Применение квадрокоптера для аэрофотосъемки в археологических исследованиях

В.А. Гнера

Институт археологии НАНУ, Киев (Украина)

Традиционным инструментом дистанционного изучения археологических памятников является аэрофотосъемка. В данном исследовании аэрофотосъемка представлена в новом формате и с использованием последних разработок в профессиональном производстве дистанционно управляемых летательных аппаратов (квадрокоптеров, дронов), что в современных условиях приобретают популярность для решения широкого круга научных задач [Гнера, 2014. С. 16–25].

Рассмотрим использование квадрокоптера DJI Phantom 3 Professional (возможно применение и других дронов) для ситуативной аэрофотосъемки в рамках археологических исследований.

DJI Phantom 3 Professional (рис. 1) оборудован 12-мегапиксельной камерой (F/2.8 объектив, угол обзора 94 градуса) с возможностью съемки FHD:1920 × 1080p 24/25/30/48/50/60, HD:1280 × 720p 24/25/30/48/50/60 и видеозаписи UHD:4096 × 2160p 24/25, 3840 × 2160p 24/25/30. Безопасность и стабилизацию камеры обеспечивает трехосевой карданный подвес, который удерживает камеру горизонтально в любых условиях полета. Вдобавок благодаря подвесу камеру можно вращать на 120 градусов. Управление камерой и изменение настроек квадрокоптера доступно непосредственно из приложения DJI GO (рис. 2), установленного на смартфоне или планшете. Это приложение дает: возможность выбора лучших кадров с помощью видеоредактора, прямую трансляцию полета на канале YouTube, эффективное управление камерой, контроль полета. Отснятый материал и полная летная телеметрия автоматически сохраняются на карту памяти. Квадрокоптер оборудован системой GPS (ГЛОНАСС), компасом, гироскопом, акселерометром, альтиметром и другими системами для надежного пилотирования. Управление полетом осуществляется с помощью пульта дистанционного управления. Phantom 3 Professional также оснащен системой оптического позиционирования. Это помогает использовать его в помещениях или на открытой местности, на малой высоте. Благодаря оптическим датчикам дрон точно определяет свое положение в воздухе и летит от одной точки к другой абсолютно безопасно. Еще у этого квадрокоптера есть возможность интеллектуального полета – режимы: POI (точка интереса), Follow me (следуй за мной), Waypoints (полет по точкам), IOC (удержание курса и фиксации домашней точки). Максимальная дальность полета составляет 2000 м (на открытой местности без препятствий и помех), высота до 500 м, продолжительность около 23 минут [DJI Phantom 3 Professional].

Определим основные функциональные возможности применения квадрокоптера для аэрофотосъемки в археологических исследованиях:

- оперативная аэрофотосъемка больших и малых площадей;

- проведение плановой аэрофотосъемки (надир – вертикально вниз), перспективной съемки (под углом к горизонту);

- поэтапный мониторинг, осмотр и фиксация изменений в объектах;

- низковысотная съемка – позволяет снимать на высотах от 2 до 500 метров;

- высокое разрешение фотоснимков и качественное видео в формате 4К;

- аэрофотосъемка в условиях сложной городской застройки;

- съемка объектов в закрытом пространстве (пещера, церковь, дом, ангар и т.д.);

- создание панорамных аэрофотоснимков (вплоть до сферических 360-градусных панорам);

- фото- и видеооблет вокруг объекта (360 градусов);

- преобразование аэрофотоснимков в фотограмметрические данные, построение 3D-моделей объектов и памятников истории;

- создание с помощью программного обеспечения ортофотопокрытия территории;

- формирование ортофотоплана (фотографический план местности на точной геодезической основе);

- аэрофотоснимки как основа для археологической и охранной документации.

Вышеупомянутые возможности квадрокоптера применялись автором для ситуативной аэрофотосъемки в археологических исследованиях на протяжении трех лет (разведка, стационарные раскопки, городская археология, мониторинг памятников культурного наследия, фотограмметрия). Опираясь на накопленный опыт, рассмотрим поподробнее примеры применения дрона в археологической практике.

