Использование данных спутников CORONA в археологических исследованиях
М.О. Жуковский
МГУ им. М.В. Ломоносова
В современных археологических исследованиях все большее значение приобретает использование архивных данных дистанционного зондирования - материалов аэрофото- и космической съемки поверхности Земли.
Основным фактором, повышающим значение архивных данных, является масштабный процесс антропогенного воздействия на памятники археологии. Начиная с середины XX в. повсеместная распашка тяжелыми плугами, мелиорация, активное строительство, в том числе связанное с затоплением долин рек, привели к значительному изменению внешнего облика памятников, а нередко - к их полному исчезновению. При этом степень воздействия хозяйственной деятельности на разные категории археологических объектов различна - в то время как культурный слой поселений несет невосполнимые потери, разрушение насыпей курганных могильников, как правило, не затрагивает самих погребений, заглубленных в материк. Археологические разведки, проводимые автором в течение ряда последних лет в лесостепном Поволжье, показали, что большинство курганных могильников, открытых в процессе обследований 60-70-х годов XX столетия, сегодня полностью снивелированы распашкой и не поддаются визуальной локализации на местности. Исследовательский потенциал, который предоставляет компьютерная обработка и дешифровка аэрофото- и космоснимков 40-50-летней давности, для таких памятников сложно переоценить. Фактически, можно говорить о повторном введении их в научный оборот на новом уровне исследовательских технологий.
Круг научных задач, решаемых с помощью компьютерной обработки архивных данных дистанционного зондирования, весьма широк. В их число входят региональное научное картирование памятников археологии, локальные исследования планиграфии, структуры, округи отдельных памятников, в том числе палеореконструкции. Точная георектификация архивных снимков, доступная благодаря современным компьютерным методам обработки, делает реальным полевое изучение и дообследование памятников, потерявших визуальные признаки локализации.
Еще одной областью высокопродуктивного использования архивных данных дистанционного зондирования является отслеживание динамики состояния памятников археологии и природных процессов, как в составе систем археологического мониторинга, так и археологических информационных систем локального и регионального масштаба. Благодаря использованию архивных снимков становится возможным проводить точное картирование памятников и их отдельных элементов, раскопанных в результате археологических исследований второй половины XX века, однако не имеющих точной пространственной привязки, что позволяет восстановить первоначальный облик памятников, утраченный как в процессе хозяйственной деятельности и природных процессов в целом, так и полевого изучения в частности.
В отечественной археологии в качестве источника архивных данных дистанционного зондирования традиционно привлекаются материалы аэрофотосъемки. На этом фоне по большей части незамеченными остаются данные первых аппаратов космического базирования, полученные на заре их применения в 1960-70-е гг. Настоящая статья посвящена рассмотрению данных, полученных в рамках американской космической программы CORONA, и перспективам их применения в археологических исследованиях.
Космическая разведывательная программа CORONA стала первой успешной миссией, в ходе которой были получены серийные снимки поверхности Земли с аппаратов космического базирования. За период функционирования программы с 1960 по 1972 г. было получено в общей сложности около 860 000 снимков (рис. 1), сделанных шестью поколениями (сериями) спутников, для обозначении которых использовалась аббревиатура КН (Keyhole): КН-1, КН-2, КН-3, КН-4, КН4A и КН-4B [USGS, 1998; 2009]. Спутниковые аппараты каждой серии отличаются параметрами использованных фотокамер. С каждой новой серией сенсоров улучшались характеристики камер, стабильность орбиты, качество и разрешение получаемых изображений, длительность пребывания аппаратов в космосе. Спутники CORONA запускались на полярные солнечно-синхронизированные орбиты, что обеспечивало "утренние" часы съемки в ориентировочном интервале с 9 до 11 часов [Андронов, Шевров, 1995] (съемка в утренние часы фиксирует более выраженные тени наземных объектов, что облегчает дешифровку снимков). Угол наклона орбит относительно экватора варьировался от 60 до 100°, благодаря чему снимки имеют преимущественно широтную развертку. Высота орбиты отличается для разных серий спутников и разных миссий и варьируется в пределах от 150 до 460 км, для аппаратов серий КН-4A и КН-4B номинальная высота орбиты была постоянной и составляла 185 и 150 км соответственно. Серии КН-1, КН-2 и КН-3 были снабжены панорамными камерами, в сериях КН-4, КН-4A, КН-4B была использована уже пара камер, снимавших в стереорежиме. Угол обзора камер (полоса сканирования) составляет около 70°, угол наклона камер в стереорежиме - порядка 15°, что обеспечивает суммарный охват стереопары в 30° (рис. 2).
