Цифровое геодезическое оборудование в археологических исследованиях с применением методов геоинформационных систем

Геоинформационная система ( ГИС ) по существу является детальной и достоверной моделью территории с интегрированным описанием пространственных объектов . Моделирование исторических процессов происходит на основе пространственного анализа в ГИС и основывается на выявлении взаимосвязи между расположением архео логических памятников , участков производ ственной и хозяйственной деятельности древнего населения и окружающим их ландшафтом [ Журбин , 2005]. Существуют и другие определения термина « геоинформа - ционная система », но общим для них вы ступает подчеркивание того , что специфи ческой чертой ГИС является наличие инструментов для анализа информации , в отличие от компьютерного картографирова ния , таковых возможностей не имеющего [ Афанасьев , 2004].

Археологические исследования с применением геоинформационных систем являются довольно молодым направлением в археологии и получили наиболее активное развитие на протяжении последних 15–20 лет. С начала 90-х гг. сформировались и два основных направления применения археологических ГИС. Первое из них может быть обозначено как «управление культурными ресурсами», или CRM (Cultural resource management), второе – как археология ландшафта (landscape archaeology) [Гарбузов, 2007]. Если в первом случае ГИС-технологии выступают скорее как административный инструмент, способный оперировать большими объемами разнородных данных, то во втором ГИС выступает как мощное средство для научного исследования.

В рамках археологии ландшафта исполь зование ГИС - технологий нашло свое применение на разных пространственных уровнях – от создания масштабных геоин - формационных систем для исследований целых регионов с десятками и сотнями ар хеологических памятников , до попыток соз дания ГИС отдельного археологического памятника . В качестве примера первого можно упомянуть проект археологической ГИС « Кисловодск », реализуемый с середи ны 90- х гг . под руководством Г . Е . Афанась ева при участии Д . С . Коробова и др . Проект объединяет сведения о более чем 800 па мятниках археологии от эпохи энеолита до позднего средневековья и Нового времени на территории площадью , приблизительно , 100 тыс . га [ Коробов , 2008]. Вопросы применения ГИС для археологических ис следований регионального уровня широко освещены в отечественной и зарубежной

ISSN 1818-7919

Вестник НГУ. Серия: История, филология. 2011. Том 10, выпуск 7: Археология и этнография © В. В. Золотухин, 2011

литературе . В российской науке имеются ГИС - исследования , по результатам которых авторами были успешно защищены диссер тации на соискание ученой степени канди дата наук [ Треблева , 2005; Гарбузов , 2007].

Однако использование геоинформацион - ных систем для изучения отдельных памятни ков и небольших микрорайонов с компактно расположенными комплексами памятников представляются нам недостаточно разрабо танными . На наш взгляд , это связано со спецификой каждого из этих двух видов ис следования . В первом случае исследователь оперирует крупными объектами , « единицей измерения » служит целый памятник . В ка честве пространственной основы использу ются топографические карты достаточно крупного масштаба , спутниковые и авиа снимки , к настоящему времени имеющиеся в свободном доступе с пространственным разрешением от 15 м . В контексте таких ис следований точность фиксации отдельных предметов теряет свое значение и использо вание для указанных целей обычных тури стических GPS- приемников с паспортной точностью измерения 3–5 м становиться вполне достаточной .

Однако при попытках применения ана литических инструментов ГИС к изучению отдельного памятника или компактной группы памятников одного микрорайона исследователь неизбежно сталкивается с необходимостью проведения гораздо более точных измерений . Очевидно , что про странственная основа для подобных иссле дований должна создаваться с учетом мик рорельефа , на основании планов памятника с построением трехмерных цифровых моде лей рельефа (Digital elevation model, DEM), ( далее ЦМР ) прилегающей местности . На этой модели могут размещаться реконструк ции отдельных археологических объектов , исследоваться пространственные отношения между ними . Полученная визуализация по зволяет рассматривать археологический па мятник как единое целое , функционирую щее образование , наглядно проследить отдельные объекты в их взаимодействии . Несомненно , что для проведения подобных исследований требуется значительное коли чество точных измерений на местности . При этом все указанные фиксации должны быть выполнены с минимальными погрешностя ми , поскольку от этого будет зависеть кор ректность результатов исследования .

Получение исходных данных для по строения ЦМР способом традиционной ин струментальной съемки с помощью теодо лита требует значительных временных и трудовых затрат . Не меньшие затраты вре мени приходятся на преобразование полу ченных данных в электронный вид , что является необходимым условием для даль нейшей работы с ГИС . Очевидно , что тра диционный метод съемки не оправдывает себя в том случае , когда требуется создание модели рельефа значительной по площади местности . К тому же в процессе оцифровки результатов практически неизбежны ошиб ки , связанные с человеческим фактором , погрешностями при измерении и преобразо вании данных .

