Опыт съемки памятников восточного варианта иткульской культуры в Зауралье методом воздушного лазерного сканирования: предварительные результаты

В конце 1990-х – начале 2000-х гг. на территории Зауралья в подтаежной и лесостепной зонах был выделен круг археологических памятников, отнесенных к восточному варианту иткульской культуры переходного времени от бронзового к раннему железному веку VIII–VI вв. до н. э. ( Зимина, Зах , 2009).

Памятники приурочены к боровым лесам в долине р. Тобол от подтаежной зоны до лесостепи, в административном отношении это юг Тюменской и северные районы Курганской областей ( Зимина и др. , 2021). Основной корпус составляют поселенческие комплексы, оконтуренные валом и рвом. Исходя из внешних признаков, выраженных в рельефе, они были определены как городища, однако, точнее, они могут быть охарактеризованы как слабо укрепленные поселения. В настоящее время их насчитывается 45, пять из которых имеют парные смыкающиеся площадки. Диаметр оконтуренной валом и рвом площади варьирует от небольших размеров 35–80 м в диаметре до 215 × 85–315 × 260 м. Валы преимущественно шириной 1,5–3 м, иногда до 5–6 м, и высотой 0,2–0,5 м, рвы – шириной 1–3 м и глубиной 0,1–0,3 м. Остатки сооружений наземного типа в современном рельефе представляют собой приподнятые площадки округлой/ овальной формы размерами от 6 × 7 до 12 × 15 м, высотой 0,15–0,3 м, как правило, окружены небольшими ямками – размером не более 1,5–2 м и глубиной не более 0,1–0,3 м. В большинстве случаев остатки сооружений фиксируются по периметру укреплений. На обширных поселениях центр в большинстве случаев свободен от построек. В ряде случаев к укрепленным площадкам примыкают группы неукрепленных сооружений.

Слабая выраженность в рельефе и исключительная приуроченность к массивам сосновых боров делают невозможным применение данных дистанционного зондирования земной поверхности (аэрофотосъемки, спутниковых снимков, снимков земной поверхности с применением беспилотных летательных аппаратов) для их поиска и анализа расположения в отличие, например, от укрепленных поселений в степной зоне Южного Урала ( Зданович, Батани-на , 2007), курганов на территории Среднего Енисея (Минусинские котловины) ( Сидорина и др. , 2018) и др. Однако для исследования залесенных участков местности зарекомендовал себя метод воздушного лазерного сканирования ( Doneus et al. , 2008; Doneus, Briese , 2006; 2011; Новиков , 2021; Doneus et al. , 2022).

Таким образом, цель исследования – определить возможности использования LiDAR для выявления слабо выраженных в рельефе объектов восточного варианта иткульской культуры на площади боровых участков в долине р. Тобол, условия съемки и характерные признаки объектов при дешифрировании результатов сканирования.

Объекты исследования и методы

Объектами исследования были выбраны два участка местности в подтаежной зоне в долине р. Тобол, на которых расположены известные объекты восточного варианта иткульской культуры (рис. 1; 2; табл. 1).

Таблица 1. Характеристика участков съемки

№ участка	Площадь съемки	Высота полета	Общее время съемки	Результирующее разрешение ЦМР
1	74 га	100 м	30 минут	6 см на пиксель
2	536 га	200 м	6 часов	10 см на пиксель

Рис. 1. Карта расположения участков обследования

1 – участок 1 на берегу р. Туры в Туро-Пышминском междуречье; 2 – участок 2 в междуречье Тобола и Тапа

Рис. 2. Типичный вид внешний вид объектов восточного варианта иткульской культуры в Притоболье в рельефе местности

1 – участок наиболее отчетливо фиксирующихся остатков фортификаций городища Пламя Сибири 1; 2 – вид на остатки сооружения наземного типа на городище Карагай Аул 1/Б; 3 – участок 1 воздушного лазерного сканирования и цифровая модель рельефа (ЦМР)

Участок 1. Находится в Тюменском районе Тюменской области, в Ту-ро-Пышминском междуречье в 12 км к западу от слияния рек Туры и Пышмы, на правом берегу р. Туры (левого притока р. Тобол), и в 50 км к юго-западу от впадения р. Туры в р. Тобол. На участке расположен комплекс памятников Пламя Сибири. Состоит из 4 городищ (одно из них двухплощадочное) и селища (рис. 3). Площадь съемки 74 га.