Фокусное расстояние объективов камер спутников CORONA составляет 609,6 мм (24 дюйма), спектральный диапазон 0,5461-0,7100 μm (оптимум - 0,62-0,65 μm), снимки панхроматические.
Технические параметры спутников и фотокамер шести серий программы CORONA обобщены в Таблице 1.
Таблица 1. Технические параметры спутников и фотокамер CORONA
Период полетов Камера Модель камеры Тип съемки Угол обзора Угол стереоохвата Объектив Фокусное расстояние объектива Номинальное разрешение (м) Разрешение пленки (линий/мм) Номинальное покрытие кадра (км)
Номинальный масштаб снимка на пленке Максимальный масштаб без потери четкости Номинальная высота орбиты (км)
Источники данных: [USGS, 2009; Dashora et als., 2007; Gheyle W. et als., 2004].
Важнейшим параметром снимков CORONA является пространственное разрешение. Оно улучшалось по мере развития программы: если сенсоры серий КН-1 и КН-2, снабженные объективами f/5 Tessar, имели разрешение порядка 8-12 м, то со сменой объективов на f/3.5 Petzval оно достигло 2 м в снимках серии КН-4B, в среднем составляя 3-8 м. Тем самым параметры лучших снимков спутников последней серии программы (1967-1972 гг.) вполне сопоставимы с разрешением современных сенсоров космического базирования (рис. 3). Необходимо, тем не менее, указать, что в силу конструктивных особенностей аналоговых камер, разрешение снимка варьируется в его пределах, достигая наибольших значений в центральной области кадра.
Следует отметить, что весь массив снимков программы CORONA в целом неоднороден по качеству материалов. Главной проблемой является наличие облачности, зачастую полностью закрывающей поверхность Земли - на долю таких снимков приходится более 40% всех данных. С другой стороны, большое количество выполненных миссий (миссией в терминологии программы называется жизненный цикл одного спутника, составлявший от 1 до 19 суток) позволяет выбрать данные лучшего качества для интересующего региона, и, как правило, серия безоблачных снимков доступна. То, что программа CORONA являлась разведывательной, служит безусловным преимуществом с точки зрения отечественной археологии - территория бывшего СССР получила наилучшее покрытие.
Поскольку снимки CORONA представляют собой разведывательные данные, то они долгое время были засекречены, однако в 1996 г. гриф секретности был снят, и практически сразу же после этого началось активное использование так называемых данных DISP (declassified intelligence satellite photographs) в научных целях. В течение 10 лет копии снимков для работы можно было получить лишь в Национальных Архивах США, где хранятся оригиналы пленок. Процедура была достаточно трудоемкой, поскольку предполагала изготовление фотографического отпечатка с интересующей пленки с последующим сканированием уже отпечатанной фотографии. Сканирование оригинала не допускалось. Однако в 2006 г. были изготовлены копии пленок всего массива данных и переданы в Геологическую службу Соединенных Штатов (USGS), которая, в свою очередь, обеспечила возможность дистанционного заказа снимков через Интернет по символической цене в $30 за каждую цифровую копию, отсканированную непосредственно с пленки. Максимальное качество сканирования составляет 7 микрон (3600 dpi), что достаточно для получения копии высокого качества. Данные со спутников программы CORONA организованы не по типам сенсоров, а по номерам миссий, перекрестная Таблица 2 позволяет сопоставить последние с конкретной серией камер.
