Идентификация археологических объектов на данных ДЗЗ. Проблемы и возможные методы решения

Д.В. Вальков

ООО НПЦ «Универсальные технологии и разработки»

 

В настоящее время использование данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) для поиска различных археологических объектов перешло из разряда экзотических процедур в повседневную составляющую полевой и камеральной археологической практики. Такому положению дел способствовало, с одной стороны, появление бесплатных и простых в управлении геосервисов типа Google Earth и SAS.Planet, которые де-факто стали стандартом в самых широких кругах как археологов, так и профессиональных проектировщиков и геодезистов в качестве мобильного подспорья для ориентирования на местности и подготовки топопланов. С другой стороны - международная группировка из нескольких десятков космических аппаратов (КА) сформировала огромный архив данных ДЗЗ сверхвысокого разрешения практически на любой участок суши. Однако, нарастающее разнообразие и легкодоступность предлагаемых данных ДЗЗ не снимает главной проблемы – отработки методики поиска на этих снимках необходимых археологических объектов. Всем специалистам хорошо знакома как и первая эйфория от опознания «своих», хорошо известных памятников на космическом снимке «от Google», так и нарастающая озабоченность – когда хорошо заметный в поле археологический памятник на свободно распространяемых космоснимках почему-то не выделяется, либо когда условия, при которых археологический объект оказался виден,  неочевидны. Кажется, что набор условий для получения информативного космоснимка достаточно прост, во всяком случае, для поиска такого определенного типа археологических объектов как земляные курганные насыпи лесостепного-степного пояса нашей страны. Однако, повседневная полевая практика показывает, что сверхвысокое разрешение, отсутствие растительности и глубокого снежного покрова, распаханная почва не являются достаточными условиями для достижения положительных результатов подобного поиска.

В качестве примера приведем курганный могильник «Средняя Солонцовка-8», находящийся в 2 км к востоку от села Средняя Солонцовка Красноярского района Самарской области. Могильник состоит из трех курганов, две насыпи которых имеют диаметры порядка 26 м и 40 м, при высоте до 1 м. Курган № 3 сохранил диаметр 16 м и высоту менее 0,3 м, но визуально также определяется, особенно хорошо после распашки – за счет более светлых грунтов, слагающих насыпь. Сравнение четырех снимков с геосервера Google демонстрирует совершенно разную их информативность, без явной зависимости от наличия растительного покрова и распашки (рис. 1).

Следующий шаг - это переход от использования свободно распространяемых, но загрубленных и испорченных автоматической цветокоррекцией космоснимков к приобретению оригинальных продуктов. Однако, особенностью работы с сервисами заказа данных ДЗЗ от компании Digital Globe или «Совзонд» является выбор снимка по предварительному сверхмалому изображению (preview). Весьма велика вероятность, что, выбрав безоблачный, утренний preview распаханного поля, на полноценном кадре многоканального снимка исследователь не обнаружит прироста информации даже после обработки в профессиональном ПО. В качестве примера приведем курганный могильник «Сосновка-2», находящийся в 1 км к востоку-юго-востоку от с. Сосновка Безенчукского района Самарской области. Это один из самых многокурганных памятников археологии изучаемого региона – по итогам картирования, проведенного в 1994 г., в его составе было учтено 69 насыпей (рис. 2). При визуальном осмотре оказалось, что в настоящее время восточная часть поля заброшена и покрыта высоким многолетним бурьяном, а западную часть занимают всходы подсолнечника. На свободно доступных космических снимках в лучшем случае прочитывалось несколько наиболее крупных насыпей, хорошо заметных даже в подсолнечнике и среди бурьяна (рис. 3). На данную территорию был приобретен мультиспектральный снимок, выполненный со спутника Quickbird-2, оказавшийся еще менее информативным – даже в западной части курганного поля, на свежей распашке, курганные насыпи диаметром до 30 м и высотой до 1 м оказались не видны (рис. 4).

Гораздо более информативными выглядят архивные аэрофотоснимки, выполненные в 1942-1943 гг. самолетами стратегической воздушной разведки из состава отдельной эскадры «Разведывательная группа главнокомандования люфтваффе» (Aufklärungsgruppe des Oberbefehlshabers der Lüftwaffe — Aufkl. St. (F)/Ob. d. L), иначе известная как «группа Ровеля». На аэрофотоснимке, получившем пространственную привязку к современной системе координат, распознаются отдельные курганы даже на нераспаханном поле, а также не выявленные в 1994 г. (рис. 5). Достойным удивления оказалось не столько высокое качество кадра, выполненного с большой высоты, сколько интенсивность пролетов фоторазведчиков люфтваффе в глубину территории СССР. К недостаткам этих аэрофотоснимков можно отнести только узкий временной и территориальный охват пилотов «группы Ровеля». Автор считает своим приятным долгом высказать особую благодарность М.О. Жуковскому, оказавшему помощь в приобретении серии аэрофотоснимков на территорию Среднего Поволжья.