Пламя Сибири 1 (рис. 3: 1 ). Размеры – 130 × 116 м, оконтурено рвом и валом, зафиксированы три входа с северной, западной и юго-восточной сторон шириной 5–6,5 м. Ров не глубже 0,2 м шириной в среднем 2,5 м примыкает к валу с внешней стороны. Ширина вала 2 м, высота варьирует от 0,15 до 0,5 м. На площадке зафиксированы остатки 14 сооружений размерами от 10,5 × 8 до 14 × 10 м, высотой 0,2–0,3 м.

Рис. 3. План расположения объектов комплекса Пламя Сибири в Туро-Пышминском междуречье по результатам инструментальной съемки 2005 г.

и ЦММ по результатам воздушного лазерного сканирования

1 – Пламя Сибири 1; 2 – Пламя Сибири 2; 3 – Пламя Сибири 3 с площадками А и Б; 4 – Пламя Сибири 4; 5 – селище Пламя Сибири; а также участки ЦМР с вновь выявленными объектами ( а и б )

a – остатки сооружения наземного типа; б – ров-вал; в – раскоп; г – фрагменты керамики (подъемный материал)

Пламя Сибири 2 (рис. 3: 2 ). Диаметр 70 м, оконтурено рвом и валом, зафиксированы три входа: с северо-западной, северо-восточной и юго-восточной сторон шириной 4–5 м. Ров не глубже 0,2 м шириной 2–4 м примыкает к валу с внешней стороны. Ширина вала 2–4 м, высота варьирует от 0,12 до 0,4 м. На площадке зафиксированы остатки 7 сооружений размерами от 8 × 9 до 9 × 12 м, высотой 0,2 м.

Пламя Сибири 3 (рис. 3: 3 ). Состоит из двух смыкающихся площадок.

Площадка А (сохранилась частично, отмечаются современные нарушения линией электропередачи). Диаметр – около 80 м, оконтурено рвом и валом, зафиксирован вход с юго-восточной стороны шириной 6 м. Ров не глубже 0,2 м шириной 2,5–4 м примыкает к валу с внешней стороны. Ширина вала 2–4,5 м, высота варьирует от 0,13 до 0,4 м. На площадке зафиксированы остатки 6 сооружений размерами от 5 × 8 до 7 × 13 м, высотой 0,2 м.

Площадка Б. Диаметр – около 58 м, оконтурено рвом и валом, зафиксирован вход с южной стороны шириной около 4 м. Ров не глубже 0,15 м шириной 2–4,5 м примыкает к валу с внешней стороны. Ширина вала 3–4 м, высота варьирует от 0,14 до 0,25 м. На площадке зафиксированы остатки 7 сооружений размерами от 5 × 8 до 7 × 13 м, высотой 0,2 м.

Пламя Сибири 4 (рис. 3: 4 ). Размеры – 130 × 95 м, оконтурено рвом и валом, зафиксированы вход с северной стороны шириной 5 м. Ров не глубже 0,3 м шириной 3,5–4 м примыкает к валу с внешней стороны. Ширина вала 1,5–3,5 м, высота варьирует от 0,1 до 0,35 м. На площадке зафиксированы остатки 15 сооружений размерами от 8 × 9 до 9 × 12 м, высотой 0,2 м.

Пламя Сибири, селище (рис. 3: 5 ). Неукрепленная часть комплекса, зафиксированная к югу и к северу от укрепленных поселений. Включает остатки 41 сооружения, аналогичные по размерам сооружениям на городищах, фиксирующихся тремя группами. Две группы остатков построек располагаются компактно. Одна группа состоит из 8 сооружений, расположенных примерно по кругу и примыкает к площадке Пламя Сибири 3/А с севера. Вторая группа из 14 сооружений, расположенных в виде фигуры, близкой к овалу, примыкает к ней с юга. На расстоянии около 30 м к востоку от южной группы построек фиксируется остатки 19 сооружений, часть из которых расположена компактно, остальные разрозненно, на протяжении около 300 м по линии с юго-запада на северо-восток в направлении городища Пламя Сибири 4.

