Статистический анализ многозональной съемки и признаки для реконструкции культурного слоя поселений, разрушенных распашкой

И.В. Журбин, А.Г. Злобина, А.С. Шаура, А.И. Баженова

Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН, Ижевск

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда «Культурный слой средневековых поселений: оценка сохранности и тенденции распределения переотложенного слоя» (проект № 22–28–00189).

DOI: 10.25681/IARAS.2023.978-5-94375-423-4.5

Введение. Методы дистанционного зондирования давно и успешно используются для изучения объектов археологического наследия. Преимуществом дистанционного зондирования является возможность обследования значительных территорий с получением при этом необходимой информации на основе обработки полученных изображений с применением разработанного математического аппарата [Шовенгердт, 2010; Яне, 2007]. Анализ данных аэрофотосъемки и космических снимков позволяет не только выявить памятники археологии, но и оценить их границы и внутреннюю структуру. Выделяют три основных типа признаков археологических объектов, различимых на данных дистанционного зондирования: рельефные, растительные и почвенные [Коробов, 2016]. Наиболее ярко проявляются рельефные признаки крупных антропогенных изменений ландшафта (курганы, системы каналов, земледельческие террасы и т. п.), а также остатков погребенных фундаментов и стен каменных сооружений, вызывающих локальные изменения рельефа поверхности. Рельефные признаки с высокой долей определенности фиксируются при съемке в видимом диапазоне и при лазерном сканировании. Однако для поселений, разрушенных распашкой, рельефные признаки малоинформативны. Для таких объектов съемка в видимом диапазоне позволяет выделять лишь ландшафтные рубежи, которые ограничивают возможную территорию памятника. В условиях «сглаженного» рельефа поверхности более информативны растительные и почвенные признаки культурного слоя. Растительные и связанные с ними почвенные признаки определяются накоплением (или утратой) гумусированного слоя на отдельных участках памятников, а также насыщенностью слоя органическими остатками антропогенной деятельности. Дополнительными факторами, определяющими интенсивность проявления этих признаков, являются период вегетации, увлажненность почв, экспозиция склона и другие особенности ландшафта. Таким образом, вариации мощности культурного слоя определяют изменения плотности и высоты растительного покрова на различных участках памятника. Очевидно, что такие особенности неоднозначно фиксируются при съемке в видимом диапазоне. Поэтому изучение культурного слоя поселений, разрушенных распашкой, базируется на многозональной съемке. Ее особенность состоит в том, что для каждого участка местности формируется группа изображений в разных диапазонах электромагнитного спектра. В каждом из спектральных каналов более контрастно выделяются определенные ландшафтные объекты при «приглушенном» проявлении ландшафтных объектов других типов: зеленая растительность, открытые участки почвы (обрывы, грунтовые дороги), водная поверхность и увлажненные участки и пр.

В большинстве случаев выявление археологических объектов по данным многозональной съемки основано на визуальном анализе исходных изображений. Для повышения наглядности исходных снимков используется фильтрация изображений. Фильтрация многозональных снимков обеспечивает сглаживание и подавление шумов, что является одним из способов контрастирования изображений [Brooke, Clutterbuck, 2020; Lasaponara et al., 2012; Traviglia, Torsello, 2017]. Опыт использования методов фильтрации материалов аэрофотосъемки демонстрирует достаточность такого подхода при поиске археологических объектов, содержащих линейные элементы и остатки сооружений, частично выраженные в микрорельефе поверхности.

Очевидно, что для изучения большинства поселений средней полосы России, Предуралья и Зауралья такой подход малоэффективен. Для поселений, разрушенных распашкой, наиболее простым способом улучшения визуального восприятия является вычисление вегетационных индексов, учитывающих взаимное изменение изображений в различных парах спектральных каналов многозональной съемки [James et al., 2020]. Обычно такое преобразование выполняется после фильтрации данных. Доказано, что использование карт нескольких разных вегетационных индексов существенно повышает контраст проявления археологических объектов [Agapiou et al., 2016; Moriarty et al., 2018].

