LIDAR как новый инструмент в изучении объектов культурного наследия. Потенциал и ограничения в распознавании микрорельефных структур при археологическом и ландшафтном обследовании [1]
Зитлер Б. (1), Купальянц Л. (2), Басож Ф. (3)
1) Институт культурного наследия университета г. Фрайбург (Германия)
2) Археологическая служба г. Реймс (Франция)
3) Межрегиональный Рейнский археологический центр (Франция)
1. Введение. LIDAR (сокращенное Light Detection and Ranging) становится в последнее время широко распространенной и важной технологией современного топографического обследования. Хотя эта технология для создания цифровой модели рельефа (ЦМР) все шире применяется в таких областях как гидрология, оценка природных катаклизмов, мониторинг ресурсов, гражданское строительство и инженерия, ее использование для изучения культурного наследия по-прежнему является исключением.
Попытка изучения пространственного распространения гряд и борозд (ridge and furrow) как следов средневековых полей, сохранившихся под лесными массивами возле Раштатта (Баден, Германия) [Hauger et al., 2000], дала, в частности, возможность протестировать полезность данного метода для изучения культурного наследия. Поскольку полевые обследования больших площадей, например геодезические измерения, направленные на создание трехмерной модели высокого разрешения данных следов земледелия, требуют чрезвычайно высоких трудозатрат, лазерное сканирование воздушного базирования, используемое службой земельного агентства Баден-Вюртемберга для уточнения топографических карт, дало прекрасную возможность применить этот эффективный метод при изучении культурного ландшафта [Sittler, 2004]. В некоторых областях земли Баден-Вюртемберг вместе с дешифровкой гряд и борозд были обнаружены также и другие объекты культуры.
В качестве еще одного примера удачного применения данного метода в археологии может служить обследование с помощью LIDAR археологических памятников в Эльзасе (Восточная Франция).
Опираясь на эти примеры, авторы статьи видят своей целью внедрение метода LIDAR в археологические и ландшафтные исследования и ознакомление научной общественности с потенциалом этой технологии в целом, а также в применении ее для залесенных ландшафтов в частности. Кроме того, в статье обсуждаются ограничения, присущие данному методу.
2. Принципы технологии лазерного сканирования. Читателей, незнакомых с данным методом, мы отсылаем к его детальному описанию, приводимому в работе Ф. Аккермана [Ackermann, 1999. P. 64-67; Wehr, Lohr, 1999]. Вкратце, лазерное сканирование воздушного базирования основано на измерениях расстояния и точной ориентации этих измерений между сенсором и отражающей поверхностью. Это достигается путем соединения GPS-измерений с инерционным измерительным блоком, с помощью которого осуществляется детальный сбор информации о земной поверхности. Система основана на принципе отражения импульсного лазера от колеблющегося зеркала и измерении времени полета для установления расстояния, которое проходит лазерный импульс. Комплексная система геопозиционирования определяет точную позицию сенсора в плоскости (x, y) и его высоту (z). Эта информация, сочетающаяся с углом зеркала, используется для вычисления трехмерных координат точки на местности. Система LIDAR использует высотные данные с точностью от 0,5 м до менее дециметра, в зависимости от высоты полета воздушного судна и частоты приема сигнала (рис. 1).
Особо следует оговорить обработку данных о залесенных местностях [Hyyppä et al., 2000; Pfeiffer et al., 1999], поскольку LIDAR собирает всю информацию о поверхности, не различая объекты - деревья, здания или собственно поверхность земли. Собранная информация выглядит как "облако точек". Поскольку лазерный импульс является весьма мощным, а растительность не является непрерывной, некоторая часть энергии лазера, проникая сквозь растительность, достигает земной поверхности и отражается от нее в виде так называемого "последнего импульса" (рис. 2). Автоматические алгоритмы позволяют убрать информацию о предыдущих импульсах и удалить такие объекты как растительность, здания или другие структуры. После этой процедуры обрабатываемые данные LIDAR предстают как цифровая модель местности (ЦММ) "обнаженной земли" ("bald earth" Digital Elevation Model - DEM), которая используется для создания и пространственной привязки ортоизображений и контурных карт. Ограничения метода заключаются в том, что некоторая растительность и крупные здания не могут быть удалены, если процесс фильтрации недостаточно жесткий. Другая проблема возникает, когда земная поверхность остается недоисследованной. Кроме того, поскольку LIDAR имеет ограниченную пространственную привязку, он может не захватывать четко точные территориальные границы. Более того, некоторые типы растительности, как например густая трава, могут приводить к систематическим ошибкам.
