Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Основы разработки и использование фотограмметрических методов в полевых археологических исследованиях 14
1.1. История изучения проблемы 14
1.2. Обоснованность выбора и применение стереофотограмметрической съёмки в полевых археологических исследованиях 22
Глава 2. Археологические исследования в условиях городской застройки 35
2.1. Город как объект археологического исследования 35
2.2. Город, городская среда и условия проведения археологических исследований 40
2.3. Выявление и фиксация объектов историко-культурного наследия в условиях города 52
Глава 3. Стереофотограмметрическая съёмка археологических объектов с использованием мультйспектральных средств 62
3.1. Описание технологического процесса 62
3.1.1. Выбор и требования к применяемой аппаратуре 71
3.1.2. Программные средства обработки и просмотр стереоизображений 75
3.2. Особенности выявления искусственных малоглубинных погруженных объектов мультиспектральными (инфракрасными) методами 80
Глава 4. Применение методов стереофотограмметрии при исследовании объектов археологического наследия (на примере исследований Увекского и Алексеевского городищ) 89
4.1. Увекское городище. Краткое физико-географическое описание и особенности археологических исследований 1913 и 2002, 2004 гг 89
4.1.1. Анализ фотограмметрических снимков раскопок на Увеке в 1913 г. 91
4.1.2. Археологические исследования 2002 г 97
4.1.3. Археологические исследования 2004 г 106
4.2. Алексеевское городище. Краткое физико-географическое описание и особенности археологических исследований 2001 г 111
Заключение: Выводы и основные результаты работы 119
Список сокращений 123
Библиографический список 125
- Обоснованность выбора и применение стереофотограмметрической съёмки в полевых археологических исследованиях
- Выявление и фиксация объектов историко-культурного наследия в условиях города
- Особенности выявления искусственных малоглубинных погруженных объектов мультиспектральными (инфракрасными) методами
- Алексеевское городище. Краткое физико-географическое описание и особенности археологических исследований 2001 г
Введение к работе
В ряду антропогенно изменяемых территорий городская застройка наиболее существенно влияет на состояние известных и ещё не выявленных археологических памятников. Многовариантность архитектурно-планировочных и конструктивных решений зданий, возводимых в настоящее время, увеличение скорости выполнения строительных работ намного опережают темпы проведения археологических исследований и охранно-спасательных мероприятий. Многие памятники гибнут при строительстве, будучи не выявленными, либо исследуются не в полном объёме. Требуется их фиксация, документирование, учёт, составление карт. Это предполагает использование широкого круга современных технологий, как в полевых исследованиях, так и в аналитических процедурах. Эффективность их применения зависит от многих условий, связанных как с характером, обследуемого участка городской застройки, качеством используемой аппаратуры, так и с анализом полученного материала, который напрямую зависит от режима восприятия, осмысления, интерпретации конкретного исследователя. Поэтому априорные рекомендации по выбору того или иного метода малоперспективны.
В зарубежной практике полевых исследований естественнонаучные методы успешно применяются на протяжении последних тридцати лет1. Применение данных дистанционного зондирования
1 Archaeological Prospection. Forth International Conference on Archaeological Prospection. Vienna, 19-23 September 20011 Eds Doneus M. et al. - Wien, 2001; Barakat N., Dolphin L.T. Electromagnetic Sounder Experiments at the Pyramids of Giza. Report prepared for the NSF under Grant № 6F-3867 by Joint ARE-USA Research Team of Shams University. - Cairo: Stanford Res. Inst. 1975; Bevan В., Ken\on J. Ground-Penetrating Radar for Historical Archaeology//News Letter Museum Appl. Sci. Center Archaeol. Univ. Pensylvania. 1975. II, №2.
(ДДЗ), с использованием приборов глобального спутникового позиционирования (GPS) и в сочетании с геофизическими методами (так называемые «комплексные проекты»), позволяет изучать археологические памятники неразрушающими методами в условиях промышленных территорий и городских строений2. Следствием таких комплексных проектов, объединяющих усилия специалистов разных направлений, требующих крупного финансирования и долговременного исследования, является детальная реконструкция исторических процессов, связанных с конкретным археологическим памятником.
В отличие от зарубежной, отечественная археология пока не обладает достаточным опытом применения естественнонаучных технологий. За немногими исключениями отсутствуют целостные приоритеты в осознании важности и перспективности направления. Комплексный проект городища Чича3 и исследования отдельных специалистов4 лишь подчёркивают разрозненный характер применения новых технологий.