Применение перечисленных спектральных преобразований в качестве единственного инструмента обработки многозональных снимков эффективно только при отсутствии искажений изображений, связанных с условиями съемки (разная освещенность смежных снимков, облачность и пр.). Даже применение предварительной фильтрации не гарантирует однородность исходных данных. Поэтому для контрастного проявления признаков археологических объектов на многозональных снимках необходимо преобразование, которое нечувствительно к спектральным шумам, вызванным внешними условиями. Примером таких преобразований является вычисление текстурных признаков на основе матрицы смежности [Haralick et al., 1973]. Текстурные признаки детально описывают закономерности взаимного расположения пикселей различной яркости в пределах заданного окна анализа (однородность, корреляция и пр.).

Методы и подходы. Для выявления малоконтрастных, визуально неразличимых особенностей распространения растительного покрова был использован алгоритм статистического анализа [Zlobina et al., 2021], который позволяет провести сегментацию изображения территории обследования. Под сегментацией понимается разбиение изображения на непересекающиеся области, каждая из которых характеризуется близкими значениями рассматриваемых параметров и, вероятно, однородными свойствами. В нашем случае под параметрами понимается интенсивность и плотность растительности, а под свойствами – мощность и насыщенность культурного слоя. Основой алгоритма является классическая схема анализа данных: извлечение признаков – сокращение признакового пространства – классификация. На первом этапе вычисляются признаки Харалика, которые содержат информацию о различных текстурных характеристиках изображения (однородность, линейная зависимость тона, контраст, количество и природа границ и пр.). На втором этапе для снижения размерности и повышения информативности признаков применяется метод главных компонент, а на третьем – сегментация изображений алгоритмом k-средних. Классификация выполнялась в пространстве главных компонент, объясняющих основную долю дисперсии (более 90 %). Отличительной особенностью алгоритма является использование на первом этапе текстурных признаков Харалика, которые вычисляются по исходным многозональным снимкам (каналы Green, NIR и Red). Принципиально важно, что полученные сегменты имеют координатную привязку на местности. Определение археологического контекста выделенных ландшафтных объектов, принадлежащих разным классам, основано на привлечении дополнительных сведений.

Данная схема обработки применялась для изучения поселений чепецкой культуры IX–XIII вв. н.э., памятники которой расположены в верхнем и среднем течении р. Чепцы (западное Предуралье) [Иванов и др., 2004. С. 46–64]. Было изучено шесть средневековых поселений: Кушманский комплекс (Кушманское городище Учкакар, Кушманские II и III селища) [Журбин и др., 2022]; Солдырское I городище Иднакар и Заболотновское городище Садейкар [Журбин, 2022]; Гординское I городище Гурьякар (рис. 1). Перечисленные памятники расположены в Ярском, Глазовском и Блезинском районах Удмуртской Республики (соответственно – северо-западная периферия, центральная и юго-восточная части региона чепецкой культуры). Все изученные поселения представляют собой открытые пространства и схожи по ландшафтным признакам. Они расположены на высоких мысах между рекой и ручьем (Учкакар, Кушманские II и III селища), поймой р. Чепцы и ее притоком (Гурьякар, Иднакар) или между оврагами (Садейкар). На всех городищах выявлена однотипная система обороны – линии укреплений, возведенные в Средневековье, защищали площадку только с пологой напольной стороны. Еще один общий момент состоит в том, что в Новое время и, особенно, в XX в. территория этих поселений интенсивно распахивалась. В настоящее время участки памятников используются под покосы или выведены из сельскохозяйственного оборота. В связи с этим наблюдается переход от многолетней залежи к луговым растительным сообществам. Именно единство принципов организации этих средневековых поселений и их схожее современное состояние позволили сформулировать общие признаки для оценки их границ и мощности сохранившегося культурного слоя. Исходными данными являлись материалы многозональной аэрофотосъемки (диапазоны электромагнитного спектра Green, Red и NIR) и снимки в видимом диапазоне с беспилотного летательного аппарата самолетного типа Supercam S350-F (ООО «Финко», Ижевск). Съемка выполнена в период ранней вегетации.

