Комплексные исследования археологических памятников и геоинформационный анализ междисциплинарных данных
Журбин Игорь Витальевич
доктор исторических наук,
главный научный сотрудник,
Удмуртский федеральный исследовательский
центр Уральского отделения Российской
академии наук, Россия, г. Ижевск
Аннотация
Современный поход к изучению и сохранению археологических памятников основан на комплексном применении естественнонаучных и археологических методов. Разработка алгоритма изучения памятников археологии (аэрофотосъёмка, геофизика, почвенные исследования и пр.) является актуальным направлением исследований. Эффективным инструментом сравнительного анализа разноплановых данных является геоинформационная система, содержащая не только традиционные картографические и тематические слои, но и преобразованные карты (результат применения операторов преобразования к исходным картам), а также интерпретационные слои (результат сравнительного анализа преобразованных карт). Объектом исследования послужило Кушманское городище IX-XIII вв. н.э. - одно из средневековых финно-угорских поселений бассейна р. Чепцы (северная часть Удмуртской Республики). Для интерпретации междисциплинарного комплекса данных предложены информативные признаки оценки степени сохранности культурного слоя и решающие правила для распознавания областей с характерными свойствами. В результате установлены границы участков поселения с различной сохранностью культурного слоя: поверхностно-трансформированного и замещённого. Также выявлен участок «хозяйственной периферии» Учкакара - границы объекта историко-культурного наследия. Анализ взаимного расположения геофизических аномалий, связанных с локальными заглублёнными объектами, позволил реконструировать правильную рядную планировку городища.
Ключевые слова: археологический памятник, геоинформационный анализ, аэрофотосъёмка, геофизика, почвенные исследования, сохранность культурного слоя, реконструкция планировки, исходные карты, преобразованные карты, интерпретационные карты
Abstract
Modern approach to the study and preservation of archaeological sites is based on the complex application of natural-science and archaeological methods. The development of archeological site study algorithm (aerial photography, geophysics, soil examinations, etc.) is a topical research trend. An effective tool to compare different data is a geographic information system which contains not only traditional cartographical and thematic layers, but also transformed maps (which result from the application of operators to initial maps) and interpretation layers (which result from the comparative analysis of the transformed maps). The article addresses the Kushmanskoe settlement dated 9th-13th centuries AD. It was one of medieval Finno-Ugrian settlements in the basin of Cheptsa river (the northern part of the Udmurt Republic). To interpret the interdisciplinary data complex the author offers informative markers to estimate the preservation state of the cultural layer and decision rules to recognize the areas with characteristic properties. As a result, the author has determined the boarders of the settlement parts with different preservation state of the cultural layer: that with transformed surface and a substituted one. He has also found a part of “household periphery” Uchkakara - a boarder of the cultural heritage object. The analysis of mutual alignment of geophysical anomalies related to local underground objects let the author reconstruct proper layout of the settlement.
Keywords: initial cards, reconstruction of layout, preservation of culture layer, soil researches, geophysics, aerial photography, geoinformation analysis, archaeological site, transformed cards, interpretative cards
В связи с активизацией хозяйственной деятельности проблема сохранения и изучения памятников археологии приобрела особенную остроту и актуальность. Эти объекты историко-культурного наследия весьма неоднозначно выражены в рельефе. Достоверное выявление археологических памятников и определение их границ позволит определять зоны охраны памятника с последующей фиксацией их в землеустроительной документации, что необходимо для принятия мер по сохранению объектов наследия в процессе земляных работ и строительства. С другой стороны, локализация объектов планировки и их комплексов (оборонительные сооружения, жилые и хозяйственные постройки, хозяйственные ямы, печи и пр.) обеспечит возможность обоснованного выбора участка целенаправленных раскопок. Следовательно, актуальным направлением исследований является разработка эффективного алгоритма изучения памятников археологии (аэрофотосъёмка, геофизика, почвенные исследования и пр.), а также методов обработки и сравнительного анализа комплекса данных в специализированных геоинформационных системах.
Успешный опыт комплексных исследований реализован при изучении нескольких средневековых финно-угорских поселений бассейна р. Чепцы (северная часть Удмуртской Республики). В статье представлены материалы изучения одного из ключевых укреплённых поселений региона - Кушманского городища Учкакар, IX-XIII вв. н.э. [1, с. 200-201]. Раскопки, которые были проведены на всех структурных частях Учкакара, доказали корректность предварительной интерпретации естественнонаучных данных. Соотнесение результатов раскопок (менее 2% территории городища) с данными аэрофотосъёмки, геофизики и почвенных исследований обеспечило возможность обосновать границы поселения, восстановить его структуру и планировку.
