ГИС-технологии: использование в исследованиях на Тамани и Абхазском побережье

Г. В. Требелева, Ю. В. Горлов

ИА РАН, Москва

Одним из основных приоритетов современной археологии является не просто исследование конкретных памятников, а изучение их в контексте природного и исторического ландшафта. В связи с этим меняются требования к археологическому исследованию: нужно не просто владеть данными об археологическом памятнике (комплексе памятников) - необходим синтез исторической, географической и археологической информации о конкретной территории. Следовательно, в сферу интересов археологов все более попадают такие области науки, как пространственная археология, системы расселения и землепользования, а также смежные дисциплины: палеогеография, палеоэкология и др. Все это, конечно же, приводит к увеличению естественнонаучной и картографической составляющих археологических исследований. Возникает необходимость в создании специализированных карт, отображающих особенности локализации памятников, факторы воздействия на них, а также результаты их системного и всестороннего оперативного анализа. Решить эту задачу помогают геоинформационные системы (ГИС), под которыми понимается интеграция фактографических электронных баз данных (текстовых, цифровых и т. д.) и геоизображений.

В 2001-2003 гг. в рамках двух проектов - "Историческая и палеогеографическая реконструкция Кавказского побережья Черного моря в античную эпоху" (РФФИ) и "Экология как фактор социально-экономического развития древних обществ: сравнительный анализ ситуации в устье Кубани и на побережье Сухумской бухты" (Программа фундаментальных исследований Президиума РАН "Этнокультурное взаимодействие в Евразии") - проводились комплексные археологические и палеогеографические исследования. Территориально для подобных полигонных исследований на всем Кавказском побережье Черного моря оказались пригодными только четыре района: устье Кубани, Пицундская, Сухумская и Очамчирская бухты (рис. 1). Территории между ними в прибрежной зоне значительно разрушены береговой абразией и антропогенным воздействием (строительством инфраструктуры курортной зоны Причерноморья), а южный склон Кавказского хребта скрыт мощными лесными и кустарниковыми массивами или современной застройкой.

Но, несмотря на то что теоретически для полигонных исследований пригодны четыре района, полноценные полевые исследования удалось провести только в двух: в районе черноморского устья Кубани и в Сухумской бухте. Доступ в район Пицунды был затруднен из-за дислокации там российских миротворческих сил, а натурное исследование Очамчирского района пока еще невозможно из-за последствий грузино-абхазской войны 1992-1993 гг. Однако результаты изучения отдельных показательных регионов Черноморского побережья, в данном случае устья Кубани и Сухумской бухты, можно, в сущности, экстраполировать на все побережье в целом. При этом большую роль играет применение ГИС-технологий, которые в данном проекте выступают, с одной стороны, как форма представления результатов, а с другой - как инструмент исследования, позволяющий проводить комплексный анализ всей географической и археологической информации в интерактивной форме.

Для работы с геоинформационными данными была выбрана одна из последних версий геоинформационных программ компании ESRI - ArcGIS 8.2. Вернее, если быть более точными, первоначально была сделана попытка геокодирования данных дистанционного зондирования земли (ДДЗЗ) - космо- и аэроснимков - с помощью программы MapInfo Professional 6.0. После геокодирования растровых изображений в ручном режиме проводилась их векторизация, и затем векторные слои экспортировались в программу ArcView 3.2а [Требелева, Горлов, 2004].

Однако подобный метод обработки данных показался нерациональным: аналитический аппарат программы MapInfo Professional 6.0 значительно уступает программе ArcView 3.2а; в то же время, оказался невозможным экспорт растровых изображений (а следовательно, и их анализ) в программу ArcView 3.2а. Кроме того, горный рельеф Кавказского побережья Черного моря оказался очень сложным для полноценной векторизации и требовал несоразмерно больших временных затрат.

В связи со всем этим, а также с появлением лицензионной версии программы ArcGIS 8.2, которая позволяет не только геокодировать растровые изображения внутри своей среды, но и полноценно использовать растровые данные для анализов, было решено остановиться именно на этой программе как на инструменте исследования и форме представления результатов.

В целом всю работу можно подразделить на три этапа:

Палеогеографические и археологические исследования дельты Кубани и создание соответствующей проблемно-ориентированной ГИС.

Палеогеографические и археологические исследования Сухумской бухты и создание соответствующей проблемно-ориентированной ГИС.

Сведение в единый проект ГИС дельты Кубани и ГИС Абхазского побережья (от Пицунды до Очамчиры). Проведение анализов и реконструкций.

