§ 2.2. Работа с данными дистанционного зондирования.

Важнейшей составляющей ГИС являются данные дистанционного зондирования Земли (ДДЗЗ). Согласно принятому определению, дистанционное зондирование, ДЗ (remote sensing, remote surveying, RS) - процесс получения информации о поверхности Земли (и других космических тел), объектах, расположенных на ней или в ее недрах, дистанционными методами.

В зависимости от типа применяемой аппаратуры различают различные способы ДЗ: фотографический, телевизионный, фототелевизионный, сканерный, радиолокационный, гидролокационный, лазерный и лидарный; отдельно выделяют аэроспектрометрирование (Геоинформатика, 1999. С. 40).

Различаются уровни дистанционного зондирования, которое бывает наземное, авиационное и космическое. К наземному уровню дистанционного зондирования относятся геофизические методы исследования земных недр, которые в данной работе не рассматриваются. Мною использовались ДДЗ, полученные на авиационном и космическом уровнях - аэрофотосъемка и космические снимки.

Подробный очерк истории применения аэрофотосъемки в археологии был недавно опубликован Г.Е. Афанасьевым (Афанасьев и др., 2004. С. 55-60) и автором (Коробов, 2011. С. 56-57). Если использование ГИС в археологии началось относительно недавно - около 30 лет тому назад, то история применения аэрофотосъемки археологами насчитывает уже более 100 лет. Впервые фотоснимок с воздушного шара был сделан Гаспаром Турнашоном в 1859 г. Считается, что первые фотографии археологического объекта - Стоунхенджа - были сделаны британским лейтенантом П.Х. Шэрпом в 1906 г. из корзины воздушного шара.

Мощный толчок в развитии аэрофотосъемки произошел в ходе Первой мировой войны, когда всеми воюющими странами она использовалась в разведочных целях. После окончания войны активизируется применение аэрофотосъемки в археологии, проводившейся с самолетов. Появляются первые публикации на эту тему Л. Рея и Г. Бизли. Начинаются систематические работы О.Г. Кроуфорда (Великобритания), А. Паудебара (Франция), Э. Шмидта (США). В это время закладываются теоретические основы использования аэрофотографии в археологических исследованиях (Beazley, 1919; Crawford, 1923; 1953; 1954; Толстов и др., 1962. С. 3-4; Bewley, 2005. P. 16-17).

После Второй мировой войны вплоть до наших дней активное применение аэрофотосъемки в Европе и Америке увенчалось открытием десятков тысяч памятников археологии. Сотрудничество европейских археологов в этой сфере привело к созданию в 1980 г. международной исследовательской группы воздушной археологии (Aerial Archaeology Research Group), которая проводит ежегодные заседания и устраивает специализированные конференции и полевые школы (Интернет: http://www.univie.ac.at/aarg/php/cms/index.php).

До сих пор остается малоизвестным тот факт, что в Советском Союзе был накоплен значительный опыт в использовании аэрофотоснимков археологами. Первые попытки в этой области совершаются в 1930-е гг., в 1934 г. С.П. Павловым публикуются первые методические указания о применении аэрофотосъемки в археологии (Павлов, 1934). В том же 1934 г. М.В. Воеводский применяет аэрофотосъемку для исследования средневековых каналов в бассейне Амударьи, а В.А. Шишкин исследует аэрометодами топографию древнего Термеза (Афанасьев и др., 2004. С. 56).

После Великой Отечественной войны разворачиваются широкомасштабные археологические исследования по всей стране.

В 1960-1970-е гг. изучение аэрофотосъемки проводилось К.В. Шишкиным при исследовании памятников Нижнего Приднепровья (рис. 22), а также А.Н. Щегловым и Г.М. Николаенко при изучении херсонесской хоры на Гераклейском полуострове в Крыму (рис. 23). С 1980-х гг. и по настоящее время в Институте археологии РАН осуществляются работы Я.М. Паромова по составлению археологической карты Таманского полуострова с использованием аэрофотосъемки (рис. 24) (Шишкин, 1966; 1982; Николаенко, 1985; Паромов, 1993; 1998; 2000).

Тогда же начались работы Г.Е. Афанасьева на Среднем Дону и Северном Кавказе, где использование ДДЗ в ГИС позволило открыть новые археологические объекты и реконструировать средневековые ландшафты (Афанасьев, 1987; 1993а; 1993б; Афанасьев и др., 1999; 2002; 2004). Д.С. Коробовым в рамках ландшафтной археологии в последние годы проводились совместные исследования с С. Райнхольд (Германский археологический институт) и А.Б. Белинским (ГУП «Наследие» Министерства культуры Ставропольского края), в результате которых с помощью аэрофотосъемки в окрестностях Кисловодска были открыты неизвестные ранее поселения с симметричной планировкой раннего этапа кобанской культуры (Райнхольд, 2005; Reinhold, Korobov, 2007; Reinhold et al., 2007; Коробов, Райнхольд, 2008; Белинский и др., 2009).