Выходом из данного положения является применение нового цифрового геодезиче ского оборудования для трехмерной фикса ции археологических объектов и современ ной дневной поверхности . Использование на полевом этапе исследований указанного оборудования и соответствующих компью терных программ для обработки и отобра жения полученных данных является эффек тивным решением вопроса полевой фиксации необходимого материала и подго товки информации к последующему анализу методами геоинформационных систем . К данному оборудованию относятся такие приборы для фиксации пространственного положения , как тахеометр и профессио нальный GPS- приемник . На взгляд автора , самым универсальным прибором , позво ляющим сопровождать процесс археологи ческих изысканий на памятнике , является тахеометр .

Тахеометр представляет собой оптикоэлектронный прибор, совмещающий в себе электронный теодолит, лазерный дальномер и бортовой компьютер. Тахеометр используют при вычислении координат и высот точек местности, при топографической съемке, при разбивочных работах, переносе на местность высот и координат проектных точек. Принцип съемки с помощью тахеометра заключается в быстром замере полярных координат пикета (точки) без вычерчивания чертежа в масштабе в полевых условиях. В современных моделях прибора пересчет координат из полярной системы в декартову автоматически производит встроенный компьютер [Зайцева, Пушкарев, 2009. С. 4–5]. Тахеометры находят свое применение в отечественной археологии с середины 2000-х гг. 1 С тех пор был накоплен значительный опыт работы с прибором при полевых и городских археологических работах на различных памятниках археологии – городищах, поселениях, курганных и грунтовых могильниках, святилищах и др. В ходе работ были подтверждены неоспоримые преимущества использования тахеометрической съемки при археологических разведках и при стационарных работах, в условиях краткосрочных новостроечных работ, обследованиях больших площадей, а также многолетних стационарных раскопок [Дарган и др., 2008].

Преимуществом этого цифрового геодезического прибора по сравнению с традиционными средствами инструментальной фиксации является то, что вся информация сохраняется и отображается в электронном виде, что позволяет значительно автоматизировать и ускорить операции при последующих действиях по построению ЦМР и 3D реконструкций. Современные тахеометры сохраняют результаты съемки в виде координат измеренной точки в текстовом формате txt. Существенным его достоинством является универсальность и легкая конвертируемость в любой другой формат при экспортировании в разнообразные ГИС и САПР приложения (IndorCAD, AutoCAD, MapInfo, Surfer, Credo, Pythagoras и многие другие программы для геодезических расчетов и построений) [Барабанов, 2007]. Даже масштабные съемки археологических планов, обширная фиксация многих тысяч и десятков тысяч точек, артефактов и объектов займут на ПК исследователя немного места. Еще одним важным преимуществом этого прибора является то, что первичную обработку полученных в результате съемки результатов и построение 3D моделей рельефа при наличии соответствующего программного обеспечения возможно начать создавать уже в ходе полевых исследований, используя ноутбук. Последнее позволяет экономить время и устранять возможные ошибки, возникшие в процессе работы, что называется «на месте».

Основной недостаток тахеометра – это зависимость от электроэнергии , как и у лю бого цифрового прибора . В среднем емкости батареи ( для моделей Topcon и Trimble, с которыми довелось работать автору ) хватает на день - полтора интенсивной работы на па мятнике , что , в целом , соответствует 10 ч работы или 12 000 измерений точек , заяв ленным в технических характеристиках данных моделей . Однако этот недостаток , компенсируется использованием комплекта из нескольких батарей , высокой скоростью зарядки ( порядка 2 ч ) и в целом не является неразрешимым препятствием для использо вания тахеометра в ходе полевых работ . Со временем , с большим распространением в среде археологов портативных и экономич ных электрогенераторов , названный недос таток и вовсе потеряет свое значение .

Тахеометр является не единственным электронным прибором , который возможно применять для полевой фиксации археоло гических объектов и подготовки исходных данных для построения ЦМР . Некоторые исследователи для данных целей применяют профессиональные GPS- приемники . На наш взгляд , использование в полевых исследо ваниях профессиональных многополосных GPS- приемников для полевой фиксации объектов и нивелирования уровня совре менной дневной поверхности имеет сущест венные недостатки по сравнению с тахео метром . По точности измерения системы глобального позиционирования соответст вуют высоким археологическим стандартам [ Винокуров и др ., 2009]. Однако GPS- приемник чувствителен к ландшафтным и метеоусловиям , которые зачастую не позво ляют использовать его для точной фиксации в условиях серьезной облачности и сильной залесенности территории , либо она требует значительного времени для повторных , про верочных измерений . Таким образом , во многих природных районах , особенно в та ежных зонах Западной Сибири , использова ние прибора в качестве инструмента точной полевой фиксации представляется мало оправданным .

