2Дата публикации: 28 сентября 2023 DOI: 10.52270/27132447_2023_15_56
ПРИМЕНЕНИЕ СОВРЕМЕННЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ
ИЗУЧЕНИИ АРХЕОЛОГИЧЕСКОГО ПАМЯТНИКА (НА ПРИМЕРЕ ОБЪЕКТА КУЛЬТУРНОГО НАСЛЕДИЯ ГОРОДИЩЕ МИХАЙЛОВСКИЙ
КОРДОН)
1 9
Хахулина Надежда Борисовна1, Маслихова Лариса Ивановна2,
о
Попов Борис Алексеевич3
1 Кандидат технических наук, доцент, Воронежский государственный технический университет, ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж, Россия, E-mail: [email protected] 2Кандидат исторических наук, доцент, Воронежский государственный технический университет, ул. 20-летия Октября, 84, Воронеж, Россия, E-mail: [email protected] 3Кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, Воронежский государственный технический университет, ул. 20-летия Октября 84, Воронеж, Россия, E-mail: [email protected]
Аннотация
Сегодня археологические работы напрямую связаны с геодезией на протяжении всего цикла исследования: начиная от поиска археологических памятников и заканчивая интерпретацией данных, полученных в процессе раскопок. С использованием данных дистанционного зондирования Земли проводится рекогносцировка и составление маршрутов археологических разведок, поиск новых памятников и уточнение границ уже найденных. Разбивочные работы, закладка раскопов, фиксация полученных материалов часто реализуются при помощи тахеометров и ГНСС. В статье раскрываются возможности использования современных геодезических технологий при раскопках археологического памятника на примере объекта культурного наследия «Городище «Михайловский кордон».
Ключевые слова: история, геодезия, археология, БПЛА, ГНСС, электронный тахеометр, раскоп, памятник археологии, городище.
I. ВВЕДЕНИЕ
Начиная с XVIII века методика изучения археологических памятников развивалась, постепенно накапливая представления о приемах и правилах раскопок археологических объектов. Ее развитие тесно связано с возникновением и развитием археологии как науки. Постоянно совершенствуясь, изменяются методы проведения раскопок, фиксации материалов, их сохранения для дальнейших исследований.
56
Влияние на развитие археологии оказывают и достижения других наук, как естественных, технических, так и гуманитарных наук. И если на начальных этапах развития при проведении археологических работ использовались лишь простейшие инструменты: лопаты, кирки, совки и др., а при интерпретации полученных материалов археологи руководствовались своим опытом и интуицией, то сегодня в арсенале археологов множество современных методов, приборов и технологий для проведения исследований. В частности, в настоящее время при проведении археологических работ широко используются методы дистанционного зондирования, такие как аэрофото и космосъемка для изучения больших территорий, методы трехмерного моделирования и технологии воссоздания первозданного облика и т.д.
II. МЕТОДОЛОГИЯ
Одной из задач археологии является определение местоположения объекта исследования и найденных артефактов. Для этого удобнее всего использовать системы глобального навигационного спутникового позиционирования (ГНСС), которые позволяют давать координаты в различных системах и в том числе в географических и в местных системах координат. Необходимо отметить, что наличие ГНСС оборудования стало обязательным в большинстве зарубежных экспедиций, а высокоточная наземная спутниковая съемка во многих случаях уже заменяет традиционные, ставшие классическими геодезические методы при составлении детальных планов многих памятников археологии и не только.
В данной работе авторами раскрываются возможности использования современных геодезических технологий при изучении памятника «Городище «Михайловский кордон»» [Хахулина, Н. Б. Маслихова Л. И., Трухина Н. И. Возможности современного оборудования при археологических исследованиях на примере городища Михайловский Кордон. Аграрная история. 2023. № 14. С. 60-68].