Основные термины
С точки зрения сохранности культурного слоя на территории поселений региона выявляются участки:
- поверхностно-трансформированного культурного слоя (верхняя часть разрушена распашкой, а нижняя сохранилась in situ);
- замещённого культурного слоя (сохранились лишь заглубленные в материк части сооружений, частично перекрытые тонкими прослойками культурного слоя);
- «хозяйственной периферии », прилегающие к границам поселения (культурный слой и объекты планировки не выявляются, но в пахотном и в подпахотном горизонтах встречаются находки).
Первые два участка определяют границы поселения. Расширение территории за счёт «хозяйственной периферии» определяет границы археологического памятника как объекта историко-культурного наследия.
Детализация внутренней структуры поселения (участки поверхностно-трансформированного и замещённого слоя) предполагает реконструкцию планировки - локализацию основных объектов (остатки жилых, хозяйственных и производственных сооружений, ямы различного назначения и пр.), оценку их геометрических параметров и состава грунтов (глина, суглинки, супеси и пр.). Эти данные могут быть использованы для интерпретации памятника, оценки структуры, классификации объектов на его территории и выявления эталонных объектов различных типов.
Принципы и алгоритм исследований
Методической основой полевого этапа работ является междисциплинарный подход - комплексное применение естественнонаучных и археологических методов. Эффективный комплекс включает аэрофотосъёмку с применением беспилотных летательных аппаратов (оптический диапазон, тепловизионная и многозональная съёмка), геофизику (электропрофилирование, магниторазведка, георадар, электротомография) и почвенные исследования (гранулометрический состав и морфологические свойства материалов почвенных кернов, химико-биологические исследования).
Алгоритм применения перечисленных методов (см. табл.) основан на том, что каждый последующий метод обеспечивает проверку ранее полученных данных и, одновременно, дополняет информацию об археологическом памятнике. Например, аэрофотосъёмка в видимом диапазоне наглядно демонстрирует ландшафтные рубежи, определяющие границы поселения (рис. 1). Далее, тепловизионная камера фиксирует распределение температуры земной поверхности, что характеризует мощность и состав гумусированного слоя (рис. 2). В большинстве случаев максимальная мощность культурного слоя фиксируется на участках поверхностно-трансформированного слоя, а минимальная - на участках «хозяйственной периферии». Мощность замещённого культурного слоя обычно занимает промежуточное положение и может существенно меняться. Аналогичную информацию на основе фитоиндикации позволяет получить многозональная съемка. Изменение характера растительности позволяет разделить участки гумусированного слоя различной мощности (рис. 3). При этом на изображениях, полученных в результате обработки многозональных снимков, конфигурация участков поверхностно-трансформированного и замещённого культурного слоя отражается более детально.
Рис. 1. Ортофотоплан Кушманского городища Учкакар (обработка - начальник отдела камеральной обработки ООО «Финко» Н. Г. Воробьёва).
Рис. 2. Тепловизионная съёмка (координатная привязка и обработка - Р. П. Петров, Удмуртский федеральный исследовательский центр УрО РАН (УдмФИЦ УрО РАН): а - исходная карта; б - преобразованная карта.1 - раскопы.
Рис. 3. Многозональная съёмка (координатная привязка - Р. П. Петров): а - исходная карта (канал green); б - преобразованная карта (к.т.н. В. Н. Милич, к.т.н. А. И. Назмутдинова, УдмФИЦ УрО РАН). 1 - раскопы.
археологический памятник геоинформационный
При анализе данных аэрофотосъёмки необходимо учитывать, что участки мощного гумусированного слоя могут сформироваться как в результате природных процессов (например, постепенное накопление почвенного слоя в отрицательных формах рельефа), так и в результате антропогенной деятельности (культурный слой археологических памятников). Применение методов геофизики снижает неоднозначность интерпретации данных аэрофотосъёмки. Наибольшая эффективность достигается при последовательном многоуровневом наложении информации [2, 3]. В нашем случае применяются электропрофилирование (основной метод), магниторазведка и георадарная съёмка (уточняющие методы) и электротомография (детализирующий метод).