Археологическая разведка. Использование аэрофотоснимков, сделанных с помощью квадрокоптера, в начале археологической разведки значительно ускоряет процесс исследования намеченной территории. Обычный аэрофотоснимок земной поверхности при условии качественного дешифрирования (отделения элементов изображения с признаками антропогенного характера) дает значительные преимущества для поиска археологических памятников [Шишкин, 1982. С. 235–242]. Снимки с воздуха дополняют снимки с земли, что дает комплексное представление о памятнике.

Квадрокоптер успешно применялся для ситуативной аэрофотосъемки в 22 полевых разведках. Ярким примером являются фото- и видеосъемка в Одесской области в районе с. Криничное. Во время археологической разведки в августе 2015 г. с помощью высотных аэрофотоснимков и их дешифрирования при помощи «растительных маркеров» [Фаган, ДеКорс, 2007] были обнаружены объекты, относящиеся к поселению античного времени. Данные, полученные при интерпретации аэрофотоснимка, подтвердились при наземном обследовании и шурфовке (рис. 3).

В сентябре 2016 г. проводилась повторная аэрофотосъемка, при которой эти объекты с воздуха уже выглядели в другом цветовом формате и стали практически незаметны. Следовательно, для проведения качественной разведки необходимо осуществлять разновременную аэрофотосъемку. Там, где не удалось обнаружить археологический объект (по первичным или вторичным дешифрующим признакам), фотоснимки нужно дополнительно обрабатывать в графическом редакторе. Такая обработка дает основания для более углубленного поэтапного дешифрирования аэрофотоснимков памятника.

Стационарные археологические раскопки. Материалы низковысотной аэрофотосъемки (фиксированная съемка с разных высот) использованы в изучении 18 стационарных раскопок. Аэрофотоснимки позволили дополнительно определить различные детали, которые отдельно или вместе помогают выявить особенности состояния памятника.

В качестве примера рассмотрим аэрофотосъемку раскопа курганов VII–III вв. до н.э. в районе с. Котельва Полтавской обл. (рис. 4) и раскопа трипольского поселения «Легедзино», Черкасская обл. (рис. 5). На данных участках была фотографически зафиксирована площадь раскопа с определенной высоты. Это послужило основой для создания сводных планов объектов, раскопанных в ходе предыдущих полевых исследований. Также важно упомянуть о возможности построения трехмерных моделей раскопа на геодезической основе, что позволяет точно привязать археологические объекты в системе координат местности.

Использование квадрокоптера дает возможность сделать дистанционное исследование более результативным, поскольку подобная техника обеспечивает незамедлительное получение пространственных данных для изучения и документирования археологических раскопок.

Археологические исследования в городах. Ситуативная аэрофотосъемка с помощью квадрокоптера также подтвердила свою целесообразность использования при исследовании памятников в современной городской застройке. Особенно она необходима для получения общей фотографии площади, на которой производятся исследования, когда это невозможно сделать с земли (часть общей картины раскопа объектов не попадает в объектив).

Проанализируем несколько примеров из практики использования фото- и видеосъемки квадрокоптером в 42 археологических спасательных экспедициях. Аэрофотосъемка проводилась в несколько этапов: перед началом раскопок, в процессе их проведения и в конце. Таким образом в г. Киеве на раскопках по адресам ул. Кирилловская (объекты X–XIХ вв. – рис. 6) и ул. Кудрявская (объекты Х–XIII вв. – рис. 7) были выполнены плановые снимки площадей раскопок с прилегающей территорией. Рассмотрена перспектива будущих исследований по фотоснимкам частично выявленных объектов, особенно с низких высот (5–10 м).

Полученные во время аэрофотосъемки раскопок результаты предоставляют дополнительную информацию для исследовательской работы на памятниках археологии в условиях города. Фотографии с высоты птичьего полета позволяют оперативно определить расположение наиболее информативных объектов, исследование которых необходимо для датировки и культурно-исторической идентификации памятника. Также в виде цифровой модели памятника сохраняется максимум информации об объектах, которые будут разобраны в процессе археологических исследований [Bogacki, 2016]. Такие снимки можно использовать для визуализации существующих и разрушенных объектов на данной территории в контексте современной застройки.