Основным условием эффективной работы с ГНСС оборудованием является открытый горизонт, но не всегда имеется такая возможность. Например, территория исследуемого объекта почти полностью усажена многолетними дубами, а также соснами и другими растениями, мешающими прохождению сигнала от спутников к ГНСС приемнику (рис 1).
Рис. 1.Залесенность территории
Недалеко от места исследования, на открытом участке удалось отснять контрольные точки в местной системе координат в количестве 3 шт. Среднеквадратичная погрешность при измерениях составила 0.031 м в плане, по высоте точность измерений составила до 0.040 м. Далее от них работа проводилась электронным тахеометром, наиболее подходящим инструментом в условиях лесной растительности.
57
Тахеометр на археологических раскопках применяется при съемке, разбивке раскопа, съемке рельефа, стратиграфической съемке, фиксации находок и открываемых объектов (погребений, жилищных котлованов, хозяйственных ям и т. д.). Потребность в использовании классических инструментов из комплекта археолога, таких как - теодолиты, нивелиры, рулетки, при наличии тахеометра отпадает.
Использование электронного тахеометра при наличии ноутбука позволило в течение нескольких минут непосредственно в поле получить как плоскостные планы, так и трехмерные модели микрорельефа участка [Хахулина, Н. Б. Маслихова Л. И., Трухина Н. И. Возможности современного оборудования при археологических исследованиях на примере городища Михайловский Кордон // Аграрная история. 2023. № 14. С. 60-68].
После съемки местности электронным тахеометром были получены координаты точек ландшафта, а также координаты жесткой сетки раскопа. Тахеометрическая съемка была проведена в качестве сравнительного метода. Используя тахеометр на небольшой территории в короткие сроки удалось сделать плотное облако точек, плотность которого позволяет определить объемы котлована, посчитать периметр и площадь раскопа.
Самые современные технологии фотограмметрии предполагают использование программ, которые на базе вычислительных мощностях машин, на которых установлена данная программа, могут вычислять положение снимка в пространстве и создавать облако точек поверхности. Для такого вида работ, не обязательно использовать БПЛА, съемку можно выполнить что называется с руки, снимая объект работ на обычный смартфон.
В качестве сравнения двух способов была проведена съемка территории объекта как на квадрокоптер DJI Mavic 2 pro, так и на смартфон с цифровой камерой 12 Мп, установленный на телескопической вехе [Hahulina, N. B. Maslikhova L. I., Akimova S. V. Modern Technologies Applied to Archaeological Research in Voronezh Region. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Russky Island, 04-06 марта 2019 года. Vol. 272, 3. Russky Island: Institute of Physics Publishing, 2019; Хахулина Н.Б., Маслихова Л.И., Баринов В.Н. Современные технологии для сохранения объектов культурного наследия. Культурный слой. Материалы международной научно-практической конференции «II Зверевские чтения - культурный слой города: исторический, археологический, этнографический аспекты» (г. Воронеж, 11-12 сентября 2021 г.). Воронеж, 2021. С. 318-324].
На первом этапе работ по получению материалов ортофотосъемки, было выполнено 17 фотоснимков западины, что на территорию в 100 кв.м этого вполне достаточно в результате был получен ортофотоплан и 3D модель объекта работ [Хахулина, Н. Б. Маслихова Л. И., Трухина Н. И. Возможности современного оборудования при археологических исследованиях на примере городища Михайловский Кордон. Аграрная история. 2023. № 14. С. 60-68].
Для удобства, снимки желательно делать последовательно. Такой способ съемки обеспечивает дополнительный контроль того, что 100% площади объекта будет отснята парными снимками с 80% перекрытием.
Также, современные программно-аппаратные комплексы имеют возможность собрать модель участка работ из обычных фотографий, снятых определенным образом.
Возможности Agisoft Metashape позволяют использовать фотографии, полученные обычным смартфоном, при условии, что его камера имеет разрешение не менее 5 Мп.
Конечно, нужно соблюдать определённую методику произведения фотофиксаций. Например, желательно чтобы камера находилась на таком-же уровне что и при съемке с дрона, ведь чем выше высота съемки, тем больше охват территории.
