§ 2.1. Геоинформационные системы и их применение в археологии.

Согласно общепринятому определению, географической информационной системой (geographic(al) information system, GIS) называют информационную систему, обеспечивающую сбор, хранение, обработку, доступ, отображение и распространение пространственно-координированных данных.

Следует обратить внимание на то, что основным в данном определении является источник информации, которым оперирует ГИС - пространственноориентированные данные, т.е. данные с известным местом расположения в пространстве. Это месторасположение может выражаться в географических координатах (используется при работе с картографической основой) или в условных координатах XY, например, при работе с топографическими планами или планами раскопов, могильников и т.д. Таким образом, в археологии может использоваться широкий набор данных, поскольку практически любой вид археологического источника имеет пространственную привязку. Исходя из этого с помощью ГИС можно изучать любые археологические объекты, начиная с самого общего уровня (археологическая культура, группы памятников, отдельные памятники - поселения, могильники, святилища, курганные группы и т.д.) до наиболее детального (распределение находок в культурном слое памятника, особенности размещения инвентаря в погребении или в жилище и т.д.). Сам предмет изучения археологической науки является предпосылкой широкого применения геоинформационных технологий в археологии, что уже отмечалось специалистами в области геоинформатики (Владимиров, 2005.

Иногда встречаются утверждения, что геоинформационные системы являются неким вариантом компьютерного или электронного картографирования. Между тем, эти понятия имеют ряд существенных различий. Прежде всего системы компьютерного картографирования разработаны для создания карт в сочетании с описательными атрибутами. Они выполняют ряд операций, в результате которых у пользователя появляется карта с нанесенной на нее информацией в виде точечных объектов или ареальных областей (рис. 16). В качестве примера можно привести работы В.Б. Ковалевской в области компьютерного картографирования массового археологического материала эпохи раннего Средневековья (Ковалевская, 2000; 2005). Приводимые в данной работе карты являются конечным продуктом, и для внесения в них любых изменений необходимо повторить весь набор процедур по созданию карт с использованием новой информации. В отличие от компьютерного картографирования, специфической чертой ГИС является оперирование пространственноориентированными данными в динамическом режиме. В этом случае пользователь может моментально получать отображение своей информации на карте, изменив набор картографируемых данных, или произвести изменения в пространственном расположении изучаемых объектов, которые будут немедленно отображены в наборе исходных данных.

Существует еще одна черта ГИС, которую некоторые исследователи считают основополагающей, отличающей ее от компьютерного картографирования. Это наличие инструментов анализа информации. Так, согласно одному из определений, ГИС - это «компьютерные системы для сбора, проверки, интеграции и анализа информации, относящейся к земной поверхности» (Rhind, 1988. P. 23).

Фактически предшественником ГИС в какой-то мере являлось наложение нескольких слоев карт на прозрачной основе, применявшееся еще в «докомпьютерную» эпоху (с конца XVIII - середины XIX в., особенно в начале XX в.). Прототипами ГИС служили проекты, направленные для решения транспортных задач, которые осуществлялись на первых компьютерах в середине 1950-х гг.

Первая работающая географическая информационная система была создана в начале 1960-х гг. Р. Томлисоном для управления земельными ресурсами южной Канады (Canada Geographic Information System, CGIS) (Tomlison et al., 1976). На развитие ГИС с середины 1960-х и по начало 1980-х гг. большое влияние оказывает Гарвардская лаборатория Говарда Фишера, специализировавшаяся в области графического и пространственного компьютерного анализа и создавшая пакеты программ SYMAP, SYMVU, GRID, ODISSEY.

В учебнике по геоинформатике под редакцией В.С. Тикунова названы основные причины, в результате которых появились географо-информационные системы (Основы геоинформатики, 2004. С. 33):

- широкое распространение компьютеров и совершенствование средств периферии;

- накопление обширных аэрокосмических, статистических и других материалов;

- потребность упорядочения сведений в базах данных для разнообразных целей;

- обеспечение сохранности и доступности этих материалов для широкого круга пользователей;

- необходимость оперативного принятия решений и т.д.

