Трехмерное моделирование формы археологических объектов по материалам раскопок и геофизических исследований

Журбин И.В., Смурыгин А.В.

Физико-технический институт УрО РАН

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект № 08-06-00002а

Пространственные модели широко применяются на различных стадиях изучения археологических материалов. В большинстве случаев основная задача трехмерного моделирования состоит в обеспечении наглядности при представлении разнообразных археологических объектов (образовательные и музейные проекты, системы виртуальной реальности и пр.). Не менее важную роль играет применение компьютерного моделирования как аналитического инструмента. Ярким примером актуальности этого направления служат археологические ГИС [Коробов, 2005]. Использование цифровой модели рельефа позволяет решать разнообразные исследовательские задачи: анализировать видимости между поселениями, реконструировать системы их жизнеобеспечения и т.п. Также трехмерное моделирование является необходимым этапом работ при геофизических исследованиях археологических памятников. При этом основной целью создания пространственных моделей является оценка качества реконструкции формы археологических объектов по геофизическим данным.

Исходные данные для 3D-модели. Формирование трехмерной модели археологических объектов может быть основано на традиционной археологической документации - наборе планов горизонтальных и вертикальных разрезов культурного слоя (рис. 1). В большинстве случаев планиграфические разрезы, полученные при раскопках поселений, расположены в пространстве с шагом 0,1 м по аппликате (Z), а стратиграфические - 2,0 или 3,0 м по абсциссе (X) и ординате (Y).

Аналогичным образом может быть представлен культурный слой при геофизических исследованиях [Журбин и др., 2007]. При площадном электропрофилировании последовательное изменение глубины измерений zi обеспечивает формирование набора карт геофизической "планиграфии" (рис. 2). Для уточнения пространственных характеристик объектов используется электротомография. В этом случае результатом интерпретации является геоэлектрический разрез - карта возможного распределения сопротивления в вертикальной плоскости YZ.

С точки зрения пространственного моделирования археологических объектов важны следующие моменты:

1. Как при археологических, так и при геофизических исследованиях на наборе горизонтальных разрезов фиксируется изменение контура объекта в плане на различных глубинах. На вертикальных разрезах - вариация его формы при различных вертикальных сечениях. Следовательно, в обоих случаях исходные данные обладают одинаковым информационным потенциалом для построения 3D-модели.

2. Очевидно, что нет однозначного соответствия между археологическими разрезами культурного слоя и геофизическими картами, моделирующими распределение сопротивления. Но при этом наблюдается полная аналогия с точки зрения расположения и пространственной ориентации археологических и геофизических данных. Таким образом, археология и геофизика обеспечивают одинаковую структуру данных для пространственного моделирования.

3. Детальность исходных данных определяется выбранной методикой полевых исследований: при раскопках - размером стороны квадрата и расстоянием между горизонтами фиксации, а при геофизических изысканиях - дистанцией между смежными профилями и точками наблюдений, а также набором эффективных глубин. Следовательно, за счет выбора параметров методики исследований принципиально возможно обеспечить одинаковую детальность археологических материалов и геофизических измерений.

Учитывая перечисленное, можно предположить, что для построения 3D-моделей по археологическим и геофизическим данным может быть использован единый метод, который позволяет осуществить преобразование набора разнонаправленных плоскостных срезов в трехмерный образ - геометрическую модель археологического объекта. Сложность разработки такого метода состоит в том, что при восстановлении пространственного образа каждого объекта может быть использован лишь ограниченный набор горизонтальных и вертикальных разрезов.

Метод пространственного моделирования. В общем случае способ построения трехмерной модели может быть основан на построении поверхности - пространственной оболочки объекта. На первом этапе анализ археологических и геофизических разрезов позволяет определить границы выявленных объектов. Далее, при построении модели по геофизическим данным определяется диапазон изменения сопротивления для каждого объекта поиска. В соответствии с границами выделенного диапазона на каждой двумерной карте осуществляется построение изоом - линий на геофизическом разрезе, соединяющих точки с одинаковым значением удельного сопротивления (рис. 3, а, б). Следовательно, на совокупности геофизических разрезов формируется набор контуров границ искомого объекта поиска (рис. 3, в). Следующий этап связан с построением поверхности, ограничивающей трехмерную модель объекта. Это предполагает построение пространственной оболочки, связывающей все выделенные изоомы (рис. 3, г). Пространственная модель объекта по археологическим данным формируется аналогичным образом [Груздев, Журбин, 2005]. На нескольких смежных разрезах выбирается группа контуров, ограничивающих области одинакового типа грунта. После чего осуществляется построение поверхности, содержащей все выделенные границы. В сущности, описанный метод предполагает формирование псевдопризм по многоугольникам в качестве оснований и объединение их по признаку принадлежности одному типу грунта [Смурыгин, 2006].