Участок 2. Находится в Ярковском районе Тюменской области, на левобережье р. Тап (правого притока р. Тобол) в 1 км к юго-востоку от места впадения р. Тап в р. Тобол. На участке расположен комплекс опорных памятников восточного варианта иткульской культуры. Состоит из 4 городищ (два них двухплощадочные) (рис. 4: 2 – 5 ). Площадь съемки 536 га.

Рис. 4 (с. 340). Расположение исследуемых объектов Юртоборовского археологического микрорайона

1 – ЦМР всего участка исследования, участки воздушного лазерного сканирования и планы памятников ( 2 – Вак-Кур 2; 3 – Юртобор 6; 4 – Карагай Аул 1; 5 – Карагай Аул 4)

а – остатки сооружения наземного типа; б – ров-вал; в – предположительное местоположение разрушенных в результате вырубок остатков сооружений наземного типа; г – раскопы

Карагай Аул 4 (рис. 4: 5 ). Размеры – 160 × 110 м, оконтурено рвом и валом. Ров не глубже 0,1–0,3 м шириной в среднем 1–3 м примыкает к валу с внешней стороны. Ширина вала 3 м, высота 0,2–0,3 м. На площадке зафиксированы остатки 26 сооружений размерами от 6 × 7 до 7,5 × 13 м, высотой 0,3 м.

Карагай Аул 1 (двухплощадочное) (рис. 4: 4 ). Две замкнутые кольцевыми оборонительными сооружениями слабо укрепленные площадки примыкают друг к другу.

Карагай Аул 1/А (рис. 4: 4/А ) (западная половина объекта уничтожена песчаным карьером). Размеры – 250 × 164 м, оконтурено рвом и валом. Ров не глубже 0,3 м шириной в среднем 3 м примыкает к валу с внешней стороны. Ширина вала 3,5 м, высота от 0,2 до 0,3 м. На площадке зафиксированы остатки 44 небольших сооружений размерами 7 × 7 и 7 × 10 м и удлиненные подпрямоугольные размерами 8 × 15 и 7 × 14 м, высота и тех и других не более 0,3 м.

Карагай Аул 1/Б (рис. 4: 4/Б ). Диаметр – 170 м, окружено рвом, который заключен между двумя валами и ограничивает площадь около 2 га. Вал площадки Карагай Аул 1/Б в северо-восточной части вплотную примыкает ко рву площадки Карагай Аул 1/А. Ров не глубже 0,3 м шириной в среднем 3 м. Валы шириной в среднем 3 м, высотой 0,3 м. На площадке зафиксированы остатки 43 сооружений размерами от 7 × 7 до 7 × 10 м, высотой 0,3 м.

Вак-Кур 2 (двухплощадочное, с селищем) (рис. 4: 2 ). Две замкнутые кольцевыми оборонительными сооружениями слабо укрепленные площадки примыкают друг к другу, остатки построек внутри укрепленной площади расположены без определенной системы. За пределами укрепленных площадок выявлено обширное селище.

Вак-Кур 2/А (рис. 4: 2/А ). Размеры 160 × 100 м, оконтурено только рвом шириной 2 м не глубже 0,3 м. На площадке зафиксированы остатки 42 сооружений размерами от 9 × 9 до 9 × 13 м высотой 0,3 м.

Вак-Кур 2/Б (рис. 4: 2/Б ). Диаметр – 80 м, оконтурено рвом и валом. Ров не глубже 0,2– 0,3 м шириной в среднем 2 м примыкает к валу с внешней стороны. Ширина вала 2 м, высотой 0,3 м. На площадке зафиксированы остатки 19 сооружений размерами от 9 × 9 до 9 × 13 м, высотой 0,3 м.

Селище, примыкающее к городищу Вак-Кур 2, состоит из остатков 82 сооружений, аналогичных остаткам сооружений на укрепленных площадках. Они сгруппированы – с северной стороны 16 сооружений по окружности, остальные зафиксированы с юго-восточной стороны от укрепленных площадок, располагаются вплотную друг к другу и образуют ряды, вытянутые с северо-запада на юго-восток.

Юртобор 6 (рис. 4: 3 ). Диаметр – 55 м, оконтурено рвом и валом. Ров не глубже 0,2–0,3 м шириной 1,5–3,5 м примыкает к валу с внешней стороны. Ширина вала 1,5–3,5 м, высота 0,2–0,5 м. На площадке зафиксированы остатки 8 сооружений размерами 4 × 5 м, высотой 0,3 м. С внешней стороны к городищу примыкают остатки трех сооружений с аналогичными признаками.