Палеогеографические и археологические исследования дельты Кубани и создание соответствующей проблемно-ориентированной ГИС. Комплексные исследования в районе черноморской дельты Кубани проводились еще в 1998-2000 гг., в рамках российско-французского Таманского регионального археологического проекта [Горлов, 1999; Горлов и др., 2002]. Тогда же Ю. В. Горловым была составлена база данных (БД) по археологическим памятникам Таманского полуострова. Создавалась она в рамках программы Microsoft Access, ее система была разработана специалистами Высшей школы применения математических и статистических методов в области изучении гуманитарных проблем при Доме науки о человеке (Париж, Франция) [Требелева, Горлов, 2004]. Одновременно Г. П. Гарбузовым было начато составление ГИС по Таманскому полуострову [Гарбузов и др., 2001]. Но эта работа не была доведена до конца: отсутствовали темы по археологическим памятникам. Их пришлось создавать позднее, по имеющимся координатам памятников в БД.

В 2003 г. ранее геокодированные растровые данные (космоснимки SPOT) в формате TIFF с помощью функции "переклассификация" в модуле Spatial Analyst были преобразованы в темы грид [1]. Это позволило начать работу с атрибутами растровых данных, поскольку подобная работа невозможна в формате TIFF (рис. 2).

В 2001-2003 гг. были проведены бурения и взяты геологические пробы на радиоуглеродный, геоморфологический и малакофаунистический анализы. Информация о местах бурений подключалась к имеющемуся проекту. К каждой точке точечной темы, представляющей места бурений, при помощи "горячей связи" присоединялись файлы с изображениями чертежей разреза, а на основании полученных данных в таблицу атрибутов вносился соответствующий цифровой код, который определял результаты проведенных анализов (рис. 3). Геологические исследования и соответствующая обработка данных проводилась на географическом факультете МГУ (руководитель работ - к. г. н. А. В. Поротов).

Палеогеографические и археологические исследования Сухумской бухты и создание соответствующей проблемно-ориентированной ГИС. Для создания проблемно-ориентированной археологической ГИС Абхазского побережья в качестве геоподосновы использовались карты масштаба 1:10000, панхроматическая аэрофотосъемка 1960-1970-х гг. и спектрозональный космоснимок КФА-1000 с разрешением 4 м (рис. 4).

Для географической привязки снимков было проведено 50 определений координат в опорных точках. К сожалению, особенности географии (горный рельеф) изучаемой территории не позволяли создать оптимально распределенную сеть опорных точек. В качестве таковых выбирались места пересечения прибрежных дорог, мосты, устья рек. Это привело к тому, что более или менее точную привязку имеет береговая полоса; при этом погрешность увеличивается с удалением от нее в горную зону. Однако надо оговориться, что для наших целей эта погрешность большого значения не имеет, т. к. объектом исследования является именно прибрежная часть.

В качестве координатной системы ГИС-проекта выбрана широко распространенная проекция UTM с моделью Земли WGS-84, которая является базовой при работе с GPS-приемниками. Выбор модели Земли связан со стремлением создать максимально технологичную, ориентированную непосредственно на данные GPS-приемников справочно-информационную систему, пригодную для интерактивного применения не только в стационарном режиме, но и в полевых условиях.

В ходе исследований было обследовано, внесено в базу данных и геокодировано 119 археологических памятников. Система базы данных была той же, что и в случае с археологическими памятниками Таманского полуострова. Так что при необходимости обе эти базы данных можно будет свести в одну.

БД создавалась в рамках программы Microsoft Access для возможности работы с ней на любом компьютере, имеющем стандартное программное обеспечение (Microsoft Office) независимо от программной оболочки ГИС (если это будет необходимо). Далее эта БД-программа с помощью инструмента "Соединения и Связи" в рамках ГИС-оболочки ArcMap 8.2 соединяется с данными атрибутивной таблицы слоя археологических памятников, представляющих собой точечные объекты (рис. 5). Кроме того, с помощью инструмента "Гиперссылка" была создана "горячая связь" с фотографиями внешнего вида памятника.

Кроме археологических памятников в ГИС-проект, как и в случае с ГИС по Таманскому полуострову, включаются и данные геологических бурений, проведенных для взятия образцов на радиоуглеродный, малакофаунистический и палинологический анализы.

Сведение в единый проект ГИС дельты Кубани и ГИС Абхазского побережья (от Пицунды до Очамчиры). Проведение анализов и реконструкций. После создания ГИС Абхазии в новый проект были добавлены все имеющиеся данные по Абхазии и Тамани. Для получения целостной картины на основе двух имеющихся линий побережья (Тамань и Абхазия) был геокодирован космоснимок Черного моря. Космоснимок имеет очень низкое разрешение, поэтому выполняет в основном эстетическую функцию (рис. 6). Относительная географическая точность имеется лишь вдоль северо-восточного побережья: от Тамани до Абхазии. Поэтому снимок был использован также и как основа для создания векторного слоя линии современного Черноморского побережья Кавказа (рис. 7).

Следующей задачей стало проведение геологических реконструкций. Ранее это делалось без применения инструментов ГИС, а данные исследований наносились в ручном режиме, с помощью инструмента "Буфер" [Требелева, Горлов, 2004]. В результате получалась красивая картинка - но не более (рис. 8).