Имеется два основных типа сенсоров, отличающихся методом получения отраженной информации:
- дискретно-возвратные носители LIDAR, которые ограничены до записи небольших перепадов высот путем восприятия возвратного сигнала, главные пики которого представляют отдельные объекты, попавшие в поле лазерного сканирования;
- полноволновые устройства LIDAR записывают разнящуюся по времени интенсивность возвратной энергии от каждого лазерного импульса.
Волновая форма систем LIDAR обычно обладает гораздо большей зоной наблюдения, чем дискретно-возвратные системы, имеющие порядок разрешения в десятки метров, а также производящие дополнительные наблюдения за отражающими элементами поверхности. Важной особенностью обширной зоны наблюдения LIDAR является то, что эти установки способны производить измерения высоты земной поверхности даже под весьма густым растительным покровом. Дискретно-возвратные системы обладают низкой способностью производить подобные измерения.
Весьма вероятно, что волновые технологии LIDAR получат активное развитие в ближайшие годы и что будут разработаны алгоритмы, способные полностью извлекать богатейшие сведения, содержащиеся в исходных данных (рис. 3).
3. Примеры использования LIDAR для моделирования земной поверхности.
3.1. Всестороннее использование обследований с помощью LIDAR в земле Баден-Вюртемберг (Юго-Западная Германия). В земельно-изыскательском бюро земли Баден-Вюртемберг была проведена адаптация технологии лазерного сканирования воздушного базирования для построения точной ЦММ всей территории земли [Hoss, 1997; Gültlinger et al., 2001]. Целью ее было получение всеобъемлющей высотной информации с разрешением около одного метра на плоскости и менее чем 0,5 м по высоте. Особые требования подобной высокой точности предъявлялись в основном службами по предотвращению наводнений, но побочный интерес возник также у широкого круга потенциальных потребителей этой цифровой информации. Полеты и обработка данных проводились компанией Topscan. Проект стартовал в 2000 г. и был закончен к концу 2005 г. Технические детали полетной информации приводятся в табл. 1.
Схема обработки данных. Набор данных, произведенный компанией Topscan и охватывающий всю территорию Баден-Вюртемберга (около 35 000 кв. км) сперва получил предобработку в службах земельного исследовательского агентства. Этот этап включал фильтрацию высотной информации, а также пространственную привязку данных в проекции Гаусса-Крюгера. Следующий этап состоял в интерактивной постобработке результатов первичной фильтрации для полного удаления всех объектов с земной поверхности. Когда это было проделано, была получена ЦММ (а также ЦМР) земной поверхности для дальнейшего изучения и анализов.
Таблица 1
Параметры и спецификация лазерного сканирования,
проводимого компанией Topscanназад
Высота Частота сканирования Угол сканирования Ширина волны Ширина полосы Импульсная частота Точечное разрешение Скорость полета 1000 м 25 Hz +/- 20° 1,55 µм 400 м 25.000 Hz 1,5 м 80 м/с 3.2. Исследования с помощью LIDAR, проведенные в Эльзасе (Восточная Франция). В отличие от подхода, который был применен в Баден-Вюртемберге, исследования с помощью технологии LIDAR в Эльзасе изначально имели другие цели, обусловленные специфическими нуждами пользователей [Basoge et al., 2009, in press]. Поэтому, они не носили всеобъемлющего характера и сканирование проводилось с разным разрешением. Исследования велись по заказу двух разных пользователей и включали как обширные регионы в несколько сотен квадратных километров, заказанные водными агентствами, так и небольшие по площади области с отобранными археологическими объектами.
3.2.1. Исследования LIDAR, проводившиеся для службы речного хозяйства Генерального совета Верхнего Рейна, Южный Эльзас. Данная служба была заинтересована в создании точных топографических карт, прежде всего для оценки риска затопления отдельных водосборных бассейнов, но также для изучения речной геоморфологии с целью оценки формирования речных русел и предотвращения процессов возобновления речного течения.