В>настоящее время в рамках Отдела охранных раскопок Института археологии Российской академии наук (ИА РАН) создана специализированная группа археолого-географических информационных систем (АГИС), в задачи которой входит практическое применение современных технологий в рамках проведения крупных ново-строечных проектов5.
2 Wheatley D., Gillings М. Spatial Technology and Archaeology. The archaeological applications of GIS. - London;
New York, 2001.
3 Чича - городище переходного времени от бронзы к железу в Барабинской лесостепи // Материалы по ар
хеологии Сибири. - Новосибирск, 2001. - Вып.1. - С. 19-22.
4 Афанасьев Г.Е., Зотько М.Р., Коробов Д.С. Первые шаги «космической археологии» в России (к дешиф
ровке Маяцкого селища) // РА. - 1999. - №2. - С. 12-15; Афанасьев Г.Е. Новые результаты применения ПІС
и ДЗ-технологий в изучении археологических памятников Кисловодской котловины // XXII «Крупновские
чтения» по археологии Северного Кавказа. Тез. докл. конф. - Ессентуки; Кисловодск, 2002.
5 Коробов Д С. Круглый стол «Геоинфорчационные технологии в археологических исследованиях» // РА. -
2004. -№1.- С. 181-183.
При обследовании археологических памятников ценность и достоверность научных материалов зависит от средств и методов полевой фиксации, полноты сопровождающей её научной документации6. Содержащая информацию научная документация служит источником дальнейшего изучения археологических памятников. Это накладывает особые требования к выбору основных средств и мето-дов археологического обследования . Критерий выбора того или иного метода (или комплекса методов) определяется техническими возможностями используемых средств и задачами предстоящего исследования.
Задачи археологического обследования в условиях города -при ограниченном финансировании и лимите времени - свести к минимуму ущерб археологическому памятнику от строительных работ, выявить и зафиксировать объект в связи с природной' обстановкой. Эти задачи наиболее* полно решает стереофотограмметрия^ (СФГ) -раздел фотограмметрии (ФГ), изучающий? методы измерения объёмных форм, рельефа местности, пространственного положения объектов по стереопаре фотоснимков8.
Методика традиционной фотосъёмки археологических памятников, применяемая в полевых исследованиях, сводится к профильным, а чаще площадным фотосъёмкам9. Условия города накладывают на применение фотографических методов ряд ограничений, связанных как с выбором точки съёмки, так и с условиями проведения исследований. Опыт показывает, что только визуальный анализ археологических снимков, без определенной обработки, дает малую
6 Мартынов А.И., Шер Я.А. Методы археологического исследования. - М.: Высшая школа, 1989. - 223 с.
7 Станюкович А.К. Основные методы полевой археологической геофизики // Естественно-научные методы в
археологии. - M.: ИА РАН, 1997. - Вып.1. - С. 19-42.
8 Лобанов А.Н. Фотограмметрия. - М.: Недра, 1984. - 552 с.
9 Методика полевых археологических исследований / Отв. ред. Д.Б. Шеллов. - Л.: Наука, 1989. -100 с.
часть возможной информации об объекте. Применение специальных математических методов расшифровки фотоснимков позволяет резко повысить их информативность и дает качественно новые данные об объекте исследования. Такие задачи решает стереофотосъёмка с последующей стереофотограмметрической обработкой полученных снимков, которая позволяет с любой степенью детализации провести измерение объекта (группы объектов) и пространственно интерпретировать его относительно других объектов. СФГ даёт возможность существенно повысить информативность и достоверность обычных фотоизображений за счёт использования стереоприставок, двух и более камер, которые позволяют измерять глубину изображения и восстанавливать пространственные формыего элементов. Обработка любой стереопары фотоснимков может быть повторена (проверена), и, если атрибуты ясно определены, то другие археологи могут произвести те же измерения, осуществить обработку данных и оценить результаты.
Широкое распространение методов стереофотограмметрии< в археологии ранее сдерживалось необходимостью использовать сложное, дорогостоящее оборудование: метрических съёмных сте-реокамер, стереокомпараторов, фототрансформаторов, фотограмметрических станций и применялось, в основном, в топографии и картографии больших участков земной поверхности. Для измерения сравнительно малых объектов в архитектуре, строительстве, технике, полевых археологических исследованиях и т.п., фотограмметрическая технология применялась значительно реже.
В настоящее время ситуация кардинально меняется благодаря широкому использованию цифровых камер в полевых исследованиях, появлением доступных цифровых фотограмметрических систем и развитием соответствующего программного обеспечения для персо-
нальных компьютеров. В связи с чем, возникла потребность в более широком использовании стереофотограмметрических методов в археологических исследованиях.