Количество успешных миссий (запусков) Успешные миссии Количество снимков для Европейской части РФ*
Сервер Геологической службы позволяет производить поиск снимков по географическим координатам интересующей области и ряду дополнительных параметров (http://edcsns17.cr.usgs.gov/EarthExplorer/). В силу того, что более чем 40% снимков имеют дефекты в виде существенной облачности, большое значение имеет возможность предварительного просмотра копии низкого разрешения и рамки снимка (footprint) на современной карте. Отметим, что проведенная в целях каталогизации коллекции CORONA автоматизированная геопривязка снимков, охватившая 98% материала, позволяет определить лишь примерные координаты углов отдельного кадра со стандартной ошибкой около 15 км [USGS, 2009].
Каждая пленка имеет легенду, сохраняемую на ней при сканировании. В легенде указаны основные параметры кадра (см. рис. 4): дата съемки, номер миссии, номер витка (пролета), тип кадра стереопары (AFT - снимок назад, FWD - снимок вперед) и направление полета спутника (A - ascending, т.е. с юга на север, D - descending, т.е. с севера на юг).
Снимок CORONA, полученный с сервера Геологической службы, представляет собой обычный растровый файл достаточно большого объема без какой-либо пространственной и географической привязки, обычно сопровождающей данные современных сенсоров космического базирования. Практическое использование снимков CORONA возможно только после проведения достаточно трудоемкой процедуры ректификации. Снимки CORONA имеют достаточно большие геометрические искажения, вызванные целым рядом факторов. Основным, безусловно, является использование широкоугольной панорамной камеры с углом охвата более 70°. Помимо оптических искажений как таковых, дополнительные нарушения геометрии создаются благодаря тому, что за время полного экспонирования широкого кадра спутник успевал пролететь около 4 км (рис. 5). В ходе реализации программы CORONA сенсоры все время усовершенствовались, что, в конечном счете, позволило частично устранить искажения, вызванные хроматической аберрацией, присущей ранним версиям объективов, и несколько компенсировать эффект движения спутников. Тем не менее, наиболее совершенные снимки, сделанные камерами KH-4A и KH-4B, искажены достаточно сильно: прямоугольный кадр фиксирует на поверхности Земли фигуру в форме галстука-бабочки (см. рис. 2). Для устранения искажений полного кадра используется достаточно сложная математическая модель, предложенная недавно [Shin, 2003]. Однако в случаях, когда требования к точности георектификации не очень строги, прямолинейная триангуляция полного кадра с использованием контрольных точек позволяет добиться приемлемого результата, в том числе осуществить мозаицирование последовательных снимков одной миссии (рис. 6).
Наиболее эффективный способ обойти искажения снимка состоит в его разделении на отдельные условные кадры, в пределах которых геометрическая дисторсия уменьшается на порядок. Благодаря использованию этого приема можно добиться высокой точности геопривязки, не прибегая к сложной математической модели (рис. 7). Среднеквадратическая ошибка при ректификации условных кадров снимка методом полиномиальной коррекции 2-3 степени, по опыту автора, находится в пределах 0,3-1,0 м. Таким образом, коррекция отдельных участков полного кадра по опорным точкам обеспечивает высокую точность позиционирования и является альтернативой деформации снимка по математической модели.
Отбор опорных точек для архивных данных 40-50-летней давности представляет определенные сложности - на поверхности Земли сохранилось не так много объектов, не изменивших за это время своей конфигурации, которые можно однозначно идентифицировать как на снимке CORONA, так и сейчас - на местности либо на современном снимке высокого разрешения. Наиболее надежными реперами служат сами объекты изучения - памятники археологии. Практический опыт показывает, что также эффективны в использовании пересечения дорог, особенно железнодорожных веток, и, в определенной мере, отдельные постройки, сохранившие свой облик. Тем самым ректификация снимков, захватывающих области с развитой транспортной инфраструктурой либо стационарной застройкой, в целом проще, чем снимков местности мало затронутой деятельностью человека.