Первые полеты LIDAR проводились зимой 2003 г. на юго-западе Эльзаса, вдоль долины р. Тур, которая стекает с Вогезских гор на Эльзасскую равнину. ЦММ была построена для местности в 30 кв. км, а данные интерпретировались в Гидрологическом и Растительно-Экологическом центре в Страсбурге, в основном для разработки новой методологии комплексного речного хозяйства и предотвращения наводнений [Kreis, 2004. P. 349; Kreis et al., 2005. P. 117-123].
Эта методология была применена в широкомасштабном исследовании наводнений и речной сети Верхнего Рейна [Basoge et al., 2009, in press], c дополнительными обследованиями LIDAR в последующие годы на территории в 500 кв. км. В настоящее время ЦММ высокого разрешения построена для площади около 1 750 кв. км в основном вдоль речных долин и вокруг крупных городов Южного Эльзаса. Примерно одна треть этой территории к настоящему времени отсканирована. Характеристики этих полетов объединены в табл. 2.
Таблица 2
Характеристики полетов с лазерным сканированиемназад
Год Компания Угол сканирования Высота полета Плотность точек Точность
высотных
измерений2003 Toposys (D) +/- 7° 1200 м 5 т/м2 +/- 10 см 2005 Toposys (D) +/- 7° 1200 м 5 т/м2 +/- 10 см 2006 G2B (F) +/- 20° 900 м 3 т/м2 +/- 10 см 2007 Guelle & Fuchs (F) + ASTEC (D) +/- 9 ° 1400 м 3 т/м2 +/- 10 см 2008 Guelle & Fuchs (F) + ASTEC (D) +/- 9 ° 1000 м 4 т/м2 +/- 10 см 3.2.2. Исследования некоторых археологических памятников с помощью LIDAR. Основываясь на предварительном опыте, полученном в Баден-Вюртемберге [Sittler et al., 2007], региональная археологическая служба Эльзаса была также заинтересована в получении высокоточной высотной модели некоторых археологических памятников. С этой целью Межрегиональный рейнский археологический центр, поддержанный региональными властями, начал проект по изучению избранных памятников археологии. Они включали в себя как археологические объекты, так и исторические ландшафты, которые были отобраны для создания точной топографической информации. Восемь этих объектов перечислены в табл. 3, а их месторасположение отображено на карте (см. презентацию).
Таблица 3
Археологические памятники,
отобранные для исследований,
проводимых в Эльзасе с помощью LIDARназад
№ Название Тип и культурная принадлежность 1 Mackwiller Объекты римской эпохи, земледельческие поля 2 Sparsbach Объекты римской эпохи, ямы, стены 3 Fossé des Pandours Городище-оппидум 4 Mont Sainte Odile Стены, фортификация, микрорельефные объекты 5 Sainte Marie aux Mines Заброшенные средневековые горные разработки 6 Mussig Палеоландшафт 7 Rouffach Древний огороженный ландшафт 8 Rossberg Скопление углежогных ям и других объектов Технические характеристики полетов со съемкой LIDAR, проводившихся на вертолете в апреле 2007 г., отображены в табл. 4. Следует обратить внимание на то, что плотность точек данного сканирования в Эльзасе была существенно выше (7 т/кв.м), чем в Баден-Вюртемберге (1 т/кв.м), что может представлять интерес при сравнении результатов.
Таблица 4
Характеристики лазерного сканирования,
осуществленного компанией Fuchs & Guelleназад
Высота полета Частота сканирования Угол сканирования Повторяемость импульса Плотность точек 1400 м 27 Hz +/- 19° 66.000 Hz 7 т/м2 4. Распознавание и определение особенностей ландшафта с помощью LIDAR
4.1. Система полей в виде гряд и борозд у Раштатта, первый тестовый участок.
4.1.1. Характеристики памятника. Ключевой участок для тестирования возможностей LIDAR при изучении гряд и борозд располагается в долине Южного Рейна возле Раштатта. Этот памятник включает систему средневековых земледельческих полей, предыдущие полевые обследования которых [Hauger et al., 2001] выявили их обширные размеры и хорошую сохранность, отраженную в микрорельефе.
Подобные земляные сооружения являются реликтами сельскохозяйственной деятельности, широко распространенной в свое время во многих уголках Европы [Beresford, Saint Joseph, 1979; Ewald, 1969]. Они сформировались за счет многолетней вспашки и разрыхления, приведших к возникновению гряд, на которых произрастали сельскохозяйственные культуры.
