Применение фотограмметрии при проведении археологических исследований на территории Сибири (по результатам работ в 2018-2021 годах)

Объекты археологического наследия являются материальным капиталом национальной культуры, и задача его сохранения стоит перед всем российским обществом, а не только перед археологами, историками, антропологами и т.д. В современном мире существует множество факторов, угрожающих разрушением или уничтожением памятникам археологии, как выявленным, так и не известным еще науке на сегодняшний день. Одним из средств сохранения и изучения памятников археологии, прочно укрепившимся в инструментарии специалистов-археологов, является аэрофотосъемка с использованием беспилотных воздушных судов в совокупности с комплексом фотограмметрических работ.

В полевые сезоны 2018–2021 гг. авторы статьи, в рамках выполняемых разведок и раскопок, производили аэрофотосъемку территорий различных объектов археологии, расположенных в Уральском и Сибирском федеральных округах Ро ссийской Федерации с созданием для каждого из них пакета электронных файлов-документов, основными визуальными компонентами которого являются полигональная модель, цифровая модель местности и ортофотоплан.

Основные цели таких работ – визуализация состояния территорий, занимаемых объектами археологического наследия и анализ элементов рельефа современной поверхности, документирование археологических раскопок.

За 4 полевых сезона было обследовано 23 объекта.

• 1.    Новосибирская область:

  – Стоянка Сарапулка – полученный в ходе археологических раскопок комплекс фотограмметрических данных, вкупе с результатами раскопок, свидетельствует о кратковременных эпизодах посещения стоянки;

  – Курганный могильник Заречно-Убинское-1 (раскоп 2019 г.) – основываясь на цифровой модели рельефа, стало возможным детально зафиксировать слабовыраженные характеристики курганной насыпи до начала исследования;

  – Стоянка Волчья Грива – комплекс фотограмметрических данных позволяет существенно дополнить и детализировать топографический план земельного участка, занятого стоянкой, и визуализировать современное состояние объекта при со-

• ставлении проектных решений предполагаемой музеефикации.

• 2.    Кемеровская область – Кузбасс. Стоянка Тай-леп 4–8, Стоянка Зеленый Луг 2, 3, Стоянка Сарба-ла 3а, Сарбалинская стоянка (она же Стоянка Сар-бала 1) – все эти объекты были выявлены в 2021 г. и попадают в зону хозяйственного освоения угледобывающими компаниями региона. Полученные в ходе реализации программы трехмерного моделирования территорий стояночных комплексов данные служат верифицируемым источником для разработки проектов мероприятий по сохранению объектов культурного наследия и позволят наглядно демонстрировать проектные решения перед заказчиками работ.

• 3.    Красноярский край. Стоянка «Станция Ло-зичная», стоянка «Лагерь «Чайка» – объекты располагаются в зоне расширения железной дороги, данные трехмерного моделирования были использованы при подготовке топографических планов и разработке проектов мероприятий по обеспечению сохранности этих памятников.

• 4.    Республика Хакасия:

  – «Абакан-15. Одиночный курган» – по результатам трехмерного моделирования детально охарактеризовано современное состояние погребальной надмогильной конструкции и прилегающей территории, данные использовались при разработке проекта мероприятий по обеспечению сохранности кургана;

  – «Могильник Казановка-10» – фотограмметрические работы проводились на ряде участков памятника, с целью детальной фиксации археоло-гизированных объектов (ям, сооружений, скоплений камней и т.д.) и последующим использованием этих данных в подготовке научной отчетной документации.

• 5.    Ханты-Мансийский автономный округ – Югра (на всех исследованных объектах фотограмметрические работы проводились как на этапе фиксации современной поверхности, так и в ходе раскопок):

• – селище Кулунигый 5 (раскоп 4, 2019 г.) – по материалам фотограмметрии производилась фиксация, составление чертежей и описание археоло-гизированных сооружений;

  – группа впадин Кулунигый 64 – совокупность полученных данных трехмерного моделирования позволила наглядно демонстрировать погребальный характер объекта и локализовать распространение могильного поля;

  – группа впадин Кулунигый 66 – данные трехмерного моделирования позволили детально охарактеризовать и визуализировать состояние внешнего вида археологизированных сооружений (ям-ловушек) на момент раскопок, серия планигра-фических разрезов, выполненных по мере разбора отложений в раскопе, демонстрирует изменчивость пространственных и метрических характеристик этих сооружений;

  – поселение Кулунигый 71 – комплекс цифровой документации позволяет охарактеризовать динамику освоения мысовидного участка террасы, выявлять последовательность естественных нарушений и смещения рыхлых отложений в пространстве;

  – группа впадин Кулунигый 72 – данные фотограмметрии использовались при разработке проекта мероприятий по обеспечению сохранности объекта археологического наследия, ортофотопланы использовались для составления научной отчетной документации;

  – могильник Кулунигый 73 – данные трехмерного моделирования позволили визуализировать состояние внешнего вида объекта, по материалам фотограмметрии производилась фиксация, составление чертежей и описание археологизированных сооружений.

• 6.    Ямало-Ненецкий автономный округ. «Стоянка Сабрявпензя» – объект находится в зоне строительства нитки магистрального газопровода. Данные трехмерного моделирования были использованы при подготовке топографического плана, подготовке научной отчетной документации и разработке проектов мероприятий по обеспечению сохранности стоянки.

На выполнение разовых полетов воздушных судов массой 0,25–30 кг берется соответствующее разрешение в Федеральном агентстве воздушного транспорта (можно оформить через портал Госус-луги ). Кроме того, на рынке представлены воздушные суда массой менее 0,25 кг, не требующие специальных разрешений, но и проигрывающие по качеству съемки.