Важной причиной, послужившей также широкому внедрению

геоинформатики в различные области человеческой деятельности, стало появление и распространение персональных компьютеров и разработка соответствующего программного обеспечения ГИС, с которым могли работать не только специалисты-профессионалы, но и любой заинтересованный пользователь. С этой точки зрения важной вехой в становлении ГИС стал 1969 г., когда в США был основан Институт исследования систем окружающей среды (Environmental Systems Research Institute, ESRI), разрабатывающий серию программ ГИС, предназначенных для широкого круга пользователей. Начало этому процессу было положено в 1982 г., когда ESRI выпускает первую коммерческую ГИС - ARC/INFO. В настоящее время компания распространяет программу ArcGIS версии 10 в 150 странах мира, занимая более 30% рынка продаж программного обеспечения ГИС.

В нашей стране интерес к ГИС возник в 1976 г. благодаря проходившему в Москве XXIII Конгрессу международного географического союза, к которому был приурочен выход двухтомного сборника «Новые идеи в географии» (1976). В сборнике были впервые опубликованы на русском языке работы, посвященные ГИС (Геоинформатика, 2008. С. 32-33). Однако вплоть до падения «железного занавеса» в начале 1990-х гг. исследований с использованием ГИС в СССР не проводилось. Их количество стало стремительно увеличиваться с появлением доступа к зарубежным программным продуктам и литературе, что привело к созданию в 1995 г. ГИС-Ассоциации в России и успешному внедрению геоинформационных систем в самых разнообразных сферах человеческой деятельности.

Согласно определению М.Н. Де Мерса, основными подсистемами ГИС являются (Де Мерс, 1999 С. 10-11):

1. Подсистема сбора данных, которая собирает и проводит предварительную обработку данных из разных источников. Эта подсистема также в основном отвечает за преобразование различных типов пространственных данных (например, от изолиний топографической карты к модели рельефа ГИС).

2. Подсистема хранения и выборки данных, организующая пространственные данные с целью их выборки, редактирования и обновления.

3. Подсистема манипуляции и анализа данных, которая выполняет их группировку и разделение, устанавливает параметры и ограничения при их отборе, занимается моделированием.

4. Подсистема вывода, которая отображает всю базу данных или ее часть в табличной, диаграммной или картографической форме.

Работа пользователя с ГИС сводится к серии процедур:

Ввод данных. Для использования в ГИС данные должны быть преобразованы в подходящий цифровой формат. Процесс преобразования данных с бумажных карт в компьютерные файлы называется оцифровкой.

Помимо картографических, используются атрибутивные данные,

представляющие собой таблицу с информацией, относящейся к пространственноориентированным данным. Возможности атрибутивных таблиц в ГИС, как правило, ограничены, поэтому в большинстве программ предусмотрена возможность подключения информации, хранящейся с помощью систем управления базами данных (СУБД). СУБД предназначены для хранения и управления всеми типами данных, включая географические (пространственные) данные, наличие которых дает возможность картографирования этой информации в ГИС.

Манипулирование данными. Часто для выполнения конкретного проекта имеющиеся данные нужно дополнительно видоизменить в соответствии с требованиями используемой системы. Например, географическая информация может быть в разных масштабах, которые для совместной обработки и визуализации удобнее представить в одном. Или для обработки требуется не вся совокупность данных, а их выборка (например, интересующие специалиста археологические памятники конкретной эпохи или культуры). ГИС-технология предоставляет разные способы манипулирования пространственными данными и выделения данных, нужных для конкретной задачи.

Управление данными. В небольших проектах географическая информация может храниться в виде обычных файлов. Но при увеличении объема информации и росте числа пользователей для хранения, структурирования и управления данными эффективнее применять системы управления базами данных (СУБД), т.е. специальные компьютерные средства для работы с интегрированными наборами данных (базами данных). Как уже говорилось выше, в ГИС наиболее удобно использовать реляционную структуру, при которой данные хранятся в табличной форме.

