Другим направлением применения ГИС-технологий в археологии являются комплексные проекты. Это предполагает объединение в полевом и камеральном исследовании результатов дистанционного зондирования, геофизического обследования, археологического почвоведения и археологических раскопок памятника, которое происходит на базе ГИС. Таким образом, геоинформационная система, по сути, выступает в роли базы данных, обеспечивающей координатную привязку набора изображений. Это позволяет сопоставить расположение аномальных областей, выявленных разными методами (например, [13]). Аналогичный проект исследования разноплановых памятников археологического и культурного наследия реализуется Archaeometry Branch Ancient Monuments Laboratory, English Heritage [14]. Лаборатория проводит масштабные геофизические исследования памятников Великобритании и c 1995 г. формирует базу данных планировок. Кроме планировки содержатся общие сведения о географическом положении объекта, административной привязке, методиках геофизических измерений, геологических условиях и пр. К концу 2011 года в базе данных содержались материалы более 2700 комплексных геофизических обследований, которые проводились с конца 1960-х годов. Исследования нацелены на мониторинг состояния объектов наследия, дают возможность определения их охранных зон, но не предполагают детальное изучение планировки и отдельных объектов на территории памятника. При таком подходе реализуется стратегия управления историко-культурным наследием без учета исследовательской компоненты. В зарубежных исследованиях комплексные проекты являются принятой нормой, однако, в отечественной научной практике - скорее исключением, чем правилом (например, [3, 15, 16]). В целом, комплексные проекты ориентированы на определения стратегии дальнейшего археологического изучения памятника. Следовательно, во главу угла ставится именно междисциплинарность и недеструктивность методов исследования. Таким образом, создаваемые геоинформационные системы являются лишь программной средой для объединения разноплановых исходных данных и практически не используют огромный потенциал ГИС-технологий.
Принципы, реализуемые при изучении средневековых финно-угорских памятников чепецкой культуры, объединяют достоинства обоих описанных подходов и существенно дополняют их за счёт разработки новых операторов преобразования исходных карт, адаптированных к физическим параметрам объектов поиска, ландшафтным и геологическим условиям региона, и новых методов математико-картографического моделирования, обеспечивающих детализацию границ, структуры и планировки средневековых поселений. Эффективность предложенного алгоритма доказана при изучении Кушманского городища Учкакар IX-XIII вв.
Определение границ и оценка степени сохранности культурного слоя (сравнительный анализ данных)
Комплекс работ по аэрофотосъемке региона чепецкой культуры (общая площадь - более 70 кв. км), созданию ортофотопланов в системе координат МСК-18 (местная система координат Удмуртской Республики) выполнен специалистами ООО «Финко» [17]. Фотограмметрическая обработка данных съёмки в видимом диапазоне проведена в программах Agisoft PhotoScan и Photomod. Полученные материалы соответствуют точности съёмки масштаба 1:500. На основе фотограмметрической модели построена цифровая модель рельефа на участки местности в границах предполагаемых археологических комплексов. Геоботанические исследования на участке Кушманского городища и прилегающей территории, топогеодезическая привязка реперных точек раскопов и полигонов геофизической съемки позволили построить цифровую модель местности (рис. 4).
Рис. 4. Цифровая модель местности участка Кушманского городища Учкакар (основа - ООО «Финко», корректировка и дополнение - Р. П. Петров). Горизонтали проведены через 0.5 м, система высот условная. 1 - раскопы; 2 - границы участка электропрофилирования.
Ортофотоплан (рис. 1) и цифровая модель местности наглядно демонстрируют ландшафтные рубежи, определяющие границы поселения с юга, северо-запада и запада - обрывистый склон береговой террасы р. Чепцы и глубокая долина р. Кушман, правого притока р. Чепцы. Кроме того, выявляются сохранившиеся валы двух линий укреплений - средней и внешней. Ров внешний линии на аэрофотоснимке фрагментарно проявляется по расположению участков влаголюбивой растительности. Также по растительным признакам фиксируются раскопы.
Ортофотоплану поставлен в соответствие набор снимков тепловизионной и многозональной съёмки. Координатная привязка тепловизионных снимков выполнялась средствами ГИС MapInfo методом аффинных преобразований при минимизации суммы квадратов невязки. Точками привязки служили контрастные объекты на снимке, сопоставимые с объектами ортофотоплана - валы, раскопы, полевая дорога и пр. (рис. 2а). Предварительная обработка тепловизионных изображений выполнена сглаживающим фильтром Гаусса, а для построения преобразованных карт использовались методы кусочно-линейного преобразования, вычитания фона и полосовой фильтрации (рис. 2б).