Важным аспектом археологических исследований будет являться применение трёхмерной съёмки археологических памятников методами стереофотограмметрии, регистрация и обработка данных в полевых условиях, оцифровка крупных и труднодоступных объектов. Новым направлением в исследованиях являются автоматическая фотограмметрия и топографическая съёмка труднодоступных археологических объектов с помощью дистанционно-управляемых роботов10. Кроме того, последние успехи в области инфракрасной и радиотепловой техники11, открывают широкие перспективы не только фиксации археологических памятников, получения топографии, но и обнаружения и уверенной идентификации археологических объектов в условиях городской застройки без проведения земляных работ.
Прогноз Европейского Союза (ЕС) в области культурного наследия- показывает, что ведущую роль на протяжении, ближайших десятилетий будет играть археология в синтезе с естественнонаучными методами, прежде всего, на базе технологической и реконструктивной археологии. Это предполагает развитие и использование стереофотограмметрических методов в археологии.
Этой актуальной и перспективной задаче полевой археологии посвящено данное диссертационное исследование - разработка теоретической концепции, адаптации методов и практических приёмов стереофотограмметрических исследований в условиях городской за-
10 Смит Б. Исследовательская деятельность Европейского Союза в области культурного наследия // VI-
международная конференции EVA 2003 Moscow «Информация для всех: культура и технологии информа
ционного общества». - га
11 Plotnikov Р.К., Sing3tulin R.A., Ramzaev А.Р., Dremov I.I. Application of method of infra-red photogrammetry
for identification of underground archaeological tracks and rests of constructions in urbanist's conditions IIIV-
International Symposium turkish-german joint geodetic da>s. - Berlin, 2001.
стройки. На основании данной концепции может быть повышена эффективность проведения полевых (археологических) работ на урбанизированных территориях.
Данная работа опирается на результаты исследований двух средневековых городищ методами мультиспектральной стереофото-грамметрии (видимого и инфракрасного диапазонов), расположенных в городской черте г. Саратова - Алексеевского и Увекского. Изучение этих городищ проводилось в рамках различных хоздоговорных, научно-исследовательских геофизических, полевых археологических исследований. Были произведены: археологические разведки на территории и близлежащей акватории Волгоградского водохранилища посёлка Увек г. Саратова (2002 г., 2004 г.); геолого-археологические работы ГУК НПЦ по историко-культурному насле-дию Саратовской области в районе Алексеевского городища (2001 г.); археологические разведки и охранно-спасательные работы на Алексеевском городище (2004 г.).
Работа выполнена в Институте истории им. Ш.Марджани АН' РТ, в Саратовском отделении Научного совета по проблемамтатаро-ведения при Институте истории им. Ш.Марджани АН РТ, в археологической лаборатории педагогического института Саратовского госуниверситета, на кафедре «Приборостроение» Саратовского технического госуниверситета.
В ходе подготовки представляемой работы использовались архивные материалы и археологические коллекции исследованных памятников из фондов Саратовского областного краеведческого музея (СОМК), Энгельского краеведческого музея, ГУК НПЦ по историко-культурному наследию Саратовской области.
Автор выражает благодарность П.К. Плотникову, А.Г. Мухама-диеву, Ф.А. Рашитову, А.П. Рамзаеву, И.Л. Измайлову, Д.В. Черепа-
нову, А.И. Юдину, А.В. Балановскому, А.В. Иванову и, особенно, Д.С. Худякову за помощь в работе, сборе материалов и возможность ознакомиться с неопубликованными коллекциями исследованных ими памятников.
Цель и задачи исследования состоят в системном изложении теоретических и практических подходов к применению и совершенствованию стереофотограмметрических технологий в условиях городской застройки. Реализация данной цели предполагала решение следующих задач:
1. показать основные вехи* развития и интеграции физических
методов и археологии, дать историографический обзор формирова
ния и развития фотограмметрического направления;
обосновать выбор и применение (мультиспектральной) сте-реофотограмметрической съёмки в полевых исследованиях;
изложить основные подходы проведения археологических исследований в условиях городской застройки, дать характеристику их эффективности;
показать перспективы применения и развития стереофотограмметрических методов в практике полевых исследований;
показать практическое применение технологии стереофотограмметрических работ в условиях города на примере Алек-сеевского и Увекского городищ.
Методологической основой диссертации являются: системный подход к изучению объектов археологического наследия; комплексный подход к методам полевых археологических исследований и использованию методов полевой научной фотографии, естественнонаучных и технических наук.