Запрос и анализ. При наличии ГИС и географической информации пользователь может получать ответы как на простые вопросы (например, о типах памятников и времени их существования, или на каком расстоянии друг от друга расположены те или иные объекты), так и на более сложные, требующие дополнительного анализа запросы (например, где есть удобные места для расположения поселения или стоянки? Каков основной тип почв под земледельческими угодьями данной культуры? Какую территорию можно обозревать с данного городища?).

С помощью ГИС можно выявлять и задавать шаблоны для поиска, проигрывать сценарии по типу «что будет, если...». Современные ГИС имеют множество мощных инструментов для анализа, среди них наиболее часто применяются два: анализ близости и анализ наложения. Для проведения анализа близости объектов относительно друг друга в ГИС применяется процесс, называемый буферизацией. Он помогает ответить на вопросы типа: сколько родников находится в пределах 500 м от этого поселения? Сколько памятников археологии попадает в зону отвода 250 м при строительстве данного газопровода?

Процесс наложения включает интеграцию данных, расположенных в разных тематических слоях. В простейшем случае это операция отображения, но при ряде аналитических операций данные из разных слоев объединяются физически. Наложение, или пространственное объединение, позволяет, например, интегрировать данные о почвах, уклоне, растительности и плотности памятников на единицу площади.

Визуализация данных. Для многих типов пространственных операций конечным результатом является представление данных в виде карты или графика. Раньше карты создавались на столетия. ГИС предоставляет новые удивительные инструменты, расширяющие и развивающие искусство и научные основы картографии. С ее помощью визуализация самих карт может быть легко дополнена отчетными документами, трехмерными изображениями, графиками и таблицами, фотографиями и другими средствами, например мультимедийными.

Все ГИС могут быть разделены на типы согласно их пространственному охвату или функциональным особенностям. Функционально ГИС делятся на (Геоинформатика, 1999. С. 29):

- интегрированные ГИС, ИГИС (integrated GIS, IGIS), которые совмещают функциональные возможности ГИС и систем цифровой обработки изображений (данных дистанционного зондирования) в единой интегрированной среде (рис. 17). Примером такой ГИС может являться археолого-географическая информационная система «Кисловодск», разработанная в Институте археологии РАН под руководством Г.Е. Афанасьева и используемая автором настоящего исследования;

- полимасштабные, или масштабно-независимые ГИС (multiscale GIS),

основанные на множественных, или полимасштабных, представлениях

пространственных объектов (multiple representation, multiscale representation), которые обеспечивают графическое или картографическое воспроизведение данных на любом из избранных уровней масштабного ряда на основе единственного набора данных с наибольшим пространственным разрешением (рис. 18). В археологии это, как правило, ГИС, созданные при изучении археологического памятника с использованием материалов его раскопок разного уровня, позволяющие получить информацию о любом объекте вплоть до отдельной находки. Один из прекрасных примеров таких работ - ГИС по раскопкам знаменитого городища Хедебю на севере Германии (Карнап-Борнхайм и др., 2010);

- пространственно-временные ГИС (spatio-temporal GIS), которые оперируют пространственно-временными данными (рис. 19). Этот весьма распространенный способ изучения археологической информации активно используется археологами, например, в Украине (Дараган, 2008).

По территориальному охвату различают глобальные, или планетарные ГИС (global GIS); субконтинентальные ГИС; национальные ГИС, зачастую имеющие статус государственных; региональные ГИС (regional GIS); субрегиональные ГИС и локальные, или местные ГИС (local GIS) (рис. 20). Археологи, как правило, имеют дело с последними двумя типами ГИС - региональными и локальными, однако важность задачи создания национальной ГИС археологических памятников России неоднократно обсуждалась и продолжает обсуждаться в отечественном археологическом сообществе.