Каким образом удается обнаружить археологические объекты на аэрофотоснимках? Обычно приводятся три основных типа различимых на них признаков: характеристики света, тени и контрастности (light-shadow- contrasts); растительные признаки (cropmarks, vegetation patterns) и почвенные признаки (soil marks). Кроме того, существует возможность исследовать химические и температурные признаки поверхности Земли (Jones, Evans, 1975; Scollar, 1965. S. 17-34; Райнхольд, 2005; Коробов, 2011. С. 58-59).

1) Характеристики света, тени и контрастности возникают от стоящих на поверхности или частично разрушенных зданий или крупных антропогенных изменений ландшафта (рис. 25, 26). Видимость тени, выделяющая памятники, с одной стороны, связана с их сохранившейся высотой и растительным покровом, с другой - со временем года, дня, высоты и угла проводимой съемки. Утренняя и вечерняя съемка дает в этом случае наилучшие результаты, поскольку угол падения солнечных лучей в это время суток больше, чем в середине дня. Аэрофотосъемка архитектурных остатков, сделанная зимой, также дает хорошие видимые результаты благодаря более быстрому таянию снега на южной стороне

здания.

2) Разница в растительности на поверхности возникает благодаря человеческому вмешательству в почвенный слой, которое изменяет возможность накопления влаги или процесс созревания культурных злаков, ограниченные характеристиками почв. Позитивные растительные признаки (positive vegetation marks) (рис. 27, А), такие, как рвы или столбовые ямы появляются благодаря лучшим условиям накопления влаги, когда растительность в этих местах дольше остается зеленой и имеет несколько большую длину по сравнению с окружающей флорой. Негативные признаки (negative marks) являются результатом нарушения почвенного слоя в виде стен или валов (рис. 27, Б). В этих местах растительность ниже и менее жизнеспособна.

Ограничительным фактором для использования растительных признаков на аэрофотосъемке является общий климат, время года и высота полета.

3) Почвенные признаки, также как и растительные, являются продуктом человеческого вмешательства в земную поверхность и зависят от водного баланса почвы. Они обнаруживаются благодаря различию в цвете или в холодный период благодаря разному уровню оттаивания и замерзания почвенного слоя.

4) Температурные и химические признаки (thermal and chemical marks) изучаются с использованием специальных спектральных фильтров при космо- и аэрофотосъемке. Это позволяет выявить химические и термальные аномалии поверхности земли, которые обычно невидимы человеческим глазом. Некоторые из этих аномалий также могут иметь антропогенное происхождение и соотноситься с археологическими объектами.

Помимо разного происхождения следов на поверхности, видимость археологических объектов на фотоизображениях ограничивается инструментами, с помощью которых это изображение получено (типом используемой камеры - обычной фотокамеры, специальной фотограмметрической или космическим сканером) и методом фотографирования (плановым или перспективным) (рис. 28) (Wilson, 1975; Райнхольд, 2005; Коробов, 2011. С. 59-62).

Плановые аэрофотоснимки (vertical aerial photos) обычно делаются со спутников или специальных самолетов, использующих фотограмметрические камеры (рис. 29), покрывающих съемкой широкие территории и летящих на высоте примерно от 1000 м (самолеты) до 200 км (спутники). Пространственное разрешение снимков зависит от технических возможностей камеры и от полномочий организации, выполняющей подобную съемку. Плановые снимки делаются под прямым углом к земной поверхности и с определенным временным интервалом (рис. 30). Обычно они имеют перекрытие до 60%, которое позволяет использовать стереоскопический анализ (рис. 31), особенно важный при создании цифровой модели поверхности. Поскольку подобная съемка в основном производится для картографических, а не археологических нужд, она не берет в расчет специфику древних памятников.

Важное преимущество плановых снимков заключается в их хорошем соответствии с географическими данными, такими, как традиционные и цифровые карты, что позволяет их легко включать в ГИС и локализовать обнаруженные на снимках памятники археологии. Примеры подобных памятников приводятся на некоторых иллюстрациях: это первое обнаруженное автором поселение кобанской культуры с симметричной планировкой Правоберезовское 9 в окрестностях Кисловодска (рис. 32), раннеаланский комплекс из городища и обширного курганного могильника Брут в Северной Осетии (рис. 33), серия небольших укреплений эпохи раннего Средневековья, окруженных участками террасного земледелия, в долине р. Перепрыжки (рис. 34), а также известное городище Горное Эхо, являющееся одним из центральных аланских укрепленных поселений Кисловодской котловины (рис. 35).