Методика пространственного моделирования. Для реализации предложенного метода необходима предварительная обработка исходных данных - векторизация границ раздела слоев, зафиксированных на горизонтальных и вертикальных разрезах. Для этого может быть использовано стандартное программное обеспечение: геоинформационные системы [Степанова, Смагин, 1999] или системы автоматизированного проектирования [Смирнов, Трифоненко, 1997; Zhukovsky, 2002]. В результате оцифровки каждый разрез представлен совокупностью контуров, которые ограничивают различные элементы культурного слоя. Грунты, составляющие слои и напластования, кодируются в базе данных. Такое преобразование полевых чертежей и геофизических карт распределения сопротивления позволяет использовать полученные оцифрованные планы как компьютеризированный источник для пространственного моделирования.

Следующий этап предполагает выбор набора контуров для построения базовой модели. Учитывая, что в процессе формирования пространственной модели происходит преобразование набора плоскостных разрезов в трехмерный образ объекта, необходимо определить, какие из сечений наиболее информативны. В связи с этим, элементы планировки археологического памятника можно условно разделить на локальные и протяженные пространственные объекты. В данном случае под протяженными объектами понимаются элементы культурного слоя, выходящие за рамки моделируемого пространства по какой-либо координате. Примером таких объектов могут служить различные регулярные слои и напластования (дерн, основной культурный слой), а также оборонительные сооружения (вал, ров). Локальные - это замкнутые объекты, которые целиком расположены в границах моделируемого пространства: ямы различного назначения, очаги, основания сооружений и другие подобные по пространственной организации элементы культурного слоя памятника. Следовательно, исходными данными для формирования базовой трехмерной модели протяженных объектов являются контуры границ, выявленные на стратиграфических планах. В данном случае планиграфические разрезы могут быть использованы для оценки качества построенной модели и ее уточнения. Иной подход применяется при моделировании локальных объектов: в качестве базовых корректнее использовать планиграфические карты, а стратиграфические разрезы - для уточнения модели.

Возможности рассмотренного метода и подхода наглядно демонстрируют результаты трехмерного моделирования внутренней линии оборонительных сооружений средневекового городища Иднакар [Иванова, 1998].

Трехмерное моделирование по археологическим данным. Раскопки участка укреплений городища проведены в 1992-1994 гг. [Иванова, 1993; 1994; 1995]. Анализ стратиграфии показывает, что верхняя часть внутреннего вала была срыта еще во время существования поселения: в нижнем слое заполнения рва прослеживается слой глины, перемешанной с гумусом, мощностью 0,40-0,50 м. В связи с этим, в настоящее время эта линия оборонительных сооружений в рельефе не выражена. Археологические исследования показали, что основу вала составляла бревенчатая конструкция из срубов, заполненных плотной красной глиной (рис. 4). С внутренней стороны, благодаря стенкам срубов вал оставался практически вертикальным, наружный его склон был достаточно пологим (рис. 5). В древности, после "реконструкции" оборонительных сооружений в заполнении рва разместились производственные сооружения, связанные с обработкой металлов. В частности, на участке раскопок зафиксированы яма и очаг, при создании которых был разрушен сохранившийся массив вала [Иванова, 1998. С. 20-22].

Пространственная модель, построенная по археологическим данным, демонстрирует все перечисленные особенности изученного участка внутренней линии укреплений (рис. 6). Возможность выбора ракурса модели относительно наблюдателя существенно повышает ее наглядность. Кроме того, построение разреза модели при произвольном расположении плоскости среза позволяет более детально изучать особенности формирования и функционирования объекта. Например, сечение, представленное на рисунке 7, наглядно демонстрирует существенное уменьшение глубины рва на участке позднего производственного сооружения.

Трехмерное моделирование по геофизическим данным. На участке, расположенном на 6 м южнее участка раскопа, по результатам площадного электропрофилирования (рис. 8) однозначно выделяется местоположение и контуры оборонительного вала - область низкого сопротивления, ориентированная в направлении север-юг (линии Т-Ф). Очевидно, вал частично разрушен. В северной и южной частях участка его ширина составляет 4,5-5,0 м, а в центральной части планшета геофизической съемки его ширина не превышает 1,0-1,5 м. Вероятны разрушения вершины вала (кв. Т9-Т8, Т13-Т11 и Т14-У14).