Методы исследования включали воздушноее лазерное сканирование территории с помощью беспилотного летательного аппарата DJI matrice 300rtk и LiDAR ZENMUSE L1.

Характеристики LiDAR ZENMUSE L1:

вертикальная точность – 5 см, горизонтальная точность – 10 см;

фиксация 240 000 точек в секунду;

плотность съемки до 300 точек на квадратный метр;

высота съемки до 200 м (до 450 м для объектов с высоким коэффициентом отражения);

излучение лазера на длине волны 905 нанометров.

Первичная обработка результатов лазерного сканирования проводилась в программе DJI Terra. В дальнейшем работа с материалами проходила в программе Agisoft Metashape. В данной программе была произведена классификация точек рельефа, с последующей фильтрацией точек наземной растительности, на основании полученных данных были сделаны цифровые модели рельефа с разрешением от 6 до 10 см (рис. 2: 3 ). Цифровые модели рельефа (далее – ЦМР) анализировались средствами программного комплекса ArcMap 10.3.

Результаты и обсуждение

Первичные исследования на участках расположения поселений восточного варианта иткульской культуры были проведены осенью 2022 г.

На ЦМР участка 1 разными оттенками спектра представлены отраженные лазерным сканированием объекты – естественные формы рельефа и искусственные объекты (рис. 3).

Возвышенные участки обозначены коричневыми оттенками, пониженные – от желтого до зеленого. Современная антропогенная деятельность представлена асфальтовой автодорогой в южной части изображении в виде коричневой полосы с довольно четкими границами шириной около 15 м, ориентированной с запада на восток; лесозащитными траншеями в виде узких, прерывистых полос, проведенных в различных направлениях, но преимущественно вдоль дороги в несколько рядов; четкими полосами, также ориентированными с запада на восток примерно в 200 м к северу от автодороги прослеживаются грунтовая дорога в виде осветленной узкой полосы шириной 3 м и линия электропередачи, к северу от которых в 150 м прослеживается еще одна осветленная узкая полоса, ориентированная так же – тоже грунтовая дорога.

Съемка на участке 1 позволила выявить уже известные археологические объекты переходного времени от бронзы к железу – комплекс памятников Пламя Сибири, состоящий из четырех кольцевых укрепленных поселений и неукрепленного селища. Довольно отчетливо прослеживаются рвы, оконтуривающие площадки укрепленных поселений. На изображениях ров археологических объектов представлен затемненной узкой полосой шириной 1–1,5 м в виде кольцевых структур. Фортификации всех четырех известных городищ отчетливо читаются на ЦМР. Остатки древних построек в виде приподнятых площадок представлены округлыми, овальными, подквадратными структурами размерами 10 × 8 м, очертания которых вокруг подчеркнуты небольшими затемненными точечными изображениями, в рельефе это небольшие и неглубокие ямки размерами в среднем 1,5 2 м, глубиной 0,2–0,3 м (рис. 3).

К северо-западу от городища Пламя Сибири 1 были выявлены два новых объекта. Один – оконтуренная по кругу структура диаметром 75 м, внутри которой прослеживаются 8 подквадратных структур размером 10 × 8,7 м. С юго-западной стороны ее частично перерезает еще одно небольшое кольцо овальной формы размерами 40 × 30 м без объектов внутри (рис. 3: б ). Объект был верифицирован в результате осмотра на местности. С наибольшей вероятностью – это еще одно городище восточного варианта иткульской культуры, ранее неизвестное.

К западу от вновь выявленного городища на участке, представляющем собой локальную возвышенность (участок коричневого цвета), были дешифрированы округло-подквадратные структуры размерами 12 × 9 м, окруженные точечными затемнениями, расположенные по кругу (рис 3: а ). Установив ранее, каким образом на изображении результатов лазерного сканирования выглядят остатки сооружений наземного типа, можно предположить, что это приподнятые площадки остатков сооружений наземного типа, что было подтверждено в результате осмотра на местности. Предварительная датировка объекта – рубеж бронзового и раннего железного веков, предположительно памятник может являться поселением восточного варианта иткульской культуры.