Хорошим решением при наличии соответствующего оборудования будет измере- ние координат геодезическими GPS-приборами с низкой погрешностью в двух-трех реперных точках местности. Перед началом археологических раскопок на памятнике эти точки надлежит с помощью тахеометра привязать к относительной системе координат раскопочной сетки, используемой на памятнике. В отдельных случаях, когда местные жители, туристы, «охотники» за металлом и грабители реперные точки ломают, выкорчевывают или даже перемещают, применение GPS становиться просто необходимым. Благодаря использованию систем глобального позиционирования есть возможность восстановления уничтоженных реперов и координатной сети квадратов, которые могут быть в любой момент воссозданы в прежнем виде [Винокуров и др., 2009]. Еще одним перспективным способом совместного использования тахеометра и геодезического GPS-приемника представляется сведение в единую систему координат разных объектов на памятниках одного микрорайона в едином ГИС-проекте при тех случаях, когда по какой-либо причине нет возможности провести между ними тахеометрический ход.

Несмотря на сравнительно длительное использование тахеометра в археологии , исследователи ограничиваются использова нием данного прибора для следующих опе раций : сопровождения процесса археологи ческих раскопок , построения планов и трехмерной реконструкции на основе та хеометрической съемки единичных « наибо лее представительных » объектов . Последнее является отдельным , активно развивающим ся направлением археологических исследо ваний .

Попыткой реализации обозначенного в статье подхода комплексного изучения целой группы памятников с применением масштабной тахеометрической съемки являются исследования, проводящиеся учеными Томского государственного университета на территории Шайтанского археологического микрорайона Томской области. Шайтанский археологический микрорайон (далее ШАМР) находится в Кожевников-ском районе на юге Томской области. К текущему времени на территории урочища Шайтан открыто 19 разнотипных памятников археологии. Большинство памятников – однослойные и датируются X–XV вв. на основании керамического комплекса и радио- углеродного датирования. Необходимо также заметить, что на сегодняшний день ШАМР является крупнейшим в Томском Приобье комплексом поселенческих памятников эпохи развитого средневековья с мощной, не имеющей аналогов в соседних регионах, системой обороны [Зайцева и др., 2010]. Особенностью исследования данного комплекса является то, что для всей территории микрорайона с 2004 г. создается единая топооснова, на которой строится ЦМР [Зайцева и др., 2004]. С помощью тахеометра фиксируется не только положение отдельных объектов на памятниках, но и уровень современной поверхности на пространстве между ними, связывая все археологические памятники в единый комплекс (рис. 1). В этой же единой системе фиксируются все шурфы и раскопы на памятниках и местоположение находок и артефактов, что формирует основу для создания ГИС ШАМР. Единая топооснова включает в себя и данные геофизический исследований, полученные с помощью магнитометра (рис. 2). Имеющийся к настоящему времени отснятый тахеометром материал позволяет наглядно представить себе весь комплекс памятников, таким образом реализуя одну из функций геоинформационной системы – визуализацию имеющихся пространственных данных. Хотя еще преждевременно говорить о конечных результатах данной работы ввиду незавершенности проекта и малой общей вскрытой площади. Но перспективность подобного подхода к исследованиям с применением современных цифровых средств фиксации очевидна. Более того, только благодаря им становится возможным выход на новый уровень полевых исследований с применением методов анализа, предоставляемыми ГИС.

Подводя итог , можно заключить , что применение тахеометра в сочетании с GPS- приемником в процессе полевых археологи ческих работ является оптимальным реше нием проблемы соотношения между скоро стью , точностью и удобством подготовки исходных данных для последующего анали за в различных ГИС - программах . При мас штабных исследованиях , требующих фик сации множества точек местности и построения на их основе ЦМР , применение тахеометра является необходимым услови ем . Широкое внедрение цифрового геодези ческого оборудования и специального про -

Рис . 1. Построенная на данных тахеометрической съемки цифровая модель рельефа городищ Шайтанского археологического микрорайона

Рис. 2. Цифровая модель рельефа городищ Шайтанского археологического микрорайона с отображенными данными магнитометрической съемки граммного обеспечения не только значительно ускоряет и упрощает процесс научных исследований, но и позволяет выйти на новые уровни изучения, создавая базу для последующих ГИС-исследований уровня как отдельного археологического памятника, так и компактно расположенных групп памятников одного микрорайона.

DIGITAL GEODESIC EQUIPMENT AS THE PREREQUISITE

FOR GEOGRAPHIC INFORMATION SYSTEM METHODS ARCHAEOLOGICAL INVESTIGATION