Остатки этих волнистых полей в настоящее время можно обнаружить в местах, которые не подверглись выравниванию в результате более поздней сельскохозяйственной деятельности: либо когда эти поля были превращены в открытые пастбища, либо после того как они забрасывались и зарастали лесом. Их изучение может пролить свет на формирование средневековых ландшафтов. В России, например, реликты подобных объектов, известных под термином "борозда", были описаны в работах, посвященных изучению заброшенного поселения в лесной зоне возле Углича [Осипов, 1981; Осипов, Гаврилова, 1983].
Изучаемый нами участок располагается на песчанистой сухой плоской террасе р. Рейн, возле г. Раштатт, в 30 км к югу от Карлсруэ. Согласно предварительным историческим исследованиям [Hauger et al., 2000], он включает различные насаждения, как с более старым смешанным лесом (бук, сосна, норвежская ель), так и области с густыми молодыми насаждениями. Волнистые поля, датирующиеся эпохой средневековья, сохранились на высоту от 30 до 50 см, зачастую трудно различимы на земной поверхности, поскольку скрыты лесной растительностью.
4.1.2. LIDAR покрытие. Набор данных, полученный компанией Topscan, был первоначально обработан в службах земельного исследовательского агентства, где была проведена высотная фильтрация данных и перевод их в проекцию Гаусса-Крюгера.
Данные, полученные в ходе этого пилотного проекта, были организованы в формате ASCII. Путем интерполяции этой информации в программе Erdas Imagine была создана ЦММ по высотным данным точек (рис. 3, а), тогда как соответствующая ЦМР была получена по данным измерений поверхности земли (рис. 3, b). Подмножество данных и пространственные профили позволили проанализировать и получить специальные характеристики средневековых полей в виде гряд и борозд.
Выявление топографии в виде гряд и борозд. В отличие от изображения, получаемого по отражению первого лазерного импульса (рис. 3, а), который не выявляет никаких микротопографических особенностей, ЦМР (рис. 3, b) ясно демонстрирует типичную волнистую структуру, характерную для топографии в виде гряд и борозд. Это особенно видно при визуализации трехмерных изображений, построенных под разными углами зрения (рис. 4).
Эти изображения ясно передают особенности прежнего средневекового ландшафта в виде полос. Распознаются также некоторые дополнительные объекты, на первый взгляд напоминающие курганы (видны в левом верхнем углу рис. 3, b). На открытом ландшафте с пахотными полями, напротив, структуры типа гряд и борозд уже не распознаются, поскольку они были полностью снивелированы поздней распашкой. На некоторых из этих современных полей могут быть выявлены древние объекты, напоминающие заполненные землей борозды, которые определяются по растительным следам (неопубликованные аэрофотоснимки О. Брааша).
Количественная оценка гряд и борозд. Помимо визуального выявления этих структур, мы имеем возможность получить количественную оценку их размеров (площадь, длина, ширина) и высоту гряд и борозд. Эти параметры определялись с помощью модуля 3D Analyst ГИС-программы ArcView 3.2. Оно достигалось с помощью ручного картографирования каждого пахотного надела (рис. 5).
Модуль 3D Analyst позволяет также осуществлять измерения площади поверхности или набора поверхностей. При этом во внимание принимаются высотные характеристики. Поэтому данный параметр отличается от планиметрической площади двухмерных поверхностей каждой модели. Двухмерная планиметрическая поверхность является виртуальной площадью при взгляде на поверхность сверху. Площадная поверхность, напротив, является реальной поверхностью и дает дополнительную информацию о поверхностных неровностях и волнистости. Чем поверхность менее ровная, тем больше разница этих параметров.
Длина определяется измерением расстояния вдоль гряды, а средняя ширина надела определяется путем деления планиметрической площади на соответствующую длину.
Определение высоты вычисляется при устройстве пространственного профиля через гряды. Пространственный профиль может быть представлен в форме графика, из которого легко получить высотную информацию (рис. 6). При этом дистанция отображается на горизонтальной оси, а высоты - на вертикальной.