Научная новизна работы определяется комплексным применением мультиспектральных стереофотограмметрических техноло-
11 гий при археологических исследованиях в условиях городской застройки.
1. Предложены и апробированы новые концептуальные подхо
ды при исследованиях объектов археологического наследия в усло
виях городской застройки.
Обобщены некоторые принципы адаптации стереофотосъём-ки с традиционными методами полевой научной фотографии.
На основе предложенных подходов апробированы методы мультиспектральной (видимой, инфракрасной и радиотепловой) стереофотограмметрии при полевых исследованиях.
На основе адаптированных подходов предложены аппаратные средства для поиска, фиксации и идентификации археологических объектов.
Научная ценность работы состоит в совершенствовании археологических методов исследования; применении принципов естественнонаучных методов в гуманитарных исследованиях, для нужд археологического знания; получении, в процессе раскопок и разведок максимальной информации и точной документации. Это выражается в следующем:
Научно обоснованы стереофотограмметрические подходы при исследованиях в условиях городской застройки.
Освещены некоторые перспективы применения мультиспектральной (инфракрасной) стереофотограмметрии и реализации данного метода при полевых исследованиях.
Обобщены некоторые принципы адаптации стереофотосъёмки и полевой фотографии.
Практическая значимость работы. Важнейшим фактором значимости диссертационного исследования является возможность
применения материалов и теоретических разработок на практике. Основные положения и разработки диссертации могут быть использованы при создании охранных зон в городах, мониторинге объектов археологического наследия, исследовании и классификации новых памятников.
На практике разработан новый метод исследований.
Результаты исследований нашли применение при проведении полевых изысканий на Увекском и Алексеевском городищах.
Результаты исследования могут иметь методическое значение и быть использованы при разработке более прогрессивных решений, создании автоматизированных экспертных систем в археологии.
Результаты исследования могут быть использованы в практике установлении границ памятников археологии, определения границ земель историко-культурного назначения, особо охраняемых земель, наложения сервитутов при попадании участков с археологическими объектами в частную собственность, при проведении археологического исследования культурного слоя и погребальных памятников.
Апробация, работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международной научно-практической конференции «Великий Волжский путь» (Саратов, 2001 г.), VIII-Донской международной археологической конференции «Проблемы археологии и этнической истории Дона и Северного Кавказа» (Ростов на Дону, 2002 г.), Всероссийской конференции посвященной 100-летию А.Е. Алиховой (Пенза, 2003 г.), VIII-Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навигационным системам (Санкт-Петербург, 2001 г.), IV международном симпозиуме «Turkish-German Joint Geodetic Days» (Берлин, 2001 г.), на заседаниях ка-
федр в Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского, Саратовском государственном техническом университете, на заседаниях Научного совета по проблемам татароведения Саратовского отделения Института истории им. Ш. Марджани Академии наук Республики Татарстан, а также в приведённых публикациях.
Структура работы определяется основными целями и задачами предпринимаемого диссертационного исследования.
Диссертация содержит четыре главы, которые освещают отдельные рассматриваемые вопросы, приводятся материалы апробированных решений, даётся описание как известных, так и вводимых автором в научный оборот материалов исследований, дополнительно обосновываются некоторые конкретные выводы.
Обоснованность выбора и применение стереофотограмметрической съёмки в полевых археологических исследованиях
Одной из приоритетных задач археологии являются поиски, выявление (идентификация) и фиксация археологического памятника. Эти задачи выполняет археологическая разведка, которая выявляет скрытые археологические памятники, утратившие внешние отличительные признаки. По определению: Археологический памятник - это литологическое тело и геоморфологический объект, содержащий в трансформированном природными процессами виде остатков древней культурной активности - вещи и/или структуры35. Обнаружение археологических памятников по внешним признакам и по находкам- артефактов и составляет задачу археологических разведок с целью создания археологической карты, мониторинга сохранности. Используются как визуальные, так и технические методы разведки. Особо выделяются разведки археологических памятников в зонах крупного промышленного строительства, прокладки нефтегазовых магистралей, в условиях современной городской реконструкции и застройки. По закону об охране памятников они должны быть полностью выявлены и исследованы36. Однако на практике, в силу различных социально-экономических условий, экологических , технических и иных причин проведение археологических исследований на территории ранее выявленного или предполагаемого археологического памятника, тем более - раскопок, во многом затруднены. Изыскания, геодезические работы и археологические обследование для строительства и в процессе его проведения на городской территории имеют ощутимую стоимость. Эта стоимость складывается не только из стоимости труда, оборудования, эксплуатационных, амортизационных и других расходов, но и из потерь времени для осуществления строительных работ. Ранее этот факт не фиксировался и не оценивался. Теперь же рыночные отношения и необходимость сокращения цикла инвестиционного периода потребовали сокращения всех процессов, в том числе и на проведение археологических обследований, что и подтвердилось, например, охранно-спасательными исследованиями на территории Казанского Кремля и в исторической части г. Казани37.