Производственно-оперативная цепочка при съемке состоит из нескольких этапов.

На первом этапе выполняется облет обследуемой территории с использованием беспилотного воздушного судна (в нашем случае использовались квадрокоптеры DJI Phantom 4 Proffesional и Mavic 2 Zoom Pro со стандартными объективами, предварительно откалиброванными). Фотографическая съемка велась в 2–4 проекциях в плановом режиме (камера направлена строго вниз), дополнительно производилась съемка под произвольным углом. Разрешение съемки от 1,28 мм/пикс до 2,47 см/пикс. Частота снимков с шагом перекрытия 40–60 %. Средняя высота полета – 50–70 м над современной дневной поверхностью, в некоторых случаях до 100 м. Позиционирование воздушного судна определяется в системе координат WGS-84, привязка к региональной системе координат производилась в зависимости от целесообразности. Суммарная дисторсия на первичном разведочном этапе археологических работ не имеет существенного значения, при проведении раскопочных работ увязка производилась по контрольным опорным точкам (маркерам), снятым в местной системе координат при помощи электронного тахеометра или двухчастотного GPS-приемника. Использовались как самостоятельно изготовленные маркеры (полотно белого цвета с центровкой в виде перекрестья, размерами 0,5 × 0,5 м или 1 × 1 м), так и стандартные, предлагаемые программой Agisoft PhotoScan (металлическая пластина с графическим и цифровым кодом, размерами 0,045 × 0,045 м или 0,2 × 0,2 м). Размерность маркеров зависит от масштаба производимой съемки.

На следующем этапе выполнялась пакетная обработка массива данных в программе Agisoft Metashape Professional (ранее PhotoScan). Предваряют процедуру выравнивание и оптимизация камер (фотографий). На основе полученной съемки строится плотное облако точек, затем выстраиваются карта высот, полигональная модель, цифровая модель местности и ортофотоплан [Усманов, Гайнуллин, Хомяков, 2018; Цзя Сяобин, 2017; Чжоу Чжэньюй, 2017]. В результате трехмерного моделирования создается визуальный объемный образ территории объекта археологии. Экспорт полученных данных возможен в различные форматы – от JPG до KMZ.

Список задач, которые можно выполнять на основе данных аэрофотосъемки в совокупности с комплексом фотограмметрических работ, значителен, приведем некоторые из них:

• –    корректировка плановых элементов топографического плана;

• –    определение пространственных характеристик элементов рельефа объекта археологии и археоло-гизированных сооружений;

• –    использование полученных изображений для качественного описания территории объекта археологического наследия и его элементов;

• –    ландшафтно-топографическая характеристика территории объекта археологического наследия;

• –    мониторинг технического состояния памятников археологии во временной динамике;

• –    планирование мероприятий по обеспечению сохранности объектов археологического наследия;

  
  
  

• -    принцип корреляции в программных продуктах для аэрофотосъемки не позволяет отображать резкие перегибы рельефа [Михеева, Ялтыхов, Парадня, 2021].

Таким образом, данные аэрофотосъемки с комплексом фотограмметрических работ не могут заменить полноценную топографическую съемку территории, но могут использоваться в качестве подосновы для ее подготовки.

Документирование раскопа и его частей явля- ется отдельной областью применения трехмерного моделирования и ортотрансформирования снимков. В оперативно-производственную цепочку добавляются следующие этапы:

• -    перед фотографической съемкой планиграфи-ческого или стратиграфического разреза на его поверхности размещаются контрольные точки (мар-

• Рис. 1. Выявленный объект археологического наследия «Стоянка Сарапулка».

1 - ортофотоплан; 2 - цифровая модель рельефа.

• -    документирование раскопа, его элементов, стратиграфических и планиграфических разрезов, конструкций, сооружений и т.д.

Тем не менее, данная технология, хоть и имеет уже повсеместное распространение в археологии, имеет ряд недостатков, проигрывая лазерному сканированию. Перечислим основные:

• -    искажение высот, габаритов и формы зданий на открытой местности [Хрущ, 2018];

• -    отсутствие точек рельефа и текстур под растительностью;

• -    проявления «эффекта колодца» (в стесненных участках без возможности качественного стереомоделирования коррелятор не создает облако точек) [Рыльский, Калинкин, 2017];

• -    отсутствие данных или некорректное отображение высоких элементов с малой площадью в основании (столбы, вышки и т.д.);

• -    искажение формы и шум облака точек;

176 и,

155 н|

133 ме

79J и

Рис. 2. Выявленный объект археологического наследия «Стоянка Волчья Грива». 1 - ортофотоплан; 2 - цифровая модель рельефа.

керы), при помощи геодезического оборудования определяются их координаты в используемой системе координат;

– после загрузки в Agisoft Metashape Professional фотографий (камер) производится поиск маркеров и подтверждение неопознанных программой маркеров;

– после выравнивания и оптимизации камер, построения плотного облака точек производится импорт координат с отбраковкой по мере необходимости маркеров, дающих недопустимую погрешность;

– после построения ортофотоплана из него вырезается и экспортируется требуемый полигон в заданной системе координат в программы для создания растровых чертежей, например AutoCAD, IndorCAD и т.д.

Одними из главных преимуществ фотограмметрии является возможность повторного обращения к полученному визуальному объемному образу объекта и верификация результатов работы на любом ее этапе.

Развитие технологий цифровой фотосъемки с использованием беспилотных воздушных судов, программ автоматической генерации 3D-точек и цифрового ортотрансформирования снимков способствует получению более качественной информации об исследуемых объектах, представлению результатов работ общественности и, как следствие, сохранению и изучению историко-культурного наследия.

Работа выполнена по проекту НИР ИАЭТ СО РАН № 0264-2021-0008.