Весьма полезным для пространственного анализа является более детальный анализ особенностей полученных изображений. Визуализация структур, скрытых лесными массивами, достигается методами, восходящими во многом к перспективной аэрофотографии гряд и борозд, до сих пор видимых в незалесенной местности, используемой под выпасы [Beresford, Saint Joseph, 1979]. По сравнению с наземным обследованием [Hauger et. al, 2001], LIDAR-изображения открывают множество деталей и объектов, невыявленных в процессе полевых работ. Более того, расположение других объектов, включенных в рассматриваемый ландшафт и выявленных при лазерном сканировании, весьма показательно. Например, река Сандбах на снимке пересекает древние поля в виде гряд и борозд, демонстрируя, что она имеет искусственное русло. Подобным образом направление дренажной канавы пересекает участки земледелия. В данном случае мы имеем упоминание времени ее строительства, относящееся по письменным источникам к XV в., что позволяет сделать вывод о более раннем времени сооружения полей из гряд и борозд. Напротив, дорога римского времени пересекает эти поля. Она упоминается в качестве римской дороги на старых картах и показана на рис. 7. Более детальный анализ демонстрирует, что гряды и борозды примыкают к этой дороге, идущей через современный лес, и, таким образом, они были сооружены позднее ее строительства.
Земляные насыпи и воронки от бомб. На изображении на рис. 3, b можно также обнаружить некоторые земляные насыпи (курганы) и ямы антропогенного происхождения. Эти ямы имеют диаметр в несколько метров, глубину около 1 м и в действительности являются воронками от бомб времен Второй Мировой войны. Несмотря на то, что они покрыты густой растительностью, они прекрасно распознаются на обработанных изображениях.
4.1.3. Прочие памятники археологии в Баден-Вюртемберге. Для того, чтобы повысить уровень распознавания других объектов, представляющих интерес для будущих исследований культурного наследия, археологическими службами были дополнительно отобраны некоторые археологические памятники. Они включали уже известные объекты, ранее картографированные с помощью традиционных методов, таких как полевое обследование. Сканирование этих объектов с помощью LIDAR может представлять сравнительный интерес.
Данные лазерного сканирования этих памятников были обработаны земельной исследовательской службой для создания мелкомасштабных ЦМР этих памятников. На рисунках приводятся изображения отраженного последнего импульса, полученные для отобранных памятников после удаления растительного покрова в процессе обработки изображений.
- Городище Хоеннаголд (рис. 8). Оборонительные сооружения городища включают несколько валов, защищавших его, а также оборонительное кольцо, отображенное в трехмерном представлении. Кроме того, как можно судить по снимкам, данное обследование успешно выявило направление некоторых утраченных оборонительных сооружений и другие объекты, как например границы террас и земляные насыпи, которые могут быть курганами.
- Звездообразный крепостной редут Отисхайм возле Пфорцхайма (рис. 9). Этот редут в виде геометрической фигуры звезды возвышается над окружающей местностью на 2,5 м, благодаря чему прекрасно распознается в трехмерном представлении.
- Заброшенный участок горных выработок у Вислоха. На снимке хорошо видны разбросанные объекты разных размеров в виде разнообразных кратеров (рис. 10) со следами валов от каких-то сооружений, характер которых требует дополнительного изучения.
4.1.4. Некоторые случайные археологические открытия в Баден-Вюртемберге. Помимо специально созданных трехмерных моделей хорошо известных памятников, использование в проекте данных LIDAR, в частности для изучения угрозы затопления, привело к случайному обнаружению нескольких объектов, ранее неизвестных, которые позволяют по-новому взглянуть на изменения древнего ландшафта. Они включают в себя открытие полей в виде гряд и борозд в лесах, растущих в пойме р. Рейн. Эти поля расположены в местах, в настоящее время регулярно затапливаемых при разливе реки, несмотря на сооружение дамб, построенных в XIX в. Как видно из рис. 11, на изображении распознаются еле заметные следы бывших гряд, чья высота не превышает 20 см. Эта разница высот практически не видна при полевом обследовании. Таким образом, обнаружены сельскохозяйственные поля, которые не были известны ранее в подобных пойменных местах изучаемого региона.
Другой пример дают межевые границы в виде гряд, которые могут быть обнаружены на изображении LIDAR на открытых полевых ландшафтах долины Верхнего Рейна, включая участки пахотных угодий и лугов в Бадене. Эти встречающиеся на древних земледельческих полях межевые границы (так называемые Ackerberge), возникшие в результате накоплений мусора на границах при очистке пахотных угодий, могут хорошо распознаваться на открытых ландшафтах благодаря небольшому перепаду рельефа по границам древних участков земли (рис. 12).