Это накладывает определённые требования к выбору эффективных методов и средств проведения/ археологической разведки, которые должны удовлетворять следующим1 критериям: быстро; эффективно; дешево; доступно. На сегодняшний день существует значительное количество естественнонаучных методов, адаптированных к решению археологических задач на урбанизированных территориях .
В практике археологических исследований широко известно применение радиолокационной техники , электроразведки , магни-торазведки41, гравитометрии и других естественнонаучных методов исследований42. Однако эти методы дистанционного обследования применяются в археологии лишь в редких случаях, ввиду сложности интерпретации полученных данных, дороговизны и ограниченной пригодности (особенно в специфических условиях городской застройки)43. Данные такого обследования нередко неоднозначны и недостаточны для определения культурной и хронологической принадлежности обнаруженного памятника. Благодаря возможности фиксации малых аномалий44 эти методы чаще применяют для выбора места раскопок на памятнике45, чем для обнаружения самого памятника и лишь в редких случаях данные, полученные вышеперечисленными методами, не требуют подтверждения последующими полевыми работами.
Наличие большого выбора методов естественнонаучных технологий не случайно. Эффективность отдельно взятого естественнона-учного метода при полевых исследованиях оказывается невысокой . Оно свидетельствует об отсутствии универсальных методов. Поэтому только рациональный выбор комплекса методов может дать высокий эффект при проведении полевых исследований47. В свою очередь, возрастание количества комплексируемых методов ведёт к удорожанию стоимости исследований и увеличению времени на их выполнение. Поиск компромисса между этими факторами определяется задачами и целями исследования.
Применение естественнонаучных методов при исследовании археологических памятников предполагает решение следующих основных задач48: реконструкция планировки и границ известных археологических памятников; определение пространственных характеристик археологических объектов; поиск археологических памятников и археологических объектов на локализованных территориях. Привлечение для анализа археологического памятника всё большего числа различных методов и средств, приводит к тому, что объём данных при этом резко возрастает, как и возрастает объём необработанной и избыточной информации. Это затрудняет и задерживает проведение исследовательских работ. Кроме того, полевые исследования строго регламентируется применяемыми средствами и методами, что ограничивает применение новых естественнонаучных технологий. Согласно положениям, предъявляемым к полевым работам Отделом полевых исследований (ОПИ) Института археологии РАН, в функцию которого входит научный контроль и регламентация экспедиционных исследований, разработка более совершенной методики полевых изысканий заключается в качественном проведении полевых исследований, получением в процессе раскопок и разведок максимальной информации и точной документации49. Т.е., процесс полевых исследований подразумевает использование эффективных методов и средств по обнаружению археологического памятника, идентификации, составлении полной документации и строгой фиксации выявленного объекта по отношению к окружающей обстановке50. При выявлении и фиксации археологических памятников с помощью дистанционного обследования таким универсальным методом и средством является фотография, фотографический (мультис-пектральный) способ.
Выявление и фиксация объектов историко-культурного наследия в условиях города
Выявление и фиксация археологических памятников (планировка, границы и др.) в условиях городской застройки производится визуально или на основании ДДЗ - аэро-, космофотоснимков, ближней (локальной) стереофотосъёмки и др. естественнонаучных методов.
Визуальное выделение археологического памятника основывается на распознавании внешних характерных признаков (вал, ров, следы строений, концентрация керамики и др.) при участии археолога-исследователя (эксперта).
Выделение археологического памятника по аэро- и космофо-тоснимкам осуществляется фотограмметрическими методами с использованием компьютеризированных средств, предъявляющих определённые требования к исходной информации; полноты и точности характерных геометрических и радиометрических данных, ландшафтной и геоэкологической обстановки . Отправной точкой служат базовые данные, составляющие основу ГИС: электронные карты, цифровые модели рельефа (ЦМР) . Современные графические станции в состоянии обрабатывать и выявлять (выделять) объекты и структуры отдельных строений в условиях города40.