Электротомография выявила разнообразные нарушения монолитного массива вала. Измерения проведены по системе параллельных профилей, ориентированных по линии запад-восток, поперек оборонительных сооружений. Расстояние между смежными профилями - 1,5 м. В статье приведены геоэлектрические разрезы только по трем профилям, наиболее контрастно отражающим изменение формы вала и рва (рис. 9, 10 и 11). Расположение этих профилей показано на рисунке 8, при этом сохранена их нумерация в общей сетке измерений. Геофизические разрезы позволили выявить причины возникновения искажений "планиграфической" аномалии вала и объяснить изменения ее формы. При "стратиграфических" исследованиях восстановлена своеобразная форма вала - близкая к вертикальной граница с внутренней стороны вала и ступенчатообразная форма его внешней стороны (рис. 9, 10). На всех "стратиграфических" профилях фиксируются разрушения монолитного массива, как по высоте, так и в поперечном разрезе. При этом участок вала, расположенный в центральной части (см. профиль 7 на рис. 11), разрушен в большей степени. Очевидно, что такое существенное изменение геометрических характеристик основания вала и определяет "разрывы" и сужения аномалии на "планиграфической" геофизической карте.

По результатам "планиграфических" геофизических исследований ров внутренней линии оборонительных укреплений практически не фиксируется, но его геометрические характеристики хорошо реконструируются на "стратиграфических" разрезах. При этом возникает возможность оценить не только ширину рва, но и его глубину. В центральной части планшета ров практически засыпан глиной, вероятно, срезанной с вала. Наиболее контрастно эта особенность фиксируется на геоэлектрическом разрезе по профилю 7 (рис. 11).

Необходимо отметить, что форма и геометрические параметры вала и рва, определенные по результатам геофизических измерений, хорошо согласуются с результатами археологических раскопок.

Пространственная модель фрагмента оборонительных сооружений, построенная на основе геофизических данных, наглядно демонстрирует все перечисленные особенности (рис. 12). В данном случае исходными данными для формирования пространственной геоэлектрической модели протяженных объектов являлись границы слоев, выявленные на "стратиграфических" геофизических разрезах. Создание дополнительных срезов модели и сравнение их с "планиграфическими" геофизическими разрезами позволяет оценить не только корректность построения модели, но и эффективность методики комплексных геофизических измерений (рис. 13).

Таким образом, предложенный метод является эффективным инструментом для построения трехмерных моделей археологических объектов. Использование разработанного подхода к визуализации данных позволяет не только более наглядно представить результаты археологических и геофизических исследований, но и обеспечивает удобство их анализа.

 

Литература

Груздев Д.В., Журбин И.В., 2005. Программа для пространственного моделирования археологических объектов // Археология и компьютерные технологии: представление и анализ археологических материалов. Ижевск. назад

Журбин И.В., Бобачев А.А., Зверев В.П., 2007. Комплексные геофизические исследования культурного слоя археологических памятников (городище Иднакар, IX-XIII вв.) // Археология, этнография и антропология Евразии. № 2(30). назад

Иванова М.Г., 1993. Отчет о раскопках Солдырьского городища Иднакар в Глазовском районе Удмуртской республики в 1992. // Научно-отраслевой архив УИИЯЛ УрО РАН. Рукописный фонд. Оп. 2-Н. Д. 1113. Ижевск. назад

Иванова М.Г., 1994. Отчет о раскопках Солдырьского городища Иднакар в Глазовском районе Удмуртской республики в 1993. // Научно-отраслевой архив УИИЯЛ УрО РАН. Рукописный фонд. Оп. 2-Н. Д. 1117. Ижевск. назад

Иванова М.Г., 1995. Отчет о раскопках Солдырьского городища Иднакар в Глазовском районе Удмуртской республики в 1994. // Научно-отраслевой архив УИИЯЛ УрО РАН. Рукописный фонд. Оп. 2-Н. Д. 1119. Ижевск. назад

Иванова М.Г., 1998. Иднакар: Древнеудмуртское городище IX-XIII вв. Ижевск. назад

Коробов Д.С., 2005. Трехмерная визуализация Кисловодской котловины с помощью модуля 3D Analyst // Круглый стол "Археология и геоинформатика". Вып. 2. [Электронный ресурс]. М., CD-ROM. назад

Смирнов А.С., Трифоненко А.В., 1997. АРХЕО: Программа для создания графических информационных схем в среде системы AUTOCAD // Круг идей: традиции и тенденции исторической информатики. М. назад

Смурыгин А.В., 2006. Метод построения псевдопризмы в задачах геометрического моделирования // Информационно-вычислительные технологии и их приложения. Сб. статей V Международной научно-технической конференции. Пенза. назад

Степанова Г.А., Смагин М.Г., 1999. К вопросу о методике извлечения, обработки и сохранения первичной информации на примере городища Иднакар // Новые исследования по средневековой археологии Поволжья и Приуралья. Материалы Международного полевого симпозиума. Ижевск. назад

Zhukovsky M., 2002. Handling digital 3-D record of archaeological excavation data // Computer Applications and Quantitative methods in Archaeology 2001, BAR International Series. Internet. назад