Исследование залесенной местности, осушенной от воды для защиты поселений от наводнений, выявляет присутствие древних дренажных канав, скрытых лесом (рис. 13).
Легкодоступность данных LIDAR в Баден-Вюртемберге стимулирует их использование и в других ландшафтных и исторических исследованиях. В качестве примера, можно упомянуть топографическое изучение старой ирригационной системы Центрального Бадена, при котором высотное разрешение дало возможность интерпретации того, как функционировала эта система, включавшая канавы и плотины (рис. 14).
4.2. Археологические и ландшафтные объекты, обнаруженные с помощью LIDAR в Эльзасе.
4.2.1. Избранные примеры археологических памятников. Археологический памятник Мюссиг, исследовавшийся Е. Боэ, включает древнюю болотистую пойму, которая была постепенно расчищена и дренирована древним населением для земледелия и скотоводства. Система дренажных канав, соединяющихся со рвами, демонстрирует эти антропогенные изменения ландшафта, существовавшего до появления поселения. Памятник включает две курганные группы, датирующиеся периодом от XIV до VI в. до н.э. Исследования этого памятника, начавшиеся в 2001 г. как часть проекта по изучению исторической ландшафтной стратиграфии и включающие геофизические обследования, уже привели к пониманию исторического и палеоэкологического обустройства данной местности (рис. 15).
Огороженный ландшафт Руффах. Предгорная зона Вогезских гор юго-западнее Кольмара представляет собой сухую заизвесткованную местность, включающую сухоустойчивые луга и частично заброшенные виноградники, а также другие элементы древнего ландшафта, который был впервые расчищен от лесов между VIII и XII вв. Объекты в виде изгородей с каменными стенками, датируемыми эпохой средневековья, сохранились здесь как реликты, имеющие иногда весьма обширные размеры (до 200 м длины, 10 м ширины и до 4 м высоты). В настоящее время они покрыты густой растительностью и весьма трудно документируются традиционными методами.
Сравнение поверхностей, построенных с помощью LIDAR, с отдельными недавно проведенными топографическими обследованиями показывает, насколько лазерные технологии могут быть полезными в изучении некоторых объектов и деталей пространственного распространения каменных стен и земляных сооружений, не попавших на топографическую карту, составленную при полевом обследовании (рис. 16).
Участок древних горных разработок Сен Мари-о-Мин, археологическое обследование которого проводилось П. Клерком, находился в использовании с X в. Пик активности по добыче полезных ископаемых пришелся на XVI в. Обычно подобные горные выработки включают подземные шахты и галереи, а также груды отвалов на поверхности. Зачастую это единственный видимый признак располагающейся рядом заваленной горной шахты. Обследование этих отвалов выявило присутствие сотен подобных шахт. Обычно горное производство также оставляет специфические следы на поверхности. В регионах с рудными ископаемыми они могут выглядеть как западины самых разнообразных размеров и форм. Кроме того, на этих полях растительность более низкая и густая. Позволяя локализовать большое число отвалов и штолен, трехмерное изображение дает общее и близкое к реальности представление о подобных заброшенных территориях, помогая понять, как использовался ландшафт в процессе средневекового горного производства (рис. 17).
4.2.2. Результаты гидрологического обследования. Предварительная интерпретация снимков LIDAR, сделанных при гидрологическом обследовании и описаниях дренажной системы, дает возможность попутно получить информацию о следах древних ландшафтов, ранее малоизвестных. В качестве примера можно упомянуть гряды и борозды в залесенной местности Форе де Агюно, представленные на рис. 18.
Съемка с помощью LIDAR демонстрирует также возможности в распознавании следов заброшенных дренажных канав в пойме реки Модер, впадающей в Рейн севернее Страсбурга (рис. 19).
5. Обсуждение результатов и заключение.