Задача выделения (фиксации) археологических памятников относительно объектов городской застройки возможна только после обнаружения и идентификации памятника41. Очевидно, что объекты и структуры современных строений необходимо также фиксировать. Известные методы выявления и выделения (фиксации) объектов застройки разработаны применительно к специфике спутниковых снимков, в соответствии с которыми используются алгоритмы модели зданий . Данные алгоритмы могут быть адаптированы и для выявления и выделения объектов и структур археологического памятника43. Модель подразумевает, что здание (объект или структура) обладает следующими признаками44: 1. Объект в целом светлее фона (для видимого диапазона волн). 2. Объект или структура темнее фона (для инфракрасного диапазона волн). 3. Объект имеет Na прямых углов. N может быть равно и нулю. 4. Объект или структура имеет смежный признак класса «тень» (опционально для инфракрасного диапазона), которое характеризируется диффузионными и эрозийными процессами фундаментных строений.
Для выделения археологического памятника по результатам аэро- и космофотосъёмки застроенных территорий используется двухуровневая стратегия обработки ДДЗ45. Первый уровень осуществляет предварительную обработку растрового изображения, необходимую для векторизации и выделения некоторой информации, необходимой для классификации. Второй уровень, базируясь на результатах работы первого уровня, проводит анализ полученного векторного изображения, на основе заранее сформированных критериев отбора, признаков описания и пространственных соотношений.
Предварительная обработка, векторизация, анализ и распознавание осуществляется компьютеризованными средствами.
Выявление сложных структур в городской застройке, к которым относятся и объекты археологического наследия, прибегают к их содержательному расчленению. Традиционно используется два подхода: покомпонентный и посистемный46.
Покомпонентный подход направлен на составление аналитических карт, естественнонаучными методами (в основном в лабораторных условиях), отдельных компонентов (анализ на ионы фосфата, ртути, липиды и др.). Подход во многом зависит от масштаба съёмки, требований к полноте и детальности исследований. Целостную характеристику можно получить при сопоставлении различных компонентных карт (сопряжённой мультиспектральной съёмки).
Посистемный подход направлен на расчленение территории на участки, обладающих определёнными свойствами (например, визуальной концентрацией однотипной керамики), позволяющими классифицировать данный выдел как целостный (гончарный квартал).
Выделение археологического памятника как морфологической целостности требует детализации его территории. Это требует применения ближней (локальной) съёмки, обработки результатов исследований методами ФГ47.
Необходимы определённые классификационные принципы в представлении археологического памятника (или групп памятников) как территориальной системы в городской застройке, состоящей из морфологических частей. Данная задача является, по сути, ключевой при выполнении археологических исследований в условиях города.
Объекты поисковых работ. Согласно классификации А.К. Станюковича48, археологическая геофизика изучает скрытые искусственные объекты в верхней части геологического разреза (ВЧР) естественнонаучными, неразрушающими методами. В перечень этих методов входят многие геофизические и близкие к ним другие методы дистанционных исследований: аэро- и космофотосъёмка, электроразведка, магниторазведка, гравитационная разведка, радарное зондирование, ядерно-физические методы и др. Естественнонаучные методы в полевой археологии могут решать широкий круг исследовательских задач. Эффективность их применения во многом определяется постановкой археологической задачи (что искать, что определять) и возможностью применяемого метода при исследованиях культурного слоя конкретного памятника.
Особенности выявления искусственных малоглубинных погруженных объектов мультиспектральными (инфракрасными) методами
Предпосылками применения естественнонаучных методов в полевых условиях являются контрастность свойств объектов и среды, соотношение размеров объекта и глубины его залегания, а также соотношение уровня сигнала от объекта по сравнению с уровнем помех и шумов. Уверенное выделение объекта исследований возможно лишь тогда, когда полезный сигнал превышает уровень помех. При использовании вероятностно-статических методов возможно выделение полезного сигнала при отношении сигнал/помеха 137.
В последнее время широкое развитие получили методы инфракрасной и радиотепловой фотограмметрии, т.е. методы, основанные на применении масштабного фотографирования объектов преимущественно в инфракрасной области частот электромагнитных волн. В приложении 2 приводится теоретическое обоснование применения инфракрасных методов при археологических исследованиях.
Индуцированное инфракрасное или радиотепловое излучение, испускаемое археологическими телами и их следами, расположенными в глубине поверхностных слоев земли, содержит информацию о предыстории их расположения. Восприятие этой информации с помощью системы обнаружения и соответствующая её обработка фотограмметрическими методами позволяют определить конфигурацию и координаты расположения объектов и их следов.