Гординское I городище Гурьякар. Гурьякар рассматривается как крупный средневековый центр региона [Иванова, 1998. С. 218–224]. Из-за непосредственной близости деревни Гордино (Балезинский район Удмуртской Республики) Гурьякар больше других чепецких городищ подвергался разрушению. Еще в дозорных книгах 1615 г. отмечено «займище на Гординском городище» [Луппов, 1958. С. 189]. В конце XIX в. площадка распахивалась, а на территории внешнего вала был огород одного из крестьян [Первухин, 1896. С. 53]. Распашка городища отмечена и М.Г. Ивановой – автором первых (и единственных) полноценных раскопок, проведенных в 1979 г. [Иванова, 1982]. На Гурьякаре раскопки значительной площади проведены только на внутренней части поселения. Поэтому для реконструкции границ и оценки мощности сохранившегося культурного слоя эталонные данные раскопок были дополнены результатами геофизических исследований (электропрофилирование, магниторазведка, электротомография) и почвенных бурений (с оценкой гранулометрического состава и химико-биологических свойств материала кернов) [Zhurbin, Borisov, 2020]. Междисциплинарные данные, полученные независимыми методами, характеризуют состояние культурного слоя на разных участках памятника (рис. 2). Комплексное изучение Гурьякара позволило доказать наличие четырех линий укреплений, три из которых полностью сглажены распашкой, оценить контуры и размеры оборонительных сооружений, а также реконструировать рядовую застройку городища.

Изучение этого памятника на основе материалов многозональной аэрофотосъемки включало несколько этапов. Визуальный анализ исходных многозональных снимков продемонстрировал их низкую информативность. Так, на изображениях в канале Green контрастно выделяется только древесная и кустарниковая растительность на склонах мыса (рис. 3, б). На пологой поверхности мыса очевидные изменения растительного покрова не фиксируются. В канале NIR, в отличие от канала Green, участки разнопланового растительного покрова отображаются более детально. На площадке поселения и прилегающей пологой поверхности выражены компактные группы локальных неоднородностей растительности (рис. 3, г). Их расположение неоднозначно характеризует особенности распространения средневекового культурного слоя. В канале Red очевидным образом выделяются полевые дороги, оползни на склонах и другие участки разрушений (рис. 3, в). Остальная часть пологой поверхности достаточно однородна, выражены малоконтрастные неоднородности растительного покрова. Отмеченная ситуация согласуется с известными закономерностями: наибольшая отражательная способность зеленой растительности приходится на каналы NIR и Green, а в канале Red она минимальна. Общим моментом изображений во всех каналах является очевидное проявление отличий растительности на остатках внешних оборонительных сооружений, слабо выраженных в рельефе. Отсутствие очевидных границ участков с различной мощностью культурного слоя вызвано объективными причинами: многолетняя распашка, сопутствующая плоскостная эрозия и вторичная сукцессия растительности. Эти ограничения определяют необходимость дополнительных математических преобразований исходных материалов многозональной съемки.