5.1. Широкие возможности применения LIDAR все еще далеки от полного использования. Приводимые здесь примеры показывают, как благодаря возможности создания трехмерной модели обнаженной земной поверхности лазерное измерение высот позволяет получить микротопографию памятников. Наиболее убедительные результаты получены при реконструкции следов древнего земледелия в виде полей из гряд и борозд. В этом случае применение данной технологии еще более уместно, поскольку эти волнистые поля с разницей высоты обычно не более 50 см в настоящее время покрыты лесами. Картографирование других структур с минимальной высотой около метра, также скрытых лесным покровом, позволяет получать приближенную к реальности картину местности.
С этой точки зрения интересно отметить, что в случае изучения полей в виде гряд и борозд, разница в густоте лесного покрова, образовавшаяся в результате урагана "Лотарь" 1999 г. (рис. 3, а), не повлияла на качество созданной ЦМР (рис. 3, b).
Аналогичное использование LIDAR для изучения объектов культурного наследия также приводится в публикациях Деверье [Devereux et al., 2005] и Донеуса и Бриз [Doneus, Briese, 2006].
По сравнению с топографическими работами, которые проводились на ранней стадии данного проекта [Hauger et al., 2000], лазерное сканирование показало свою эффективность в быстро созданной высокоточной цифровой модели топографии и вертикальных объектов изучаемой местности. По сравнению с существующими источниками информации эти данные обладают большим разрешением и относительно легко доступны, что позволяет создавать трехмерные образы земной поверхности больших территорий для дальнейшего научного и аналитического изучения ландшафта.
Точность измерений по-прежнему нуждается в проверке наземными способами. Однако, хотя оконтуривание гряд (полигонов) производилось путем ручной оцифровки с экрана монитора, в будущем возможно создание алгоритмов по автоматическому распознаванию пахотных участков и их измерений.
Говоря о возможности распознавания объектов, следует отметить, что наилучшим образом выделяются замкнутые структуры, имеющие геометрическую и упорядоченную форму, такие как земляные объекты линейной или округлой формы, даже если их высота мала (порядка 20 см). В целом, линейные ландшафтные структуры, такие как следы межевания, окраины вспаханных полей, тропинки, старые водосборные канавы, гряды и борозды, террасы прекрасно отображаются при разрешении в одну точку на кв. м, даже в залесенной местности. Распознавание объектов может быть улучшено при использовании процедуры трехмерного наложения теней на изучаемое изображение.
В процессе поиска археологических объектов меньших размеров (каменные стенки, небольшие ямы и т.д.) или при изучении более детальной микротопографии памятника рекомендуется использовать более качественное разрешение порядка 3-5 точек на кв.м.
Поскольку формы объектов, распознаваемых на изображении, необязательно отражают реалии, рекомендуется проводить некоторые полевые обследования для подтверждения сделанной классификации и избегания ошибок. Например, ямы или западины, обнаруженные на изображениях, могут иметь разнообразное происхождение (как естественное, так и искусственное) и т.д.
Следует также использовать полноволновые модели лазерных систем сканирования для получения более детальной картины, как это показали исследования Донеуса и Бриз в Австрии [Doneus, Briese, 2006].
Что касается планирования полетов, следует, конечно, по возможности осуществлять их ранней весной, когда лиственные лесные покровы свободны от листвы. А снежных периодов следует избегать, поскольку снег может затенять земную поверхность.
5.2. Хотя стоимость обследования и высока, использование данных совместного пользования и опыт кооперации со специалистами других дисциплин способствует успеху. С точки зрения стоимости, минимальные суммы для небольших проектов по обследованию с помощью LIDAR в Германии варьируют от 7000 до 20 000 евро в зависимости от исполнителя работ. Разумеется, при обследовании площади порядка десятков акров стоимость сканирования одного акра будет существенно выше из-за фиксированной платы за использование сенсора LIDAR. В случае обследования земли Баден-Вюртемберг, которое в настоящее время привело к практически полному покрытию всей территории данными LIDAR (35 000 кв. км), эти данные получались из исследовательского агентства (LVA) при следующих условиях (без учета налогов): 15 евро за 1 кв. км за необработанную информацию и 60 евро за 1 кв. км за окончательную информацию, включающую построение ЦМР.
Подобные условия дали, таким образом, возможность для весьма экономичного осуществления будущих проектов по изучению остатков древних ландшафтов. Для археологов в целом, это позволяет открыть исторические объекты и более детально изучить археологические памятники, получить более точное представление о земной поверхности, что может быть весьма полезным подспорьем при исследовании аэрофотосъемки, особенно в залесенной местности, когда объекты скрыты под покровом растительности (см. также [Devereux et al., 2005]).