В ходе попыток было решено использовать вариант с телескопической геодезической вехой, которая имеет небольшой вес, а также может поднять камеру на удалённость от оператора на расстояние от 2х до 4х метров (рис. 2).
58
Рис. 2. Конструкция (телескопическая веха со смартфоном)
Основным условием для получения максимально качественного результата, является обеспечение достаточного перпендикуляра оси съемки камеры к поверхности исследуемого объекта. Данное условие соблюдается поворотом корпуса отражателя параллельно снимаемой поверхности
Применяя данный метод съемки, желательно спланировать и просчитать весь маршрут и объемы съемки. При фиксации, необходимо минимизировать количество слепых зон, так как программа может выровнять и анализировать только те кадры, на которых видны обе сцены. Перекрытие кадров в таком случае может быть выражено следующими значениями - это 80% продольного и 60% поперечного перекрытия.
Для подробной съемки всех частей объекта можно фиксировать их отдельно друг от друга крупным планом, но должно соблюдаться требуемое перекрытие кадров. Помещения объекта целиком в кадр - не обязательно. Для увеличения качества картинки необходимо наличия хорошего освещения, можно также использовать дополнительные источники освещения, которые позволят получить намного более качественную картинку, в следствии чего будет намного более точнее выполнено выравнивание фотографий в Metashape, а также определится намного больше связующих точек. Если на объекте имеются блики, тени и другие негативные явления, качество полученного результата может быть снижено. Дополнительные источники освещения не должны создавать помехи при съёмке, для этого их нужно исключить из кадра. Использование вспышки также пагубно влияет на полученный результат.
Для того чтобы иметь возможность выполнять измерения на полученной модели, необходимо создать развитую сеть привязки. В некоторых случаях, где не нужна привязка к местной системе координат, можно использовать обычную линейку, таким образом при обработке измерений будет выдержан масштаб съемки. На нашем объекте в процессе всех этапов работ были определены координаты маркеров, по меньшей мере, в количестве 6 штук, на более сложных этапах были задействованы маркеры в количестве 22 штук. Но стоит отметить, что программный комплекс может выполнить съемку объекта и местности без привязки, можно получить все данные, но они будут вне системы координат применяющаяся на объекте, иными словами нельзя будет в полной мере получать данные об изучаемом объекте. В процессе съемки было сделано 554 снимка, второго этапа археологической разведки. В ходе обработки результатов съемки в программном комплексе Agisoft Metashape, мы пришли к выводу, что такое количество фотографий является избыточным. При следующем этапе археологических раскопок, было решено немного разрядить съемку. В конечном итоге получилось 330 снимков.
59
В ходе обработки и формирования заключительной модели объекта, ощутимой разницы в качестве и детализации между 554 фотографий и 330 выявлено не было.
Используя данный метод можно получить максимально подробную модель сложных по своим геометрическим формам объектов археологического наследия, использовать её в качестве изучения в научных целях, можно детально изучать каждый мелкий элемент, с возможностью определения его форм, размеров и цвета.
Для создания модели использована программа Agisoft Metashape, позволяющая обрабатывать и моделировать объекты по полученным фотоснимкам.
III. ОБСУЖДЕНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ
По итогам работы была воссоздана точная цифровая модель объекта исследования в разные этапы работ. Модель содержит в себе: ЦММ, ортофотоплан, текстуру, полигональную модель и облако точек, состоящее из более чем 100 миллионов точек на площадь в 100 кв.м.
В Metashape разреженное облако точек не используется на дальнейших стадиях обработки (кроме режима построения модели на основе разреженного облака точек) и служит только для визуальной оценки качества выравнивания фотографий. Разреженное облако точек может быть экспортировано для дальнейшего использования в таких программах как AutoCAD Civil3D и др. Такое облако уже может быть использовано в качестве заполнения пустых зон при использовании классической тахеометрической съемки (рис.3).