Теперь же, с помощью модуля ArcGIS Geostatistical Analyst (инструмент "Мастер операций геостатистики"), методом ординарного крикинга на основе имеющихся данных анализов геологических проб (в частности, по уровню мелко-среднезернистых песков) была предпринята попытка создания модели непрерывной геологической поверхности для двух исследуемых регионов (рис. 9). Суть метода заключается в следующем. На основе имеющихся опорных точек создается непрерывная поверхность. Учитывая основной принцип географии - объекты, расположенные на близком расстоянии друг от друга более похожи между собой, нежели удаленные друг от друга [Tobler, 1970], - программа рассчитывает значения неизвестных точек, создавая тем самым непрерывную поверхность. Учет удаленности искомой точки от известной идет за счет присвоения весовых коэффициентов: чем ближе точка, тем ее вес выше. При этом значения весового коэффициента основаны не только на расстоянии между измеренными точками и искомой, но и на распределении опорных точек в пространстве в целом [Джонстон, 2002. С. 50-53].

Полученные результаты пока еще далеко не окончательны. Статистическая выборка (особенно для района черноморского устья Кубани) нерепрезентативна. Данные распределены очень неравномерно, что значительно увеличивает статистическую ошибку, выводя ее за пределы допустимой (рис. 10). Кроме того, до конца еще не отработан принцип подбора параметров выборки и применяемых весовых коэффициентов.

Но сам метод представляет определенный интерес. Строение верхней части отложений Сухумского побережья, хронологически относящейся ко второй половине голоцена, существенно различно на участках Сухумского полуострова и расположенной восточнее неширокой полосы прибрежной низменности, что отражает особенности их морфодинамического развития в условиях изменений уровня моря в позднем голоцене. К этим выводам исследователи пришли, не прибегая к аналитическим инструментам ГИС [Балабанов и др., 2004; Поротов и др., 2003]. Но если мы обратим внимание на полученную с помощью модуля Geostatistical Analyst модель геологической поверхности (рис. 11), то увидим по существу ту же картину. Только в данном случае она нагляднее, даже для неспециалистов.

Начатые исследования планируется продолжить. В будущем полевом сезоне мы рассчитываем получить дополнительные археологические и геологические данные. В дальнейшем полученные путем их статистического анализа геологические модели будут соединены с результатами пространственного анализа системы расположения археологических памятников. Но это пока планы. Сегодня же мы можем сказать, что завершение одного этапа работы - собственно создания ГИС - открывает новые горизонты для дальнейших исследований, в которых созданная нами ГИС будет играть важнейшую роль, являясь основным инструментом исследования.

 

Литература

Балабанов И.П., Поротов А.В., Горлов Ю.В. Кайтамба М.Д., 2004. Особенности эволюции Сухумского побережья в позднем голоцене // Вестник МГУ. Сер. геогр. Вып. 2. назад

Гарбузов Г.П., Мюллер К., Горлов Ю.В., 2001. Использование геоинформационных технологий в Таманском региональном археологическом проекте // Боспорский феномен: Колонизация региона, формирование полисов, образование государства: Мат. междунар. науч. конф. СПб. Ч. 2. назад

Горлов Ю.В., 1999. Исследования в рамках Таманского регионального археологического проекта (ТРАП) в 1998 году // Проблемы истории, филологии и культуры. М.; Магнитогорск. Вып. 7. назад

Горлов Ю.В., Поротов А.В., Янина Т.А, Фуаш Э., Мюллер К., 2002. К вопросу об историко-географической ситуации на Таманском полуострове в период греческой колонизации // Проблемы истории, филологии и культуры. М.; Магнитогорск. Вып. 12. назад

Джонстон К., Вер Хоеф Д.М., Криворучко К., Лукас Н., 2002. ArcGIS Geostatistical Analyst: Руководство пользователя. М. назад

Поротов А.В., Горлов Ю.В., Балабанов И.П., Болиховская Н.С., Кайтамба М.Д., 2003. К палеогеографии Восточного Причерноморья в античную эпоху // Проблемы истории, филологии и культуры. М.; Магнитогорск. Вып. 13. назад

Требелева Г.В., Горлов Ю.В., 2004. Использование геоинформационных систем в программе по изучению палеогеографии и археологической топографии Сухумской бухты (предварительные результаты) // Круглый стол "Геоинформационные технологии в археологических исследованиях" (Москва, 2 апреля 2003 г.): Сб. докл. [Электронный ресурс]. М. (CD-ROM.) назад

Tobler W., 1970. A computer movie simulating urban growth in the Detroit region // Economic Geography. № 46 (2). назад

 

Примечания

[1] Тема грид - использующаяся в различных системах ГИС растровая тема со статистической информацией, относящейся к каждой ячейке растра. Размер ячейки выбирается пользователем (Примеч. ред.). назад