Можно предложить два алгоритма формирования базы опорных точек: по имеющемуся снимку высокого разрешения и путем непосредственного определения координат с помощью GPS-оборудования.
Оптимальным способом по соотношению точности результата к затратам труда и времени является ректификация условного кадра снимка CORONA по имеющемуся современному георектифицированному снимку высокого разрешения, такому как QuickBird, WorldView, SPOT и т.п. Немаловажно, что базовый снимок не обязательно приобретать. Массивы данных, предоставляемые сервисами Google Earth™, Virtual Earth™, Космоснимки.ру обеспечивают хорошее покрытие снимками высокого разрешения для территории бывшего СССР. При правильном учете особенностей проекции данных, используемых названными серверами, точность привязки не будет отличаться от результата, получаемого при использовании коммерческих продуктов. Необходимо отметить, что снимки, предоставляемые сервером Космоснимки.ру имеют более низкое разрешение по сравнению с репозитарием Google Earth™ и Virtual Earth™, однако, благодаря особому алгоритму загрубления, выделяющему транспортную сеть, обеспечивают высокое качество ректификации данных CORONA.
Для привязки снимков территорий, мало освоенных человеком, может не хватить точек, полученных при помощи георектифицированных современных данных. В этом случае необходимо получение координат опорных точек с помощью GPS-приемников. Фактически единственным типом однозначно идентифицируемых объектов в этом случае остаются памятники археологии. Подобная стратегия определения опорных точек привязки уже неоднократно использовалась в практике применения данных CORONA в археологии и доказала свою эффективность [Gheyle et als., 2004].
Потенциал снимков CORONA с точки зрения их дешифровки достаточно велик. Данные, полученные с помощью последних аппаратов программы - KH-4, KH-4A и KH-4B, имеют высокое даже по современным меркам разрешение и позволяют определить на поверхности Земли объекты поперечником до 1,5 м. Условия освещенности, тип растительности, качество снимка (очень неоднородное не только для разных миссий и витков, но даже в пределах одного кадра), тип самих археологических объектов и их контрастность оказывают серьезное влияние на успех дешифровки. Практический опыт автора показывает, что номинальный предел разрешающей способности снимков CORONA вполне достижим для данных высокого качества. Примеры дешифровки снимков CORONA приведены на рис. 8, 10.
Неоспоримым достоинством данных CORONA является возможность их использования для построения цифровых моделей рельефа (ЦМР) [см. например: Altmaier, Kany, 2002; Cassana, Cothren, 2008; Mészáros et als., 2008]. Стереорежим съемки, примененный в сенсорах серий KH-4, KH-4A и KH-4B, создает для этого все предпосылки. Достаточно трудоемкий процесс создания ЦМР, связанный с необходимостью устранения упомянутых выше искажений исходных данных, тем не менее, компенсируется их доступностью. Учитывая высокую стоимость данных таких сенсоров как SPOT, традиционно используемых для создания ЦМР высокого разрешения, применение снимков CORONA является достойной альтернативой коммерческим продуктам (рис. 9). В общих чертах процесс создания ЦМР на основе данных CORONA предполагает два этапа обработки исходных снимков: первоначальную плоскостную георектификацию по одному из описанных выше алгоритмов и формирование базы опорных высотных точек по уже привязанному снимку с помощью полевых GPS-измерений. Рядом исследователей было предложено использование данных SRTM для трехмерного позиционирования опорных точек, что представляется достаточно спорным, поскольку не позволяет получить результат более высокого качества, чем исходные данные SRTM. В этом смысле снимок CORONA может быть наложен (драпирован) непосредственно на SRTM-матрицу.
За период существования программы с 1959 по 1972 г. сенсоры прошли достаточно большой эволюционный путь развития: качество данных последней серии спутников KH-4B намного превосходит данные начального этапа программы. Наряду с улучшением качества данных со сменой серий спутников происходит увеличение площади их покрытия (Табл. 2), что делает использование снимков сенсоров KH-4A и КН-4B не только желательным, но и возможным практически для любой точки на территории Европейской части России.