Полученные данные демонстрируют хорошее согласие со съёмкой в видимом диапазоне. Глиняная насыпь валов обеих линий укреплений проявляется в виде дугообразных светлых областей, а участки внешнего склона вала, на которых дёрн практически отсутствует, отображаются на снимке контрастной полосой белого цвета. Протяжённой тёмной областью отображаются рвы, заполненные гумусированным слоем (участки дугообразной формы c внешней стороны валов). Дополнительно, по отношению к съёмке в видимом диапазоне, на тепловизионных снимках фиксируется отличия в мощности гумусированного слоя на всех структурных частях городища. В частности, наглядно проявляется зона аккумуляции культурного слоя перед валами средней и внешней линий укреплений - дугообразные тёмные полосы вдоль внутренней границы валов. Участкам со значительным культурным слоем соответствуют более тёмные области преобразованной карты. Соответственно, территория с гумусированным слоем меньшей мощности отображается более светлыми тонами. Эти особенности не выражены в рельефе, но были подтверждены геофизикой, почвенными бурениями и раскопками.
Многозональная съёмка позволяет получить информацию о мощности гумусированного слоя на основе иного признака - фитоиндикации (рис. 3а). Для классификации площадных объектов растительности использовано вейлет-преобразование на основе вейвлета Шеннона-Котельникова, а система признаков сформирована из средних значений и стандартных отклонений, рассчитанных по изображениям, полученным в результате двумерного дискретного вейвлет-преобразования [18, 19]. Изменение характера растительности может являться признаком более мощного гумусированного слоя - поверхностно-трансформированного или, в некоторых случаях, замещённого культурного слоя (рис. 3б). Таким участкам на преобразованных картах соответствуют зоны компактных контуров с локальными фитоиндикационными особенностями, а участкам с малой мощностью гумусированного слоя - зоны однородной структуры. Полученная оценка изменения фитоиндикационных особенностей согласуется с данными тепловизионной и геофизической съёмки [20] и результатами геоботанических наблюдений при развитой растительности.
Сравнительный анализ данных БПЛА-съёмки, дополненный результатами геоботанического обследования, позволяет получить первичное представление о возможных границах и внутренней структуре поселения. Очевидно, каждый из методов даёт лишь косвенную информацию о мощности гумусированного слоя. Поэтому для повышения достоверности интерпретации необходимо привлечение методов наземного обследования - геофизики, почвенных исследований и целенаправленных раскопок. Такой комплекс позволяет доказать наличие именно культурного слоя, а также оценить степень его сохранности на каждом из выделенных участков (поверхностно-трансформированный, замещённый и пр.).
В частности, геофизические исследования на внешней части Кушманского городища [21] выявили более мощные напластования в центральной и юго-восточной частях (зона повышенного сопротивления) (рис. 5а). Результаты электропрофилирования согласуются с данными аэрофотосъёмки. На тепловизионном снимке (рис. 2б) зоны гумусированного слоя большей мощности также регистрируются в центральной и юго-восточной частях. Там же выявлены неоднородные зоны компактных контуров изображений с локальными фитоиндикационными особенностями (рис. 3б).
Электротомография позволила подтвердить и уточнить предварительную оценку. Минимальной мощности гумусированного слоя (замещённый культурный слой) соответствуют участки, характеризующиеся малым значением сопротивления - начало Профиля 1 (рис. 5в); участки между заглублённым объектами Профиля 2 (рис. 5г). В восточной части Профиля 1 мощность культурного слоя возрастает, что согласуется с границами юго-восточной зоны культурного слоя большей мощности. Впоследствии эта ситуация была подтверждена материалами Раскопа 2 (рис. 4, 5а). В юго-восточной части раскопа мощность гумусированных слоёв, перекрывающих материк (пахотный горизонт и остатки культурного слоя) достигает 0,4 м, а в северной и северо-западной частях раскопа уменьшается до 0,1-0,2 м [22].
Рис. 5. Геофизические исследования внешней части Кушманского городища. а - исходная карта электропрофилирования; б - преобразованная карта (к.т.н. А. Г. Злобина, УдмФИЦ УрО РАН); в -г - геоэлектрические разрезы по Профилям 1 (в) и 2 (в). 1 - раскоп; 2 - геоэлектрический профиль; 3 - точки почвенных бурений; 4 - классы 1 и 2; 5 - классы 3 и 4.
Таким образом, уровень сопротивления областей, выявленных при площадном электропрофилировании, соотносится с мощностью культурного слоя. Следовательно, эта величина является достоверным признаком для детализации границ участков поверхностно-трансформированного и замещённого культурного слоя. Почвенные бурения на участках, контрастных с точки зрения сопротивления, также показали корректность этого признака [23]. В точке 1 (рис. 5а) мощность гумусированного слоя (пахотный слой и тёмно-серый суглинок с включениями углей) превышает 0,6 м, а в точке 2 уменьшается до 0,4 м.