Однако, большая часть курганных насыпей (диаметром от 12 до 20 м и высотой до 0,5 м) все равно оказалась неразличимой на указанных снимках, поэтому был приобретен космический снимок видовой разведки ВВС США, полученный по программе CORONA со спутника KH-4В [Жуковский, 2010]. На панхроматическом снимке, пространственно привязанном к современной системе координат, отчетливо распознаются не только курганные насыпи, соответствующие плану 1994 г., но и дополнительные, подтвержденные современным визуальным осмотром местности (рис. 6, 7).

Собирая похожим образом подборку разнородных данных ДЗЗ, пытливый исследователь в конечном итоге получит требуемый результат, но на сравнительно небольшой участок местности и небыстро. Если имеется запас времени и бюджета, то последовательный выбор и приобретение разновременных космоснимков и/или изображений с разных сенсоров окажется правильной исследовательской стратегией, позволяющей лучше обследовать ландшафт или определить динамику некоторых природных и антропогенных процессов.

Однако, при работе с большими площадями, в условиях ограниченного времени или скромного финансирования требуются более эффективные решения. Такого рода задачи часто стоят перед проведением охранно-разведочных мероприятий, предшествующих строительной деятельности, при проведении мониторинга состояния объектов археологического наследия, а также при составлении различных региональных археологических карт и ГИС. В таких проектах исследователь просто не имеет права сосредоточиться на выявлении отдельных, уверенно идентифицируемых или просто «любимых» археологических объектов – ему требуется максимальная эффективность, а зачастую и оперативность. Поэтому последовательное приобретение малоинформативных космоснимков на большую изучаемую территорию способно скомпрометировать такой подход. Объективный тренд развития полевой археологии и охраны историко-культурного наследия требует разработки инструмента повседневной археологической практики, помимо эффектных, но единичных ГИС-проектов. В определенный момент большинство исследователей начинает ощущать потребность в организованной методике, включающей выбор данных ДЗЗ, набор признаков археологических объектов, оптимальные алгоритмы их выявления на снимках и верификации в поле, вплоть до подбора программного продукта, удовлетворяющего критерию цена/качество.

Сразу оговоримся - при разработке таких методик практически невозможно вести речь обо всех памятниках археологии. Все разнообразие поселенческих, погребальных, производственных, фортификационных, ритуальных и иных типов памятников археологии, широко представленных на огромной территории РФ, требует индивидуальных подходов. Фактически, каждый исследователь должен быть вооружен методикой поиска археологических объектов своей сферы интересов и компетенции. В данной статье мы ведем речь о погребальных сооружениях курганного типа, распространенных в лесостепной-степной полосе Среднего Поволжья. Именно в ходе поиска и верификации «земляных объектов в земле», была отчетливо сформулирована потребность в такой методике и понимание всей сложности ее разработки.

На наш взгляд, приоритетная проблема заключается в разработке эффективной методики выбора данных ДЗЗ, позволяющей избежать временных и финансовых потерь. Для этого требуется, в первую очередь, определить условия, при которых получаются наиболее археологически информативные данные ДЗЗ. Иными словами, с какого сенсора, в какое время дня и года, при каком состоянии почвенного покрова можно выявить на снимке вполне определенный тип археологических объектов в конкретном регионе страны. Формализация этих условий – весьма непростая задача.

Если на свободно доступных космоснимках желаемые археологические объекты видны, то исследователь практически не имеет возможности получить или вычислить точные метаданные, включающие время съемки, угол наклона сенсора КА, угол падения солнечных лучей, влажность и состояние почвы, атмосферы и иные данные, важные для обработки снимков профессиональными методами. При работе с оригинальными космоснимками возникает обратная проблема – имея подробные метаданные, исследователь чаще всего не может разглядеть на preview объекты своего интереса!

В определенный момент у археологов, особенно не специализирующихся в сфере анализа ДЗЗ, возникает соблазн переложить это бремя на плечи профессионалов отрасли обработки и дешифрирования данных ДЗЗ, представленных в нашей стране несколькими очень серьезными организациями. ООО «Совзонд», АО РКЦ «Прогресс», ООО ИТЦ «Сканэкс» обладают обширными архивами данных ДЗЗ, профессиональными программными комплексами и опытными специалистами, среди которых встречаются энтузиасты археологии. Статья, опубликованная коллективом самарских исследователей является примером подхода профессионала в области дешифровки ДЗЗ в сочетании с верификацией результатов на местности силами археологов [Антимонов и др., 2015].