На основе алгоритма статистического анализа [Zlobina et al., 2021] сформированы сегментированные изображения, отражающие распределение участков различного растительного покрова на территории обследования (рис. 4, а). С учетом эталонных данных предложена интерпретация сегментов изображения, принадлежащих разным классам, – оценка степени сохранности культурного слоя поселения (рис. 4, б). Достоверность сравнительного анализа материалов многозональной съемки (рис. 4, а) и эталонных данных обеспечивалась координатной привязкой участков предварительных исследований на топографическом плане (рис. 2), построенном по материалам аэрофотосъемки в видимом диапазоне (рис. 3, а). Интерпретация сегментированного изображения строилась на следующих предположениях. Интенсивность растительности, которая фиксируется на многозональных снимках, является следствием изменения мощности гумусированного слоя и насыщенности его органическими остатками антропогенной деятельности (содержание фосфатов и органического углерода, ферментов и т. п.). Текстурные признаки фиксируют плотность растительности и структуру ее распределения на участке исследований. Предварительный вывод о наличии культурного слоя различной мощности может быть основан на анализе конфигурации участков сегментированного изображения и приуроченности этих участков к различным особенностям ландшафта. Определение археологического контекста и оценка степени сохранности культурного слоя (поверхностно-трансформированный, замещенный или переотложенный) могут быть основаны только на привлечении дополнительных сведений – материалов раскопок, геофизических и почвенных исследований. Именно принцип последовательного уточнения интерпретации за счет привлечения дополнительных независимых данных являлся основой междисциплинарных исследований средневековых поселений, разрушенных распашкой. Обязательным условием таких исследований является комплексный анализ распределения растительности не только на площадке поселения, но и на прилегающих участках пологой поверхности мыса, а также на склонах, ограничивающих области застройки памятников. Необходимо отметить, что имеющиеся эталонные данные позволяют интерпретировать отдельные сегменты только на пологой поверхности мыса. Поэтому оценка параметров культурного слоя на остальной территории обследования основана на экстраполяции свойств сегментов растительности, для которых известны характеристики культурных напластований.

Признаки для реконструкции культурного слоя поселений, разрушенных распашкой. Сравнительный анализ результатов изучения шести разноплановых археологических памятников чепецкой культуры, IX–XIII вв. (крупные центры регионов – городища Учкакар, Иднакар и Гурьякар; укрепленные поселения – городище Садейкар и Кушманское III селище; зона хозяйственного освоения без элементов застройки – Кушманское II селище) (рис. 1) позволил сформулировать набор признаков для характеристики культурного слоя поселений, разрушенных распашкой. Эти признаки контрастно выявляются при сегментации многозональных снимков. Основная группа признаков относится к структуре растительного покрова на пологой поверхности и характеризует мощность сохранившегося культурного слоя и границы его распространения.

Во-первых, наиболее интенсивная и плотная растительность соответствует поверхностно-трансформированному слою. Сопоставление с материалами археологических и естественнонаучных исследований выявило, что такой слой сохраняется на участках преимущественно жилой средневековой застройки (рис. 5, а). На участках хозяйственной и производственной деятельности в большинстве случаев представлен замещенный слой или поверхностно-трансформированный слой с незначительным содержанием остатков антропогенной деятельности. Здесь выявлена растительность меньшей плотности и интенсивности произрастания (рис. 5, б). Общей особенностью сегментов различных классов, расположенных на площадке поселения, является их значительная площадь (рис. 4, б). Следовательно, территории средневековой разнохарактерной застройки соответствует достаточно однородная структура плотного растительного покрова. Отмеченные тенденции распределения растительности на различных структурных частях поселений в большей степени выражены на городищах Иднакар, Учкакар и Гурьякар.

Во-вторых, за пределами укрепленной части поселения ситуация меняется принципиально. Вблизи внешних оборонительных сооружений растительность становится крайне неоднородной, фиксируются сегменты относительно малой площади всех выделенных классов (рис. 4, б). Это может быть связно с хозяйственной периферией поселения, расположенной вне зоны застройки. Наличие хозяйственной периферии городища Учкакар доказано раскопками, а на Кушманском III селище – химико-биологическими исследованиями почвенных материалов. На других чепецких поселениях наличие такой зоны пока не доказано. Следовательно, хаотичное распределение растительности, выраженное множеством локальных разноплановых сегментов, может являться результатом комплексного воздействия: перераспределение разрушенного культурного слоя в процессе распашки (Иднакар, Гурьякар и Садейкар) и средневековое освоение территории за пределами оборонительных сооружений (Учкакар и Кушманское III селище).

В-третьих, на остальной пологой поверхности мыса наблюдается достаточно однородная структура растительного покрова (рис. 4, б). Выявлены сегменты значительной площади, параметры которых совпадают с параметрами участков слабогумусированного культурного слоя малой мощности на территории поселений. Исходя из их расположения, можно предположить, что они маркируют участки, в незначительной степени подвергавшиеся антропогенному воздействию (естественная растительность). Данная тенденция выявлена на всех исследованных памятниках.