Рис. 6. Территория городища Учкакар по ландшафтным и рельефным признакам. Оценка сохранности культурного слоя поселения по результатам комплексных исследований. 1 - поверхностно-трансформированный культурный слой; 2 - замещённый культурный слой; 3 - участок «хозяйственной периферии».
Таким образом, в результате сравнительного анализа комплекса данных аэрофотосъёмки, геофизики и почвенных бурений создана интерпретационная карта степени сохранности культурного слоя на поселении (рис. 6). Для реконструкции планировки городища Учкакар наиболее информативными являются Участки 1-В, 1-З, 2 и 3-Ю - участки поверхностно-трансформированного и замещённого культурного слоя.
Реконструкция планировки (сравнительный анализ данных)
Детализация структуры выделенных участков предполагает локализацию основных объектов (остатки жилых, хозяйственных и производственных сооружений, ямы различного назначения и пр.) и оценку их геометрических параметров, состава грунтов (глина, суглинки, супеси и пр.). Реконструкция планировки в большей степени основана на данных геофизики, а для сравнительного анализа используются материалы почвенных зондажей и целенаправленных археологических раскопок (см. табл.).
В качестве оператора преобразования используется алгоритм нечёткой кластеризации fuzzy c-means [24]. Согласно этому алгоритму формируются матрицы нечеткого разбиения, значения элементов которых позволяют оценить степень принадлежности элементов массива данных к каждому классу. Дальнейшие преобразования позволяют восстановить 3D границ археологического объекта в грунте [25].
В результате сегментации исходной геофизической карты (рис. 5б) были конкретизированы границы участков замёщенного слоя (классы 1 и 2) и более мощного культурного слоя (возможно, поверхностно-трансформированного) (класс 3). Локальные аномалии, в пределах выделенных участков (класс 4), соответствуют объектам планировки. На внешней части Кушманского городища части выявлены только заглубленные объекты - около 80 ям, заполненных гумусированным слоем различного состава. Вероятно, наземная часть абсолютного большинства сооружений уничтожена многолетней распашкой. Электроразведка позволила выделить ямы двух основных типов - диаметром 3,0-4,0 м (Профиль 1, рис. 5в) и 1,5-2,0 м (Профиль 2, рис. 5г). Магниторазведка дополнила предварительные представления. В общем случае, заполнение ям большего размера содержит значительное количество материалов, подвергавшихся термическому воздействию (шлак, керамика, выбросы из очагов и т.п.). Вероятно, это ямы производственного характера. Ямы меньшего размера заполнены гумусированным слоем - условно, хозяйственные ямы.
На основе сравнительного анализа комплекса геофизических данных для целенаправленных раскопок был выбран участок, включающий разноплановые объекты (Раскоп 2, рис. 4, 5а). Полностью изучены конструкции двух ям различных типов, а две небольшие хозяйственные ямы вскрыты частично (рис. 7). Раскопки «большой» ямы (Профиль 1, диапазон 11-15 м, рис. 5в) позволили выделить два этапа её эксплуатации - поздняя округлая яма, перекрывает яму квадратной формы с обшивкой из досок, которые прижимались столбами, стоявшими по углам. Подобные прямоугольные хозяйственные ямы с деревянной обшивкой стенок и деревянной крышкой исследованы на другом средневековом финно-угорском укреплённом поселении чепецкой культуры - городище Иднакар [26, рис. 22]. Найденные многочисленные куски шлаков, обмазки, фрагменты бронзовых предметов, а также наличие льячки, трехсторонней литейной формы не исключают локализации здесь литейного производства. Другая яма меньшего размера (Профиль 2, диапазон 3,5-5,5 м, рис. 5г) и подпрямоугольной формы. Внутри находится завал из крупных камней со следами сильного прокала. Вероятно, этот объект представляет собой остатки наземной постройки, внутри которой находилось отопительное устройство.
Рис. 7. Обобщенная прорисовка планиграфии Раскопа 2 и стратиграфии объекта. 1 - граница раскопа; 2 - граница объектов; 3 - темно-серый гумусированный суглинок с включением угля и золы; 4 - рыжая и бледно-рыжая глина; 5 - темно-коричневый и белесовато-коричневый суглинок; 6 - перемешанный слой (светлый суглинок с рыжей глиной, с включением угля и древесного тлена); 7 - красная рыхлая глина с небольшим включением серого суглинка и угля; 8 - почвенный слой, сформировавшийся в условиях свободного заполнения на дне позднего сооружения; 9 - серый золистый суглинок; 10 - материк.