Безусловно, данные CORONA имеют ряд недостатков, неизбежных в ходе реализации программы методом проб и ошибок, сопровождавших становление современной космической съемки поверхности Земли. К счастью, недостатки и погрешности данных во многом компенсируются их объемом и применением методов компьютерной обработки:
1. Очень неравномерное качество исходных материалов и высокий процент облачных снимков. В то же время широкая площадь покрытия и многократные дублирующие пролеты в значительной мере компенсируют этот недостаток.
2. Высокий процент геометрических искажений снимков, затрудняющих их обработку, что также может быть компенсировано правильной методикой и современными компьютерными алгоритмами.
3. Моноспектральность снимков, сужающая набор инструментов дешифровки.
Обобщая основные достоинства данных, предоставляемых программой CORONA, можно констатировать:
1. Высокое качество снимков, улучшающееся по мере смены серий спутников в ходе реализации программы. Наилучшие снимки сенсора KH-4B достигают пространственного разрешения в 1,8 м. Размеры реально дифференцируемых объектов на таких снимках имеют в поперечнике до 1,2-1,5 м.
2. Низкую стоимость получения данных - около одного цента за кв. км, что намного меньше стоимости коммерческий продуктов современных сенсоров высокого разрешения.
3. Широчайшую площадь покрытия в силу разведывательного характера программы, накрывающую практически любую точку на территории бывшего СССР.
4. Возможность создания ЦМР более высокого разрешения, нежели при использовании данных SRTM. Детализация ЦМР на основе данных CORONA аналогична съемке масштаба 1 : 10 000.
5. Уникальным достоинством снимков программы CORONA является их историчность. В рамках реализации программы была зафиксирована поверхность Земли по состоянию на 1960-1972 гг., в большинстве случаев до того, как процессы масштабного антропогенного воздействия в буквальном смысле стерли с лица земли значительное количество археологических памятников. Использование данных CORONA в отечественной археологии позволяет повторно ввести их в научный оборот на современном уровне методов и технологий.
Литература
Андронов А., Шевров Р., 1995. Американские космические системы видовой разведки // Зарубежное военное обозрение, №2. назад
Altmaier A., Kany C., 2002. Digital surface model generation from CORONA satellite images // ISPRS J. Photogramm. Remote Sensing. 56. назад
Cassana J., Cothren J., 2008. Stereo analysis, DEM extraction and orthorectification of CORONA satellite imagery: archaeological applications from the Near East // Antiquity. 82. назад
Dashora A., Lohani B., Malik J. N., 2007. A repository of earth resource information - the Corona satellite programme // Current Science. 92/7. назад
Gheyle W., Trommelmans R., Bourgeois J., Goossens R., Bourgeois I., De Wulf A., Willems T., 2004. Evaluating CORONA: a case study in the Altai Republic (South Siberia) // Antiquity. 78. назад
Goossens R., De Wulf A., Bourgeois J., Gheyle W. et als., 2007. The Frozen Tombs of the Altai Mountains Inventarisation and Conservation // Proceedings XXI International CIPA Symposium (2007). Athens. Internet: http://cipa.icomos.org/ATHENS.html назад
Mészáros M., Szatmári J., Tobak Z., Mucsi L., 2008. Extraction of Digital Surface Models from CORONA Satellite Stereo Images // Journal of Env. Geogr. Vol. I. No. 1-2. назад
Shin S. W., 2003. Rigorous model of panoramic camera, Ph D dissertation, Department of Civil and Environmental Engineering and Geodetic Science, Ohio State University, United States. Internet: http://etd.ohiolink.edu/view.cgi?acc_num=osu1048869881 назад
USGS, 1998. Declassified Intelligence Satellite Photographs - FS090-96 (February 1998). Internet: http://egsc.usgs.gov/isb/pubs/factsheets/fs09096.html назад
USGS, 2009. Declassified Satellite Imagery - 1 (1996). Internet: http://eros.usgs.gov/#/Find_Data/Products_and_Data_Available/Declassified_Satellite_Imagery_-_1 назад