Обобщение трех перечисленных признаков позволяет предположить, что контрастное измерение размеров и свойств сегментов на пологой поверхности мыса может рассматриваться как признак границы распространения средневекового культурного слоя. Внешнюю границу области с неоднородной структурой растительного покрова можно рассматривать как границу археологического памятника.

Кроме того, могут быть предложены дополнительные признаки, проявляющиеся в распределении растительности на склонах мысов.

Значимым признаком наличия средневековых культурных напластований являются области переотложенного слоя на склонах мыса (рис. 5, в). Они фиксируются только вдоль площадок поселений и отсутствуют за пределами зоны застройки. Возникновение таких областей, вероятно, связано с плоскостной эрозией. Вследствие многолетней распашки разрушенная верхняя часть культурного слоя постепенно перемещается на склоны – подчиненные элементы рельефа. Ранее было показано, что разрушенный распашкой культурный слой в целом сохраняет геохимические и биологические свойства исходных почв [Zhurbin et al., 2022]. Поэтому плотность и интенсивность растительности на склонах, перекрытых переотложенным культурным слоем, сопоставима с растительностью на участке средневековой застройки. Следовательно, такие области на склонах могут рассматриваться как маркер зоны застройки поселения – территории, где формировался наиболее насыщенный и мощный культурный слой. Отмеченная особенность ярко выражена на Иднакаре, Гурьякаре и Учкакаре, в меньшей степени – на Садейкаре и Кушманском III селище.

Кроме того, дополнительным признаком расположения оборонительных сооружений – границ структурных частей городища – являются ориентированные вертикально линейные области переотложенного слоя на склонах мыса (рис. 5, г). Их возникновение, вероятно, связано с высокой интенсивностью водных потоков, стекающих по рвам (водная эрозия). Это обеспечивает транзит разрушенного распашкой культурного слоя на участки склона, расположенные ниже устья рва (аналогично конусу выноса, который формируется около устья оврага). На Гурьякаре такие области более выражены на южном склоне мыса ниже двух внешних линий укреплений, а на Садейкаре – на восточном и западном склонах.

Заключение. Анализ сегментированных изображений материалов многозональной съемки, соотнесение полученных изображений с эталонными данными археологических и естественнонаучных исследований позволяют утверждать, что зона застройки Гординского I городища Гурьякар ограничена внешней линией укреплений. Значительный поверхностно-трансформированный слой выявлен на мысовой части, ограниченной второй линией укреплений. Между второй и четвертой (внешней) линиями насыщенность культурного слоя органическими остатками антропогенной деятельности существенно меньше. Предположительно, на внутренних структурных частях Гурьякара располагалась зона жилой и хозяйственной застройки с мощным культурным слоем. Внешние части, вероятно, использовались для хозяйственной и производственной деятельности.

Признаком изменения мощности культурного слоя в пределах поселения являются различия в интенсивности и плотности растительного покрова, выявленные в сегментах значительной площади. Граница распространения исходных средневековых культурных напластований может быть определена на основе изменения структуры сегментированного изображения на пологой поверхности. Дополнительным признаком являются области интенсивной растительности на склонах мысов. В некоторых случаях оборонительные сооружения маркируются вертикально-ориентированными линейными областями переотложенного слоя на склонах.

Выявленные общие тенденции характеризуют лишь наличие (или отсутствие) исходного средневекового культурного слоя и его относительную мощность (косвенная характеристика степени его сохранности). Дальнейшая детализация структуры культурных напластований (поиск остатков наземных и заглубленных сооружений, изучение стратиграфии и т.п.) возможна только с применением наземных методов исследований, в первую очередь, раскопок.