ГИС различаются также предметной областью информационного моделирования: городские или муниципальные ГИС (urban GIS);

природоохранные ГИС (environmental GIS); земельные информационные системы (кадастр); различные сферы бизнеса (в России это, в основном, газо- и нефтедобывающая промышленность); научные проекты, в том числе археологогеографические информационные системы (АГИС) (рис. 20).

Применение геоинформатики в археологической науке^[2] насчитывает уже около тридцати лет, с момента презентации в 1985 г. в Денвере на Симпозиуме международного общества доисторических и протоисторических наук работ С. Джилла, Д. Хоуса и К. Квамма (Kvamme, 1985; Gill, Howes, 1985). С тех пор применение ГИС в археологических исследованиях неуклонно расширялось, занимая значительное место в науке по сравнению с историческими или этнологическими дисциплинами. Так, В.Н. Владимиров приводит данные с сайта Сиднейского университета, где была размещена библиография археологических работ, написанных с использованием ГИС, которая уже в 1995 г. насчитывала 328 наименований (Владимиров, 2005. С. 5). Разумеется, с тех пор число этих работ резко увеличилось и уже перевалило за тысячу.

В настоящее время можно говорить уже о нескольких сформировавшихся направлениях использования геоинформационных технологий в археологии. С. Сэвейдж выделяет три таких направления:

1) охрана археологического наследия (Cultural Resource Management) и предиктивное моделирование (predictive modeling);

2) моделирование исторической ситуации на основе археологических источников;

3) мультидисциплинарные исследования в рамках ландшафтной археологии (Landscape Archaeology) (Savage, 1990; Афанасьев и др., 2004. С. 51-60).

Охрана археологического наследия занимает значительное место среди археологических работ, связанных с ГИС. В России это прежде всего созданные ГИС по памятникам археологии Ставропольского и Красноярского края, разработка ГИС по охране археологического наследия Чукотки и памятников острова Кижи, создаваемые ГИС по памятникам истории и культуры Удмуртской Республики, Республики Калмыкии и многие другие (Беглецова и др., 2005; Белинский, 2008; Очир-Горяева, Дюмкеева, 2008). Сюда же примыкают многочисленные работы по охране археологических памятников в зоне проектирования строительных объектов, осуществляющиеся с помощью ГИС. С этой целью в Отделе охранных раскопок Института археологии РАН в апреле 2002 г. была создана группа археолого-географических информационных систем (АГИС), призванная осуществлять геоинформационное обеспечение охранных археологических работ Отдела.

Важное значение при создании региональных ГИС по учету и охране объектов культурного наследия представляет разработка единого стандарта описания археологического памятника и автоматизации нанесения его на карту в виде точечного слоя. В этом направлении проделана успешная работа коллектива археологов и программистов под руководством Ст.А. Васильева (ИИМК РАН), который разработал уникальную информационную систему «Археограф» (Васильев, 2005; 2006).

Особняком стоит задача предиктивного или прогностического моделирования, позволяющая намечать перспективные места для поиска археологических памятников тех или иных типов и эпох согласно критериям, характерным для особенностей их расположения в пространстве. Подобное моделирование является весьма сложной и трудоемкой операцией, им весьма редко занимаются в археологии. В последние годы наиболее активно

предиктивное моделирование распространено в США, Голландии и Германии (Practical application, 2000; Landschaftsarchaologie und geographische Informationssysteme, 2003; Predictive modeling, 2005; GIS and archaeological site,

2006) . В России первый опыт использования прогностического ГИС- моделирования только появляется в археологии (Зайцева, 2014). С обзором зарубежных работ на эту тему можно познакомиться в статье Г.П. Гарбузова (Гарбузов, 2006) и в недавних публикациях Ф. Ферхагена и Т. Уитли (Verhagen, Whitley, 2012), а также У. Мюнх (Munch, 2012).