Для улучшения условий использования данных LIDAR, рекомендуется находить заинтересованных партнеров из других областей (например, археологов и гидрологов, работающих в одном регионе), что позволит снизить стоимость работ.
Примечания
[1] Перевод с английского языка Д.С. Коробова. назад
Литература
Осипов В.В., 1981. О былом земледелии на лесных площадках Ярославского Поволжья // Лесоведение. № 6. назад
Осипов В.В., Гаврилова Н.К., 1983. Аграрное освоение и динамика лесистости Нечерноземной зоны РСФСР. М. назад
Ackermann F., 1999. Airborne laser scanning - present status and future expectations // ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote sensing. 54. назад
Basoge F., Koupaliantz L., Kreis N., Sittler B., 2009. Lidar surveys in the Upper Rhine Valley. New insights for archaeological, landscape and hydrological applications // Revue Française de Photogrammétrie et de Télédétection (in press). назад
Beresford M., Saint Joseph J., 1979. Medieval England - an aerial survey. 2nd edition. Cambridge. назад
Devereux B.J, Amable G.S, Crow P., Cliff A.D., 2005. The potential of airborne lidar for detection of archeological features under woodland canopies // Antiquity. 79. назад
Doneus M., Briese C., 2006. Full-waveform airborne laser scanning as a tool for archaeological reconnaissance // S. Campana & M. Forte (editors). From Space to Place. 2nd International Conference on remote Sensing in Archaeology. BAR International Series. 1568. назад
Ewald K.C., 1969. Agrarmorphologische Untersuchungen im Sundgau (Oberelsaß) unter besonderer Berücksichtigung der Wölbäcker // Tätigkeitsbericht der Naturforschenden Gesellschaft Baselland. XXVII. назад
Gültlinger M., Schleyer A., Spohrer M., 2001. Flächendeckendes, hochgenaues DGM von Baden-Württemberg. Mitteilungen des Vereins für Vermessungswesen. 48-2. назад
Hauger K., Riedinger R., Sittler B., 2000. Wölbäcker bei Rastatt - eine Dokumentation zur Analyse und Erhaltung überkommener Altackerkomplexe // Kulturlandschaft - Zeitschrift für Angewandte Historische Geographie. Jg. 10 (2). назад
Hauger K., Riedinger R., Sittler B., 2001. Wölbäcker im Landkreis Rastatt - Auf den Spuren mittelalterlicher Ackerfluren // Heimatbuch des Landkreises Rastatt. назад
Hoss H., 1997. Einsatz des Laserscanner-Verfahren beim Aufbau des digitalen Geländehöhenmodells (DGM) von Baden-Württemberg // DVW Mitteilungen. 44-1. назад
Hyyppä J., Pyysalo U., Hyyppä H., Samberg A., 2000. Elevation accuracy of laser scanning-derived digital terrain and target models in forest environment // 20 th EARSel Symposium and Workshops, Dresden, Germany, 14-17 June 2000. назад
Kreis N., 2004. Modélisation des crues des rivières de moyenne montagne pour la gestion intégrée du risqué d'inondation // Application à la Vallée de la Thur (Haut-Rhin), Thèse de l'ENGREF, CEVH-ENGEES. Strasbourg. назад
Kreis N., Leviandier T., Arnaud P., 2005. Hydrological and hydraulics modelling to assess mitigation effectiveness of floodplain reconnection in the context of a mountain river // River Basin Management. Vol. 3, No. 2. назад
Pfeiffer N., Kraus K., Köstli A., 1999. Restitution of airborne laser scanner data in wooded areas // GIS. 2. назад
Sittler B., 2004. Revealing historical landscapes by using airborne laser scanning - A 3-D model of ridge and furrow in forests near Rastatt (Germany) // International Archives of Photogrammetry. Vol. 36 (8/W2). назад
Sittler, B., Weinacker, H., Gültlinger M., Koupaliantz L., 2007. The potential of Lidar in assessing elements of cultural heritage hidden under forests // Zbigniew Bochenek (ed.). New Developments and challenges in remote sensing. Warsaw. назад
Wehr A., Lohr U., 1999. Airborne laser scanning - an introduction and overview // ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. 54. назад