Например, известен фотограмметрический аэрокосмический метод , разработанный профессором Р.Д. Мухамедяровым, который предложил оригинальную методику получения объемных тепловых снимков земной поверхности и глубинных недр из космоса от одного спутника за счет применения сканирующей аппаратуры высокого разрешения. Известны и другие труды по данному вопросу39.
Методика инфракрасных и радиотепловых съёмок практически такая же, как и при фототелевизионных съёмках. Однако, инфракрасные и радиотепловые съёмки осложнены термическими помехами, связанными с изменяющими метеорологическими условиями, неравномерным тепловым обменом земной поверхности с атмосферой, тепловым загрязнением и выбросом промышленных предприятий. Ценным преимуществом инфракрасных и радиотепловых съёмок является возможность вести разведки или съёмки в темноте, а при соответствующем выборе рабочей длины волны - в верхней части геологической среды.
Инфракрасный или тепловой метод успешно и давно применяется в промышленности для контроля качества продукции. Принцип теплового метода основан на нарушении теплового потока в местах дефектов материала. Образец (материал) нагревают с одной стороны, в результате чего возникает градиент температур (рис.3.1).
Разница температур между различными участками на поверхности образца свидетельствует о наличии дефектов, т.к. плотность теплового потока за дефектом меньше, чем в бездефектном материале. Температурное поле поверхности зондируют с помощью светосильной инфракрасной оптики. Этот метод широко используется для контроля производства различных пластмасс . По изменению теплопроводности в изготовляемом материале можно судить о наличии включений в пластмассе.
Для обработки результатов измерений широко используются программные средства41. Сопоставляя этот метод с другими, можно найти как положительные, так и отрицательные моменты применения инфракрасного (радиотеплового) метода в полевых археологических исследованиях. Если провести аналогию с промышленной термографией, то в качестве контролируемого материала будет выступать земля, а дефектом - искусственный объект (артефакт). При данной аналогии возникают ряд проблем. Во-первых, земля имеет высокую теплопроводность, что само собой затрудняет зондирование почвы по глубине. Во-вторых, в состав почвы входят довольно обильный перечень различных органических и неорганических включений, что также затрудняет распознавание искусственных объектов. В третьих, теплопроводность некоторых артефактов (керамика, строительный материал, кости и др.) сопоставима с землёй, что затрудняет интерпретацию термографического изображения объекта. В настоящее время имеется значительный аппаратный задел для успешного решения проблем малоглубинного зондирования42. В отличие от других естественнонаучных методов дистанционного обследования, инфракрасные и радиотепловые (мультиспек-тральные) стереофотограмметрические системы значительно расширяют возможности технических средств, при археологических исследованиях. В данном случае речь идёт о получении теплового изображения, обусловленного температурными контрастами (аномалиями), связанными с теплообменом между объектами (артефактами или их следами) и фонами (почвой). Аномалии на полученных снимках (см. приложение 3, рис. 25, 40, 86, 87) формируются за счёт тепловых потоков из недр, отражения солнечной энергии или искусственного индуцированного теплового потока. Они зависят от оптических, тепловых и в меньшей степени электромагнитных свойств материала верхней части геологической среды, что обуславливает их применение в условиях промышленной застройки. Имея низкую теплопроводность, почва, коэффициент излучения которой в видимой области мал, обладает в инфракрасном участке спектра очень большим коэффициентом излучения (0,72-0,96). В тоже время, лучи инфракрасного диапазона волн из-за поглощения и рассеяния проникают в землю на ограниченную глубину. При определённых технических мероприятиях глубину проникновения индуцированного излучения удаётся поднять, в некоторых случаях, от десятков сантиметров до нескольких метров, при полной идентифи-кации подземных артефактов или их следов . Работа подобных фотограмметрических систем основана на использовании активного термографического метода.
Алексеевское городище. Краткое физико-географическое описание и особенности археологических исследований 2001 г
Алексеевское городище расположено в северной части г. Саратова, в респектабельном дачном массиве. Городище занимает небольшой мыс на правом берегу Волги, ограниченный с южной стороны Алексеевским оврагом, с севера - Дудаковским. Площадь городища составляет 1,8 га.
Материалы, полученные в результате многолетнего исследования культурного слоя в раскопах и шурфах, показали уникальность Алексеевского городища среди подобных памятников Нижнего Поволжья, характеризовали его как многослойный, полиэтнокультурный памятник. На Алексеевском городище ранее были известны комплексы финальной бронзы, городецкой культуры и золо-тоордынский49. Последующие исследования расширили состав культурных комплексов: катакомбной культуры средней бронзы, сарматских материалов, керамики второй четверти I тысячелетия н.э., золотоордынской и русской средневековой культуры50.