Рис. 3. Разреженное облако точек
Данные о положении и ориентации камер используется на дальнейших стадиях обработки.
На втором этапе выполняется построение плотного облака точек (рис. 4) на основании положений камер, рассчитанных на первом этапе обработки, и используемых фотографий. Перед переходом на следующий этап создания 3D модели или перед экспортом модели, плотное облако точек может быть отредактировано и классифицировано. Классификация точек необходима, например, для того, чтобы отделить растительность (кусты, кроны деревьев и др.) от исследуемой поверхности (стена строения, земля и др).
60
Рис. 4. Плотное облако точек
На третьем этапе строится трехмерная поверхность: полигональная модель/или карта высот. На основании плотного облака точек трехмерная полигональная модель описывает форму объекта (рис. 5).
Полигональная модель имеет классические свойства - это замкнутая сеть треугольников, вершины которых представляют собой точки заданные нами вначале построения облака точек, это либо разреженное облако, либо плотное облако.
Рис. 5. Полигональная модель
На следующем этапе доступно построение текстуры для полигональной модели, а также построение ортофотоплана (рис. 6). Ортофотоплан проецируется на поверхность, указанную пользователем, это может быть карта высот или полигональная модель. Ортофотоплан представляет собой масштабный план, содержащий в себе данные ортогональной проекции местности. Соответственно, необходимо создать привязку по контрольным точкам.
В программу нужно импортировать отснятые тахеометром точки жесткой сетки. После этого, для удобства обнаружения необходимой контрольной точки, можно сделать фильтрацию по точке в уже построенной модели территории. После чего программа автоматически выдаст снимки, в которых есть необходимая контрольная точка. Затем мы задаём конкретной точке номер контрольного маркера.
61
Стоит отметить, что привязку необходимо выполнять при использовании съемки с дрона, в котором как уже отмечалось выше уже имеются данные о привязки каждого снимка к системе координат WGS-84, что можно получить также при выполнении съемки на обычную цифровую камеру.
Рис. 6. Ортофотоплан
Полученные результаты можно отправить растровой картинкой в Civil3D для дальнейшей работы с макетом. Также, подгружая откалиброванное облако точек в формате LAS, мы получаем полную модель памятника и возможность точной работы с моделью.
В качестве эксперимента была проведена общая съемка территории объекта «Михайловский кордон». В ходе обработки результатов пролёта не удалось определить точки земной поверхности, из-за высокой плотности крон деревьев. Как описано выше, аппаратный метод не всегда обнаруживает связующие точки на фотографиях, в таком случае было принято решение расставить маркеры на этих фотографиях и отметить их проекции по крайней мере на двух фотографиях из выровненного поднабора. Но это не принесло своих результатов.
Далее, полученные текстурные модели можно экспортировать в CAD программы. Модель состоит из облака точек слишком большой плотности, например, второй этап работ, который состоял из 554 фотографий, содержит около 98 миллионов точек. Точки содержат в себе информацию о местоположении в трёхмерной системе координат и о цвете этой точки. Если попытаться выгрузить подобные точки в текстовый формат, а потом в AutoCAD, система просто не справится с таким объемом данных.
Для таких целей создан специальный формат данных LAS, который хранит в себе само облако точек со всей информацией о каждой точке. LAS файл открывается в программе от Autodeskпод названием ReCap. В данной программе создается проект, в который импортируется файл LAS.
В ReCap можно при необходимости предварительно отредактировать облако точек. В ReCap проект сохраняется с расширением. Rcs, в формате проект3.rcs. Дело в том, что облака точек, которые воспринимает AutoCAD, это как раз-таки rcs формат. Переходя в AutoCAD Civil3D имеем возможность импортировать получившееся облако точек, для дальнейшей работы. На данном этапе мы имеем плотное облако точек всего раскопа, в добавок к этому у точек есть свои цвета, что упрощает поиск конкретной точки для векторизации модели.
