–154. назад

Васильев Д.В., 2018. Мавзолеи у посёлка Лапас: взгляд из космоса // Археология евразийских степей. № 4. С. 24–33. назад

Вафина Г.Х., Яранцева Н.С., Овечкина Л.В., 2018. О преимуществах современных методов фиксации погребений на примере мусульманского кладбища Кырк-Азизлер // Актуальная археология 4. Комплексные исследования в археологии / Отв. ред.: А.А. Бессуднов, Е.С. Ткач. СПб.: ИИМК РАН. С. 19–22. назад

Гусев А.В., Ражев Д.И., Слепченко С.М., Зайцева О.В., Пушкарев А.А., Водясов Е.В., Вавулин М.В., 2014. Археологический комплекс Зеленый Яр: новые технологии полевых исследований // Уральский исторический вестник. № 2. С. 89–96. назад

Кочнева А.А., Красикова Д.М., 2017. Методика оценки точности цифровых моделей рельефа, созданных по данным воздушного лазерного сканирования // Научные тенденции: вопросы точных и технических наук. СПб.: ЦНК МНИФ «Общественная наука». С. 51–53. назад

Лбова Л.В., Жан-Мишель Ж., 2017. Трехмерная визуализация в археологии как научно-образовательный ресурс в Новосибирском государственном университете: возможности и ограничения // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: История. Филология.. Т. 16, № 5. С. 9–21. назад

Медведев Е.М., Мельников С.Р., Середович В.А., 2006. Состояние и перспективы развития воздушного и наземного лазерного сканирования в России // Интерэкспо Гео-Сибирь. Т. 1, № 1. С. 19–28. назад

Новаковский Б.А., Кудрявцев А.В., Энтин А.Л., 2020. Использование материалов воздушного лазерного сканирования при картографировании рельефа // Геоинформатика. № 2. С. 27–34. назад

Новиков В.В., 2020. Опыт применения воздушного лазерного сканирования на базе БПЛА для исследования средневековых памятников IX–XII вв. на территории Европейской части России // Труды VI (XXII) Всероссийского археологического съезда в Самаре: в 3 т. Т. III/ Отв. ред.: А.П. Деревянко, Н.А. Макаров, О.Д. Мочалов. Самара: Самарский гос. соц.-пед. ун-т. С. 177–179. назад

Реджепов М.Б., Колесникова С.А., 2019. Анализ применения наземного и воздушного лазерного сканирования // Актуальные проблемы землеустройства, кадастра и природообустройства: материалы I междунар. науч.-практ. конф. факультета землеустройства и кадастров ВГАУ (30 апреля 2019 г.). Воронеж: Воронежский гос. аграрный ун-т. С. 292–300. назад

Чекалин Ф.Ф., 1889. Саратовское Поволжье в XIV в. по картам того времени и археологическим данным // Труды Саратовской ученой архивной комиссии. Т. 2, вып. I / Отв. ред. С.С. Краснодубровский. Саратов: Саратов. учен. арх. комис. С. 14–26. назад

Эвлия Челеби, 1979. Книга путешествия (Извлечения из сочинения турецкого путешественника XVII века): пер. и коммент. Вып. 2. Земли Северного Кавказа, Поволжья и Подонья / Сост. и отв. ред. А. Д. Желтяков. М.: Наука. 288 с. назад

 

Примечания

[1] Для проведения съемки применялись гексакоптер DJI Matrice 600 и лидар Л-СКАН150, принадлежащие Казанскому (Приволжскому) федеральному университету. назад