 

Литература

Журбин И.В., 2022. Комплексные исследования Заболотновского городища Садейкар – поселения переходного периода от поломской к чепецкой культуре // РА. № 4. С. 77–89. назад

Журбин И.В., Злобина А.Г., Шаура А.С., Баженова А.И., 2022. Культурный слой поселений Кушманского комплекса (IX–XIII века) по данным многозональной съемки // АЭАЕ. Т. 50, № 2. С. 101–110. назад

Иванов А.Г., Иванова М.Г., Останина Т.И., Шутова Н.И., 2004. Археологическая карта северных районов Удмуртии. Ижевск: Удмуртский ин-т истории, языка и литературы Уральского отд. РАН. 276 с. назад

Иванова М.Г., 1982. Городище Гурья-кар: Результаты исследований 1979 г. // Средневековые памятники бассейна р. Чепцы / Отв. ред. М.Г. Иванова. Ижевск: Удмуртский науч.-исслед. ин-т. С. 3–26. назад

Иванова М.Г., 1998. Иднакар: Древнеудмуртское городище IX–XIII вв. Ижевск: Удмуртский ин-т истории, языка и литературы Уральского отд. РАН. 294 с. назад

Коробов Д.С., 2016. Применение ГИС и данных дистанционного зондирования в археологии // Междисциплинарная интеграция в археологии (по материалам лекций для аспирантов и молодых ученых) / Отв. ред.: Е.Н. Черных, Т.Н. Мишина. М.: ИА РАН. С. 280–311. назад

Луппов П.Н., 1958. Документы по истории Удмуртии XV–XVII веков. Ижевск: Удмуртское кн. изд-во. 422 с. назад

Первухин Н.Г., 1896. Опыт археологического исследования Глазовского уезда Вятской губернии. М.: Тип. М.Г. Волчанинова. 261 с. (Материалы по археологии восточных губерний России; т. 2). назад

Шовенгердт Р.А., 2010. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений. М.: Техносфера. 560 с. назад

Яне Б., 2007. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера. 584 с. назад

Agapiou A., Lysandrou V., Lasaponara R., Masini N., Hadjimitsis D.G., 2016. Study of the variations of archaeological marks at Neolithic site of Lucera, Italy using high-resolution multispectral datasets // Remote Sensing. Vol. 8. Article 723. назад

Brooke C., Clutterbuck B., 2020. Mapping heterogeneous buried archaeological features using multisensor data from unmanned aerial vehicles // Remote Sensing. Vol. 12. Article 41. назад

Haralick R.M., Shanmugam K., Dinstein I., 1973. Textural features for image classification // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics. Vol. SMC-3, iss. 6. P. 610–621. назад

James K., Nichol C.J., Wade T., Cowley D., Poole S.G., Gray A., Gillespie J., 2020. Thermal and multispectral remote sensing for the detection and analysis of archaeologically induced crop stress at a UK site // Drones. Vol. 4. Article 0061. назад

Lasaponara R., Masini N., Holmgren R., Forsberg Y.B., 2012. Integration of aerial and satellite remote sensing for archaeological investigations: a case study of the Etruscan site of San Giovenale // Journal of Geophysics and Engineering. Vol. 9, iss. 4. P. S26–S39. назад

Moriarty C., Cowley D.C., Wade T., Nichol C.J., 2018. Deploying multispectral remote sensing for multitemporal analysis of archaeological crop stress at Ravenshall, Fife, Scotland // Archaeological Prospection. Vol. 26, iss. 1. P. 33–46. назад

Traviglia A., Torsello A., 2017. Landscape pattern detection in archaeological remote sensing // Geosciences. Vol. 7. Article 128. назад

Zhurbin I.V., Borisov A.V., 2020. Non-destructive approach to studying medieval settlements destroyed by ploughing: combining aerial photography, geophysical and soil surveys // Archaeological Prospection. Vol. 27, iss. 4. P. 343–360. назад

Zhurbin I., Borisov A., Zlobina A., 2022. Reconstruction of the occupation layer of archaeological sites based on statistical analysis of soil materials // Journal of Archaeological Science: Reports. Vol. 41. Article 103347. назад

Zlobina A.G., Shaura A.S., Zhurbin I.V., Bazhenova A.I., 2021. Algorithm for statistical analysis of multispectral survey data to identify the anthropogenic impact of the 19th century on the natural environment // Pattern Recognition and Image Analysis. Vol. 31, iss. 2. P. 345–355. назад