62
Мы можем выполнять как линейные замеры, так и площадные, точность измерений определяется точностью привязки модели при формировании расчётов в Agisoft Metashape. В таком случае точность полученных результатов не превышает 3 см, что вполне приемлемо для археологических работ на данном объекте.
Также на объекте была использована георадарная съемка. Результаты работы с георадаром не дают возможность получить цельную картинку, вместо этого мы видим, волновое изображение (рис. 7).
Рис. 7. Рабочее пространство георадара
Далее данные с георадара экспортируется на flash карту, с неё уже непосредственно в программу Mala. Где можно предварительно обработать получившееся изображение (рис. 8).
О 5 10 15 20 25 J_I_I_I_i_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_L
Рис. 8. Радарограмма
На данной радарограмме видны корни деревьев, изображенные в виде конусов. Метод был применён в качестве эксперимента, тем не менее, некоторые объекты, которые были выявленные на радарограмме, действительно получилось обнаружить во время проведения раскопа, например, глиняный горшок, отмеченный крестиком на схеме и кружком на радарограмме (рис. 9).
©®
63
Рис. 9. Схема и радарограмма
Способ построения схем выглядит следующим образом. На поверхности ортофотоплана изображаются линии прохождения тележки, так называемые разрезы, информация о том, по какому маршруту была проведена съемка, может содержаться в полевом абрисе, рис. 10.
Рис. 10. Полевой абрис
Во время съемки на абрисе ставятся метки начала прохода и конца, например, S1 и S2, далее в программе AutoCAD все элементы собираются в одну схему.
Благодаря использованию этого метода, были получены некоторые представления об изучаемом объекте. Более качественному результату сильно мешали корни деревьев, которые в некоторых местах закрывали проход радиосигналу.
64
Применение данного способа носит дополняющий характер к остальным способам археологических работ. В данном направлении важен опыт применения и дешифрирования, также стоит провести ещё ряд исследований, для более качественного дальнейшего анализа.
IV. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, применение современных технологий в археологических исследованиях позволяет повысить качество проведенных исследований, сделать новые открытия и получить неожиданные решения. Комплексное использование современных технологий с возможностью трехмерного моделирования позволяет ученым-археологам лучше понять форму и размеры этих объектов, а также их расположение относительно друг друга. Трехмерное моделирование позволяет создать реалистичные 3D-модели изучаемого археологического памятника. Помимо этого 3D-модели выступают цельным исследовательским инструментом для последующих работ, поскольку позволяют проводить дополнительные измерения, получать сечения и т.д. [Хахулина, Н. Б. Ерютин И., Крамарев Н. Возможности современных технологий в археологических исследованиях. Вопросы управления недвижимостью, землеустройства и геодезии. 2022. № 2(2). С. 74-79; Маслихова, Л. И.. Хахулина Н. Б К вопросу об использовании технологии лазерного сканирования при изучении объектов культурного наследия в российской и зарубежной практике. Проблемы социальных и гуманитарных наук. 2018. № 4(17). С. 87-92. EDN VQWEGU.].
V. БЛАГОДАРНОСТИ
Выражаем благодарность Наталье Евгеньевне Арсеновой за возможность использования археологических материалов, полученных в результате раскопок городища "Михайловский кордон" в 2021 году.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Маслихова Л. И.. Хахулина Н. Б. К вопросу об использовании технологии лазерного сканирования при изучении объектов культурного наследия в российской и зарубежной практике. Проблемы социальных и гуманитарных наук. 2018. Номер 4(17). С. 87-92. EDN VQWEGU.
Хахулина Н. Б. Маслихова Л. И., Трухина Н. И. Возможности современного оборудования при археологических исследованиях на примере городища Михайловский Кордон. Аграрная история. 2023. Номер 14. С. 60-68. DOI 10.52270/27132447_2023_14_60. EDN CFLDYS.