Толщина культурных напластований 1,4-2,0 м. Верхний слой, толщиной 0,2-0,75 м, относится к позднесредневековому времени. Второй слой, 0,4-0,8 м, относится к раннему железу, третий, 0,4-0,8 м, к финальной бронзе. Чёткой границы между слоями нет, находки перемешаны, стратиграфия в большинстве случаев отсутствует51. В соответствии с последовательностью формирования культурного слоя залегали только самые крупные фрагменты керамики и развалы сосудов.
К моменту возобновления исследований Алексеевского городища52 памятник представлял из себя полностью задернованный мыс с остатками сада53, проходящими двумя грунтовыми дорогами, мелиорационными коммуникациями, дачными строениями. Раскопки 1998 г.54 показали перспективность дальнейших раскопок и возможность музеефикации памятника55.
В марте 2001 г. совместная экспедиция научно-производственного центра по историко-культурному наследию Саратовской области, археологической лаборатории педагогического института СГУ и кафедры «Приборостроение» Саратовского государственного технического университета (ПБС СГТУ) произвела выборочную глубинную термографическую стереофотосъёмку участков территории. В задачу исследований входило: апробация инфракрасных стереофотограмметрических методов глубинного обнаружения и идентификации артефактов; определение эффективной глубины инфракрасного фотографирования артефактов и степени искажения изображений на снимках; построение расчётных фотограмметрических схем и алгоритмов с учётом прохождения излучения в различных типах грунта. Работа на Алексеевском городище происходила по следующему сценарию: Исследуемый участок был заранее выбран на топоплане городища и сопоставлен с реальной обстановкой. Был проведён предварительный осмотр рабочей площадки. Обозначены подходы и предполагаемое расположение рабочего комплекса. Отмечено время начала исследований, температура воздуха, направление ветра. Было исключено влияние посторонних людей и участников экспедиций от хождений по рабочей площадке и, в особенности от курения, с целью снизить внешние неконтролируемые тепловые воздействия на аппаратуру. Подсоединён кабель питания и включена аппаратура для термокомпенсации (прогрев в течение 20-30 мин.), затем производится балансировка и настройка измерительного комплекса по контрольному маркеру. Развернута тренога и установлен азиму-тально-широтный теодолит (АШТ) с целью определения азимутальных координат рабочей площадки. Определяется направление север-юг с помощью магнитного компаса и фиксируется исследуемая площадь в поле зрения теодолита. Отмеряется участок длиной 10 м с помощью рулетки. Начало и конец линии обозначается маркером (флажок). Затем, с шагом 1 м, в левую сторону, производится параллельное обозначение первоначальной линии. Повторяется аналогично ещё 9 раз. Общее число линий, таким образом, будет 11, а площадка - размером 10x10 м. Производится подключение двухко-ординатного магнитометра и замер рабочей территории с направления север-юг, последовательно-параллельно, по условным линиям разбивки всего участка, с шагом 1 м и фиксацией прибора не менее 10 сек на исследуемом участке. Производится запись всех измерений на магнитный носитель. После чего, выбирается (исходя из предварительных записей) наиболее интенсивный, по уровню сигнала, участок рабочей площадки и развёртывается стереофотограм-метрическая аппаратура. Подготавливается площадка, снимается верхний слой снега с помощью пенопластового совка и устанавливается тренога, которая балансируется, положение которой (по специальному маркеру) фиксируется с помощью теодолита. На опорную треногу навешивается стереофотограмметрическая аппаратура, а исследуемое рабочее поле прибора закрывается экраном. После аппаратных включений (системы термокомпенсации, охлаждения и выравнивания), производится предварительный осмотр участка поверхности с помощью блока визуализации с целью введения поправочных коэффициентов. После введения поправочных коэффициентов в программу алгоритмов вычислительного комплекса, производится фокусировка зеркальной оптической системы на заданную глубину (0,8 м) и переводят измерение в режиме накопления сигнала (20-40 мин.), производя при этом с помощью блока сопряжения и аналого-цифрового преобразователя (АЦП) запись измеренного сигнала на магнитный носитель. Изменяя базу обзора, посредством программно-аппаратного перемещения аппаратуры, на один и тот же участок, получают параллельные данные об исследуемом участке. Полученная запись, в дальнейшем, подвергается обработке, сравнивается с полученными магнитограммами. Затем, с помощью программы-сборщика56, преобразовывается в изображение, по которому и происходит идентификация искусственных или природных структур и объектов.