В качестве объекта дешифрирования коллективом авторов был выбран курганный могильник «Новоберезовский-1», находящийся в 1 км к северо-северо-западу от пос. Новоберезовский Волжского района Самарской области. Памятник был открыт в 1990 г. А.Ф. Кочкиной, которая зафиксировала в его составе 4 кургана (рис. 8, а). В 1998 г. курганы № 2 и № 4 были раскопаны, а в 2014 г. группа вышеуказанных исследователей провела тематическое дешифрование космического снимка этой местности и верификацию результатов в поле (рис. 8, б; 9). Методика дешифрирования приведена в цитированной выше статье. Ее суть заключалась в том, что космический снимок из сети Интернет сначала был подвергнут гистограммной и тоновой коррекции. С какого КА был взят обработанный снимок, не упомянуто, не приводится также иллюстрации снимка до обработки. Затем было получено индексное изображение, в соответствии с авторской методикой. Выявленные на полученном псевдоанаглифическом изображении аномалии были осмотрены на местности (рис. 9). В статье не указаны условия, при которых производился осмотр местности, и данные о состоянии почвенного покрова.

По итогам натурного обследования было подтверждено, что светлые, окруженные ровиками «аномалии», интерпретируемые на изображении как курганы, соответствуют реальным курганам № 1, 3 и вновь выявленному кургану № 5, не обнаруженному исследователями 1990 и 1998 гг. Другим «аномалиям» – № 1-7 – археологи обнаружить соответствия в рельефе местности не смогли. Исследователи делают вывод, что это, возможно, полностью распаханные курганы, идентификация которых потребует проведения раскопок.

Со своей стороны позволим предположить, что возможности анализа данных ДЗЗ на этот участок местности еще не исчерпаны, и предлагаем свои более простые наблюдения, не требующие глубокой обработки ДЗЗ и предваряющие возможные дорогостоящие раскопки.

С 2006 г. коллектив исследователей НПЦ «Универсальные технологии и разработки» последовательно разрабатывает собственные методики поиска погребальных памятников курганного типа методами ДЗЗ. К настоящему времени сформулирован следующий алгоритм разработки подобной методики. Перед проведением любых разведочных исследований производится просмотр всех свободно доступных космических снимков не только обследуемого участка местности, но и ближайшей округи в радиусе нескольких километров. Выявленные почвенные структуры отмечаются в ГИС SAS.Planet и верифицируются в ходе полевого обследования. В случае верификации почвенной структуры как кургана, в базу данных заносятся все доступные космические снимки, вне зависимости от того, виден на них опознанный курган или нет. Далее с помощью каталогов архивной съемки USGS Earth Explorer и «Совзонд» производится определение дат снимков и тип КА, с борта которого они были выполнены. Это наиболее трудоемкая процедура позволяет в дальнейшем перейти к определению параметров почвенного покрова, при которых курганные насыпи выделяются. Также на снимках определяется набор визуальных дешифровочных признаков, по которым можно идентифицировать курганные насыпи при различных условиях почвенного покрова. К настоящему время более чем на 50 курганных могильников, расположенных в лесостепной-степной полосе Самарской и Оренбургской областей, собраны серии космических снимков свободного доступа различной степени информативности. В выборку включаются только надежно идентифицированные курганы, на которые можно подобрать два и более космоснимка. По мере возможностей, они дополняются космоснимками видовой разведки ВВС США, полученными по программе CORONA, и кадрами архивной аэрофотосъемки, выполненной в 1942-1943 гг. «группой Ровеля». Большинство этих курганных могильников было осмотрено на местности, особое внимание обращается на так называемые «почвенные структуры» – выделяющиеся на снимках зоны контрастной пикселизации.

Курганный могильник «Новоберезовский-1» был включен в эту БД, поскольку на этот участок местности доступно порядка 10 разновременных космических снимков, а также снимки из двух миссий по программе CORONA. Вместе с планом 1990 г. и опубликованным результатом тематического дешифрования, выполненного группой Н.П. Антимонова, они были трансформированы в единую проекцию и систему координат. Первый полученный нами вывод – на большинстве свободно доступных космических снимков достаточно легко распознаются курганы № 1 и 3. Остальные почвенные структуры менее уверенно видны на некоторых снимках (предоставлены Интернет-сервисами Here.com, Bing, ArcGIS World Imagery), также не требующих дополнительной обработки (рис. 11).