Hahulina N. B. Maslikhova L. I., Akimova S. V. Modern Technologies Applied to Archaeological Research in Voronezh Region. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Russky Island, 04-06 марта 2019 года. Vol. 272, 3. Russky Island: Institute of Physics Publishing, 2019. Pp. 032037. DOI 10.1088/17551315/272/3/032037. EDN SHSZRW.
Хахулина Н. Б. Ерютин И., Крамарев Н. Возможности современных технологий в археологических ислледованиях. Вопросы управления недвижимостью, землеустройства и геодезии. 2022. Номер 2(2). С. 74-79. EDN JTPJXS.
Хахулина Н.Б., Маслихова Л.И., Баринов В.Н. Современные технологии для сохранения объектов культурного наследия. Культурный слой. Материалы научно-практической конференции. Воронеж, 2021. С. 318-324.
65
APPLICATION OF MODERN GEODETIC TECHNOLOGIES IN THE STUDY OF AN ARCHAEOLOGICAL MONUMENT (USING THE EXAMPLE OF THE CULTURAL HERITAGE SITE MIKHAILOVSKY CORDON SETTLEMENT)
1 9
Khakhulina, Nadezhda Borisovna1, Maslikhova, Larisa Ivanovna2,
o
Popov, Boris Alekseevich3
1Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Voronezh State Technical University,
84, 20-letiya Oktyabrya Street, Voronezh, Russia, E-mail: [email protected] 2Candidate of Historical Sciences, Associate Professor, Voronezh State Technical University,
84, 20-letiya Oktyabrya Street, Voronezh, Russia, E-mail: [email protected] 3Candidate of Agricultural Sciences, Associate Professor, Voronezh State Technical University, 84, 20-letiya Oktyabrya Street, Voronezh, Russia, E-mail: [email protected]
Abstract
Today, archaeological work is directly related to geodesy throughout the entire research cycle: from the search for archaeological monuments to the interpretation of data obtained during excavations. With the use of remote sensing data, reconnaissance is carried out and archaeological reconnaissance routes are drawn up, new monuments are searched for and the boundaries of those already found are clarified. Breaking out works, laying of excavations, fixing of the received materials are often realized with the help of total stations and GNSS. The article reveals the possibilities of using modern geodetic technologies in the excavation of archaeological monument on the example of the object of cultural heritage "Mound "Mikhailovsky cordon".
Keywords: history, geodesy, archaeology, UAV, GNSS, electronic total station, excavation, archaeological monument, ancient settlement.
REFERENCE LIST
Maslihova L. I.. Hahulina N. B. K voprosu ob ispol'zovanii tekhnologii lazernogo skanirovaniya pri izuchenii ob"ektov kul'turnogo naslediya v rossijskoj i zarubezhnoj praktike. Problemy social'nyh i gumanitarnyh nauk. 2018. Nomer 4(17). S. 87-92. EDN VQWEGU.
Hahulina N. B. Maslihova L. I., Truhina N. I. Vozmozhnosti sovremennogo oborudovaniya pri arheologicheskih issledovaniyah na primere gorodishcha Mihajlovskij Kordon. Agrarnaya istoriya. 2023. Nomer 14. S. 60-68. DOI 10.52270/27132447_2023_14_60. EDN CFLDYS.
Hahulina N. B. Maslikhova L. I., Akimova S. V. Modern Technologies Applied to Archaeological Research in Voronezh Region. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, Russky Island, 04-06 marta 2019 goda. Vol. 272, 3. Russky Island: Institute of Physics Publishing, 2019. Pp. 032037. DOI 10.1088/17551315/272/3/032037. EDN SHSZRW.
Hahulina N. B. Eryutin I., Kramarev N. Vozmozhnosti sovremennyh tekhnologij v arheologicheskih islledovaniyah. Voprosy upravleniya nedvizhimost'yu, zemleustrojstva i geodezii. 2022. Nomer 2(2). S. 74-79.
66