Бурение почв на месте геофизических аномалий и фоновых участков органично связанно с геофизическим направлением. Анализ состава и свойств почвенных материалов в кернах позволяет доказать наличие конкретного археологического объекта или культурного слоя поселения. Таким образом, почвенное зондирование позволяет решить две существенные задачи: во-первых, «разделить» аномалии от природных и антропогенных неоднородностей в грунте, во-вторых, оценить структуру культурных напластований. Этим достигается качественно новый уровень интерпретации - на основе сравнительного анализа данных комплексной геофизической съёмки и ограниченного количества бурений возникает возможность прогнозировать планировку поселения.
Целенаправленные археологические раскопки участков геофизических аномалий являются завершающей стадией полевых исследований. С одной стороны, они необходимы для проверки прогноза, полученного на основании сравнительного анализа результатов БПЛА-съёмки, геофизических и почвенных исследований. С другой стороны, раскопки являются единственным способом получения археологических материалов, необходимых для историко-культурных реконструкций - определение типологии сооружений, их конструктивных особенностей, оценка хронологии развития поселения, реконструкция системы жизнеобеспечения и т.п. Именно сравнительный анализ всего комплекса естественнонаучных данных, дополненный результатами целенаправленных раскопок, позволяет доказать наличие и культурного слоя и сохранившихся сооружений.
Такая схема междисциплинарных исследований обеспечивает получение не только разноплановой, но и разномасштабной информации: аэрофотосъёмка охватывает десятки квадратных километров, геофизика и почвенные исследования - тысячи квадратных метров, а раскопки - сотни квадратных метров.
Учитывая территориально распределенный характер информации, основой камерального этапа является геоинформационная система (ГИС). Ввиду избирательной чувствительности каждого из методов необходим геоинформационный анализ всего комплекса данных. ГИС по средневековым финно-угорским памятникам региона [4]содержит не только традиционные слои топографической основы и тематические слои исходных карт междисциплинарных исследований, но и преобразованные и интерпретационные карты (см. табл.):
- исходные карты - тематические слои ГИС, содержащие координатно-привязанные данные междисциплинарных исследований;
- преобразованные карты - результат применения операторов преобразования к исходным картам с целью контрастного выявления областей с характерными свойствами;
- интерпретационные карты - результат сравнительного анализа наборов преобразованных карт, обеспечивающий детализацию границ, структуры и планировки памятников археологии.
В целом, ГИС-оценка корреляции данных различных методов, принцип последовательного уточнения информации и возможность разностороннего анализа свойств территории обеспечивают высокую степень достоверности интерпретации.
Геоинформационный анализ в археологических исследованиях
Геоинформационные системы является эффективным инструментом для обобщения картографической и исторической информации [5]. В археологии ГИС используются с середины 1980-х гг. [6, 7]. Практически сразу выделилось три основных направления их применения [8]:
1. Охрана археологического наследия и предиктивное моделирование;
2. Моделирование исторической ситуации на основе археологических источников;
3. Междисциплинарные исследования в рамках ландшафтной археологии.
Отличительной особенностью таких ГИС-проектов является направленность на региональные исследования. Каждый археологический памятник представлен на карте точечным объектом с заданными координатами. При этом рассматриваются тенденции их взаимного расположения, проводится классификация с точки зрения типологии и хронологии и т.п. Включение цифровой модели местности (обычно - рельеф и гидросеть), позволяет расширить возможности пространственного анализа: определение зон «влияния» на основе полигонов Тиссена; моделирование структуры расселения в соответствии с теорией центральных мест Кристаллера (W. Christaller) и Лёша (A. Losch); палеоэкономические реконструкции, основанные на модели фон Тюнена (J.H. Von Thunen); моделирование вероятных путей коммуникации на основе гравитационной модели (оптимизация пути на основе баланса протяженности и трудозатрат) и пр. Возможности пространственного анализа постоянно расширяются за счёт привлечения новых математических методов. Тем не менее, абсолютное большинство научных и прикладных работ вписываются в рамки, заданные в 1990-х [9-11]. В отечественной науке наблюдаются аналогичные тенденции. В рамках направления «охрана археологического наследия» выделяется глобальный проект создания национальной ГИС «Археологические памятники России», включающий информацию более чем о 15000 объектах археологического наследия [12]. Аналогичные ГИС ранее были созданы для Ставропольского и Краснодарского краёв, Чукотки, Удмуртской Республики и Республики Калмыкия и других регионов, а также исторических областей (например, средневековые памятники Кисловодской котловины; памятники первых веков нашей эры Азиатского Боспора). Общей чертой всех указанных работ является их региональная направленность - объекты историко-культурного наследия рассматриваются как точечный объект карты без анализа его внутренней структуры. Такой подход не предполагает оценку границ и планировки памятников археологии.