Наиболее информативным представляется снимок со спутника видовой разведки ВВС США KeyHole 4B от 12 августа 1968 г. (рис. 10) и космический снимок, представленный сервисом ArcGIS World Imagery (рис. 11). Помимо несомненных курганов № 1 и 3 на снимке спутника КН 4В можно обнаружить еще порядка 10 почвенных структур (п/с), среди которых также присутствуют «кольцевые» (п/с 4, п/с 6 или п/с 5; локализация последней почти точно соответствует «аномалии 7», выявленной по итогам дешифрирования Н.П. Антимоновым). Однако, почему методу дешифрирования по визуальным признакам в данном случае мы отдаем предпочтение перед программно обработанным кадром? Местоположения выделяемой на снимке КН 4В почвенной структуры «п/с 7» соответствует кургану № 4, а «п/с 8» – кургану № 2, которые реально существовали и были раскопаны в 1998 г. Местоположение выделяемой на снимке КН 4В «п/с 9» соответствуют кургану № 5, выявленному в 2014 г.

На снимке, представленном сервисом ArcGIS World Imagery также уверенно выявляются курганы № 1 и 3, менее четко – раскопанные курганы № 2 и 4, а также обнаруженный в 2014 г. курган № 5. Для почвенных структур 1-4 и 6 со снимка спутника КН 4В никаких аналогий не прослеживается. С несущественными вариациями данные наблюдения характерны для всех космических снимков свободного доступа. В процессе исследования 2014 г. в рельефе на местах выявления «п/с 1-4 и 6» также ничего не обнаружено.

С другой стороны, «аномалиям 1-4», заявленным по итогам дешифрирования Н.П. Антимоновым, соответствуют либо аморфные зоны более светлой пикселизации со снимка спутника КН 4В, либо общая негомогенность отображаемой фактуры пашни на снимке, предоставленном сервисом ArcGIS World Imagery. Натурными изысканиями 2014 г. эти аномалии также не были подтверждены.

Таким образом, на основании только визуального анализа двух разновременных космических снимков получены взаимнопроверяемые локализации курганов, подтвержденные независимым натурным обследованием и раскопками. Поэтому, на данной поисковой стадии следует остановиться. Как уже стало понятно, практически на каждом космоснимке можно распознать изрядное число аномалий неизвестной нам природы. Однако их нельзя идентифицировать как курганы без объективных оснований.

Проведенный нами анализ разновременных космических снимков без применения дополнительной обработки совершенно не умаляет выводы, сделанные группой исследователей под руководством Н.П. Антимонова. Явные курганы таковыми и остались, подозрительные частично определились как ранее раскопанные, частично отсеялись как аберрации либо как объекты, неидентифицируемые в рельефе. Визуальный анализ аналоговых архивных аэрофото- и космоснимков заметно увеличил число подозрительных объектов, требующих тщательного обследования на местности в том числе и неразрушающими методами – например, георадарного или магнитометрического обследования.

Выводы:

- приоритетным направлением является формулирование системы формализованных признаков, позволяющих подбирать данные ДЗЗ, пригодные для эффективного выявления основных типов археологических памятников;

- эти признаки включают: параметры выполнения космической съемки, состояния почвенного покрова, характеристики растительности, цветовая характеристика искомых археологических объектов и незатронутой почвы за их пределами;

- такие системы формализованных признаков необходимо формулировать для основных типов археологических памятников в пределах компетенции соответствующего исследователя;

- полученное индексное изображение, либо иным образом обработанный космический снимок, полученный с помощью Интернет-сервисов, не обладает заметным информационным преимуществом перед таким же, но необработанным;

- практически любые манипуляции с «неудачными», пусть даже приобретенными у специализированных компаний, данными ДЗЗ, не приводят к получению новой информации, а привлечение профессионального ПО не всегда позволяет улучшить ситуацию;

- на текущий момент наиболее информативными являются панхроматические аналоговые архивные космоснимки программы CORONA и аэрофотоснимки люфтваффе, как с точки зрения возможности распознавания археологических объектов, так и в силу их большей архивной глубины.

 

Литература

Антимонов Н.П., Багаутдинов Р.С., Мышкин В.Н., Трибунский С.А., 2015. О некоторых аспектах исследования степных курганных могильников по данным дистанционного зондирования Земли // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Том 17. № 3-1. С. 281-286. назад

Жуковский М.О., 2010. Использование данных спутников CORONA в археологических исследованиях // Археология и геоинформатика / Отв. ред. Д.С. Коробов. Вып. 6. [Электронный ресурс]. М.: ИА РАН (CD-ROM). назад