На участке 2 лазерным сканированием были прослежены очертания четырех известных городищ переходного времени от бронзового века к раннему железному – опорные памятники восточного варианта иткульской культуры у д. Юртобор в Ярковском районе Тюменской области (рис. 4: 2 – 5 ).

На ЦМР возвышенные участки обозначены красно-желтыми оттенками спектра, более низкие – зелеными, пониженные и заболоченные – голубым. Современная антропогенная деятельность представлена асфальтовой автодорогой – в северо-западной части изображении в виде четкой полосы шириной около 15 м, ориентированной с юго-юго-запада на северо-северо-восток; в 0,8 км к юго-востоку проходит линия электропередачи в виде узкой полосы, ориентированной с юго-запада на северо-восток, к которой с запада примыкает недействующий карьер, уничтоживший половину городища Карагай Аул 1/А (рис. 4: 4 ).

Изображения остатков древних объектов аналогичны по параметрам изображениям на участке 1 ЦМР. Местами фортификации не прослеживаются, поскольку практически не выражены в рельефе в силу плохой сохранности либо нарушены лесозащитными траншеями. Остатки построек также дешифрируются с разной степенью отчетливости. На более равнинных участках, на которых расположены городища Юртобор 6 и Вак-Кур 2 с селищем, остатки построек прослеживаются более четко. На городищах Карагай Аул 1 и Карагай Аул 4, расположенных на возвышенном участке местности среди выраженных гривных вхолмлений с перепадами высот 2–3 м, остатки сооружений наземного типа прослеживаются менее отчетливо. Вероятно, сказалась большая высота полета БПЛА, примененная для съемки большего по площади участка местности, и соответственно было получено более низкое значение результирующего разрешения ЦМР.

В ходе дешифрирования ЦМР в программе ArcMap мы применяли фильтрацию по высоте рельефа, используя для этого настройки растяжки изображения по диаграмме; данный метод помогает в обнаружении локальных черт рельефа. В ходе данных работ мы производили локальную фильтрацию отображаемых данных на ЦМР, с целью выделения локальных небольших перепадов высот характерных для археологических памятников.

Наибольшую проблему в обработке данных с LiDAR с целью поиска археологических структур является «зашумленность» данных, особенно сильно это заметно на обработке больших участков, результатом съемки которых являются несколько совмещенных облаков точек. На границах совмещения облаков зачастую и образуются артефакты, мешающие обработке. С данным явлением помогают справиться различные алгоритмы оптимизации и фильтрации, сглаживания облаков точек, встроенные в ПО Argisof Metashape и LiDAR 360, однако эти инструменты не решают проблему полностью. Существуют дополнительные различные алгоритмы обработки растровых изображений в геоинформа-ционных системах. В нашем случае мы использовали алгоритмы арифметического сглаживания изображений с помощью соответствующего инструмента в ArcMap 10.8.

Заключение

Тестовое использование LiDAR дало первые результаты выявления как укрепленных, так и неукрепленных поселений восточного варианта иткульской культуры переходного периода от бронзового века к раннему железному: была исследована значительная территория, уточнена конфигурация и привязка к рельефу известных памятников археологии, выявлены новые объекты, которые с высокой долей вероятности могут быть соотнесены с восточным вариантом иткульской культуры. Также были получены данные, способствующие отработке методики съемки и дешифрирования подобных объектов. Так, было установлено, что для получения более качественных результатов дешифрирования требуется выработка оптимальных параметров съемки больших участков местности и практика в их обработке при совмещении нескольких облаков точек. Предположительно, наиболее приемлемой может являться высота полета не более 100 м, которая позволяет получить максимальное результирующее разрешение ЦМР и более отчетливые очертания объектов.

Тем не менее важным преимуществом воздушного лазерного сканирования является тот факт, что оно дает подробную информацию о рельефе местности в виде цифровой модели, а его использование позволяет подвергнуть обследованию обширную территорию и получить информацию о рельефе и объектах археологии даже под пологом леса. Характерные признаки кольцевых городищ восточного варианта иткульской культуры переходного времени от бронзы к железу в долине р. Тобол, присущие на этой территории только памятникам данной культуры, при применении воздушного лазерного сканирования позволят с высокой долей вероятности определять и идентифицировать эти структуры на снимках местности в случае их обнаружения.