С 2015 г. квадрокоптер используется как обязательный элемент в городской археологии при проведении спасательных работ в г. Киеве. Полученные аэрофотоснимки войдут в электронную карту археологических памятников города.

Съемка на памятниках культурного наследия. Аналогичным образом рассмотрим возможности аэрофотосъемки с квадрокоптера в качестве инструмента мониторинга (аэромониторинга) для сбора данных о внешнем виде поселений, городищ, курганных насыпей, памятников архитектуры и местах их расположения в современном ландшафте.

Квадрокоптер был использован для аэрофото- и видеомониторинга на 32 археологических памятниках. В качестве примера выделим: городище с поселением IX–XIII вв., Киевская обл. (рис. 8) и курганный могильник IX–XIII вв., Житомирская обл. (рис. 9). Осуществлена плановая и перспективная аэрофотосъемка с разных высот и под разными углами, вдобавок проведен общевидовой облет памятников археологии.

Аэромониторинг на вышеупомянутых объектах дал полную картину топографии памятников, что позволило наглядно увидеть расположение их отдельных составляющих. Возможно осуществление постоянного надзора за состоянием и режимом использования памятника, а также своевременной фиксации и реагирования на антропогенные изменения на их территории. Таким образом выполняется первоочередная задача по фиксированию и накапливанию информации об археологических памятниках и их распределении в пространстве. Формируется набор аэрофотоснимков совместно с топографическими данными каждого памятника, что уже является начальной базой (геоинформационной системой) для последующего анализа и создания охранной документации.

Периодическая аэрофотосъемка позволит более четко контролировать изменения на самих памятниках и в окружающей среде, что имеет большое значение для их сохранения.

Фотограмметрические исследования.Аэрофотоснимки, выполненные в определенной системе, являются основой для создания цифровых моделей (ортофотопокрытие, ортофотоплан и т.д.), что в свою очередь становится эффективным инструментом качественного проведения дистанционного изучения.

Благодаря своим техническим характеристикам, DJI Phantom 3 Professional легко справляется с плановой и перспективной аэрофотосъемкой. Для плановой съемки в пилотном приложении DJI GO задается маршрут по GPS-точкам в виде змейки по всей исследуемой территории на фиксированной высоте. При выполнении этого задания производится фото- или видеосъемка, которая обеспечивает равномерное покрытие всей площади, над которой проходит полетный маршрут. Для перспективной съемки совершается облет по круговой траектории с изменением высоты и расстояния, чтобы фиксировать общие виды снимаемых объектов [Жуковский, 2015. С. 104–109].

В качестве примера можно выделить аэрофотосъемку раскопок поселения Х–XIII вв. «Феофания 1» в г. Киеве, проведенную с высоты 10 м, на основе которой получены фотограмметрические данные раскопанных объектов. При наложении их на точную геодезическую основу (снятую тахеометром) и обработке в программе Agisoft PhotoScan [Agisoft PhotoScan] были построены 3D-модели отдельных объектов (рис. 10). Равным образом, только с высоты 100 м, для создания ортофотопокрытия была использована систематическая аэрофотосъемка городища X–XII вв. в районе с. Шестовица Черниговской обл. (рис. 11).

Технология 3D-моделирования позволяет существенно усилить научную составляющую дистанционного исследования [Persepolis: a virtual reconstruction]. Возможность последовательного анализа виртуальной модели в лабораторных условиях обеспечивает ученых длительным и выверенным изучением памятника неразрушающим методом, что является основой для планирования реставрационных работ и музеефикации.

Применение фотограмметрических технологий открывает широкие возможности для фиксации объектов, оценки состояния (мониторинга) памятников, создания детальных цифровых моделей. Появляется возможность использовать полученные данные в реконструктивной и виртуальной археологии, а также для популяризации исторического наследия. Наглядное и интересное представление объектов культурного наследия в современном информационном пространстве является одной из основных задачей археологов и работников культуры.