Моделирование исторической ситуации в археологии с помощью ГИС также занимает значительное место в нашей науке. Классическими являются работы И. Уильямса, В.Ф. Лимпа и Ф.Л. Брюе, посвященные изучению памятников в зоне расположения военной базы армии США Форт Худ (Williams et al., 1990), или исследование Т. Киркинен памятников эпохи раннего железного века в восточной области Финляндии, в районе Миккели (Kirkinen, 1997). На русском языке можно ознакомиться с упоминавшимися выше работами М.Н. Дараган (Дараган, 2008) или исследованием Г.В. Требелевой, посвященным изучению обороны территории Азиатского Боспора в первые века нашей эры (Требелева, 2005). Сюда же можно отнести созданный коллективом авторов под руководством Г.А. Кошеленко ГИС по археологическим памятникам Маргианы (Кошеленко и др.,

2007) .

ГИС в ландшафтной археологии занимает особое место в археологических исследованиях, поскольку базируется на мультидисциплинарном подходе, объединяя на базе ГИС в одном исследовательском проекте разнообразную информацию, полученную с помощью данных дистанционного зондирования и палеопочвоведения, палеоклиматологии и археозоологии, и т.д. В центре внимания подобных исследований стоят «культурные ландшафты», т.е. сложные комплексы множества взаимодействующих природных и антропогенных составляющих. Некоторые вехи в истории изучения культурных ландшафтов упоминались в предыдущей главе; обзор применяющихся методов ГИС в ландшафтной археологии можно найти в работах Г.Е. Афанасьева и Г.П.

Гарбузова (Афанасьев и др., 2004. С. 50-88; Гарбузов, 2007а). Среди наиболее часто упоминаемых первых проектов, осуществленных в рамках ландшафтной археологии с помощью ГИС, называют совместное исследование С. Грина и М. Звелебила доисторических поселений юго-восточной Ирландии (Green, Zvelebil, 1990), исследовательский проект К. Крамли и С. Мадри во Франции (Madry, Crumley, 1990), работы В. Гаффни и З. Станчича на острове Хвар в Хорватии (Gaffney, Stancic, 1991). В настоящее время объем вышедшей литературы на эту тему столь велик, что требует специального обобщения, одним из примеров которых может служить публикация Дж. Кантнера (Kantner, 2008).

В России к подобным исследованиям относится мультидисциплинарный анализ археологических памятников Кисловодской котловины, ведущийся с 1996 г. в Институте археологии РАН под руководством Г.Е. Афанасьева (Афанасьев и др., 2004), совместные работы А.Б. Белинского, Д.С. Коробова и С. Райнхольд по изучению памятников кобанской культуры в Кисловодской котловине (Белинский и др., 2009), исследования Г.П. Гарбузова по изучению античных поселений на Таманском полуострове (Гарбузов, 2008). Прекрасным примером исследований культурного ландшафта на Украине является археолого-геоинформационная система «Овручский проект», созданная под руководством А.П. Томашевского (Томашевский, Вовкодав, 2007), а также работы С.Л. Смекалова в Восточном Крыму (Смекалов, Федоров, 2004). В этом же ключе проводятся работы автора настоящего исследования системы расселения алан Кисловодской котловины методами ГИС.

Таким образом, применение ГИС в археологии уже имеет свою историю и сложившиеся направления, а число подобных исследований неуклонно растет. Свидетельством тому являются появившиеся учебные пособия по применению геоинформационных методов в археологии (Wheatley, Gillings, 2002; Conolly, Lake, 2006; Gillings, Wheatley, 2010; Коробов, 2011). Появились первые российские диссертационные работы, созданные с использованием методов геоинформатики в археологических исследованиях (Смекалов, 2005; Требелева, 2005; Гарбузов, 2007б), а также ряд круглых столов и конференций, организованных группой АГИС Отдела охранных раскопок Института археологии РАН под общим названием «Археология и геоинформатика» (20032012), результатом которых стал выпуск одноименной серии электронных изданий под редакцией автора настоящего исследования. В них публикуются теоретические и практические результаты работ, проведенных с использованием ГИС в археологии. Геоинформатика прочно заняла свое место в археологических исследованиях, в том числе и в нашей стране.