В современных реалиях аэрофотосъемка с квадрокоптера демонстрирует значительные преимущества использования в археологических исследованиях, представленных на вышеуказанных примерах. Низковысотная аэрофотосъемка эффективна для исследований как крупных, так и малых по размеру объектов, а также памятников как отдельно, так и в комплексе с окружающим ландшафтом [Гнера, 2015. С. 106–109]. Таким образом, с ее помощью можно более качественно исследовать сложные масштабные памятники и целые комплексы, и даже ландшафты (особенно антропогенно измененные).

Аэрофотосъемка с квадрокоптера позволяет получить высококачественные изображения памятника под разными углами и в разное время суток и года, а также зафиксировать архитектурно-археологические объекты и их элементы, труднодоступные для традиционной наземной съемки (например, верхние части фасадов).

Использование аэрофото- и видеосъемки также является прогрессивным в мультимедийной популяризации культурного наследия для интересного представления: памятников археологии (поселения, городища, оборонительные сооружения, могильники, некрополи и др.); памятников архитектуры и градостроительства (жилые и хозяйственные постройки, объекты инфраструктуры, историческая застройка улиц и др.) [Can Drones Revolutionize Archaeology?].

В заключение добавим, что накопленная аэрофотоинформация (фото, видео, GPS-позиционирование) открывает значительные возможности для получения дополнительных (альтернативных) данных об объектах археологического наследия. Соответственно, аэрофотосъемка с квадрокоптера должна применяться в комплексе с другими дистанционными исследованиями, создавая основу для неразрушающей методики.

Опираясь на полученную практику применения квадрокоптера, целесообразно включать использование ситуативной аэрофотосъемки как обязательную составляющую во время археологических исследований и дистанционного изучения памятников культурного наследия.

 

Литература

Гнера В.А., 2014. Аналіз використання дистанційно пілотованих літаючих апаратів у археологічних дослідженнях // Праці Центру пам’яткознавства: зб. наук. пр. Вип. 26 / Ред.: О.М. Титова, В.І. Акуленко, Л.О. Гріффен. К.: Центр пам’яткознавства НАН Украïни і УТОПІК. С. 16–25.  назад

Гнера В.А., 2015. Перспективи використання низько-висотноï аерофотозйомки в пам’яткознавчих дослідженнях // Матеріали 14-ï Всеукраїнськоï науковоï конференціï «Актуальні питання історіï науки і техніки» / Від. ред. Л.О. Гріффен. Львів: Центр пам’яткознавства НАН Украïни і УТОПІК. С. 106–109.  назад

Жуковский М.О., 2015. Использование мультироторных БПЛА и фотограмметрических технологий обработки аэрофотосъемки в современных археологических исследованиях // Виртуальная археология: материалы конф. (II; 1-3 июня 2015 г.; СПб.). СПб. С. 106–109.   назад

Шишкин К.В., 1982. Аэрометод как источник для исторической топографии Ольвии и ее окрестности // Советская археология. № 3. С. 235–242.  назад

Фаган Б.М., ДеКорс К.Р., 2007. Археология. В начале / Пер. с англ. Н.Ю. Струков. М.: Техносфера. 591 с.  назад

Agisoft PhotoScan [Electronic resource]. Access mode: http://www.agisoft.com.  назад

Bogacki. M., 2016. Z lotu ptaka Zdjęcia z balonu i latawca jako metoda dokumentacji archeologicznej. Warszawa: Copyright by Wydawnictwa Uniwersytetu Warszawskiego. 354 s.  назад

Can Drones Revolutionize Archaeology? [Electronic resource]. Access mode: http://www.history.com/news/can-drones-revolutionize-archaeology.  назад

DJI Phantom 3 Professional [Electronic resource]. Access mode: http://www.dji.com/product/phantom-3-pro.  назад

Persepolis a virtual reconstruction [Electronic resource]. Access mode: http://www.persepolis3d.com.  назад