Перспективная фотосъемка (oblique photos), как правило, делается обычными бытовыми фотокамерами с использованием разных типов черно-белой и цветной пленки, с аэропланов, вертолетов или дельтапланов (см., например: Faustmann, Palmer, 2005) на более низкой высоте от 200 до 400 м. Обычно пространственное разрешение этих снимков выше, чем плановых. Угол фотосъемки может меняться и приспосабливаться к световым условиям. Поскольку такие полеты проводятся, в частности, при археологических обследованиях местности, они могут планироваться более гибко для достижения лучших условий видимости. Тем не менее этот тип аэрофотосъемки покрывает меньшие территории и очень сильно зависит от опытности воздушного археолога в правильном определении снимаемых памятников.

Использование цветной пленки позволяет обнаружить даже малые вариации в цвете растительности на памятнике. Пространственная привязка снимков осуществляется с помощью маршрутов, фиксируемых на GPS, но преобразование перспективных снимков в плановые изображения требует использования специальных приемов и компьютерных программ, осуществляющих подобную трансформацию (рис. 36) (Scollar, 1975; 2002).

Многочисленные примеры применения перспективной аэрофотосъемки для обнаружения археологических памятников можно найти на Интернет-сайте Воздушного архива Венского университета (Luftbildarchiv, University of Vienna. Интернет: http://luftbildarchiv.univie.ac.at/aerial-archaeology).

В настоящее время перспективная аэрофотосъемка благодаря доступности и относительной дешевизне - наиболее распространенный в европейских странах способ получения ДДЗ об археологических памятниках. Именно благодаря энтузиазму воздушных археологов из Австрии, Германии, Великобритании, Польши, Словакии, Франции, Чехии и других стран на археологических картах появились десятки тысяч новых объектов. Были выпущены красочные фотоальбомы с видами памятников с воздуха, что способствует популяризации археологического знания в широких кругах населения (см. например, Scollar, 1965).

Плановая аэрофотосъемка используется в Европе и США гораздо реже, поскольку требует архивных изысканий, в России зачастую затрудненных из-за ограничений в доступе по соображениям секретности материалов. В этом случае археологу приходится иметь дело со снимками, сделанными для других нужд, прежде всего картографических, поэтому труднее подобрать материалы нужного времени года или времени суток проведения аэрофотосъемки. Тем не менее в нашей стране имеется богатая традиция работы именно с плановыми аэрофотоснимками, успешное использование которых также привело к открытию новых археологических объектов и осмыслению окружающих древних ландшафтов (Толстов и др., 1962; Адрианов, 1965; Игонин, 1965). С этой точки зрения особо важными могут быть архивные фотоснимки, сделанные в 1950-х гг. и ранее, поскольку они отражают ландшафтную ситуацию с минимальным антропогенным влиянием, то есть максимально приближенную к древности. Поистине бесценную информацию могут дать трофейные германские снимки, сделанные в период Второй мировой войны, которые хранятся в архивах Великобритании, России и США (Going, 2002). Работа с этими материалами только начинается, но сулит весьма широкие перспективы для использования в археологии.

В отличие от аэрофотосъемки, данные космических спутников используются археологами значительно реже. Большинство подобных исследований проводится в США и Италии, имеется также отечественный опыт применения космоснимков в археологических исследованиях (Цуцкин и др., 1982; Цуцкин, 1987; Гарбузов, 2003; From Space to Place, 2006; Remote Sensing, 2007; Parcak, 2009).

Работа с данными космических спутников требует специальных знаний, поскольку в отличие от классической аэрофотосъемки космические спутники используют многоспектральную съемку, которая ведется как в видимой части спектра, так и в невидимых человеческому глазу ближнем и дальнем диапазонах спектра. Означенные диапазоны носят также названия «окон прозрачности» атмосферы, поскольку только в них отраженное поверхностью Земли электромагнитное излучение способно преодолевать земную атмосферу. Основных оптических диапазона четыре: видимый (с длиной волны 0,4-0,7 мкм), ближний (0,7-2,0 мкм), средний (2,0-5,0 мкм) и дальний инфракрасный (8,0-15,0 мкм). Поскольку различные объекты земной поверхности имеют разные спектры отражения, получение информации в виде нескольких спектральных каналов позволяет осуществлять классификацию объектов на изображении. Кроме того, космические снимки делаются также в единственном канале спектра, в результате чего получается черно-белое изображение, называемое также панхроматическим (Гарбузов, 2003. С. 45-46).

В зависимости от используемой аппаратуры различают фотографическую, цифровую сканерную и радарную космические съемки. Первые два вида аппаратуры относятся к пассивным системам ДЗ, которые измеряют отраженный от земной поверхности солнечный свет либо переизлученную тепловую радиацию. Радарная аппаратура относится к активным системам, поскольку она сама является источником излучения радиосигнала, который измеряется после отражения от земной поверхности.

Первые космические аппараты для проведения съемки использовали фотокамеры. В принципе, космофотоснимки можно рассматривать как вариант аэрофотосъемки, полученный со значительных высот - от 200 до 1000 км. Их отличает, с одной стороны, большая обзорность, поскольку в один кадр снимка попадает большая площадь земной поверхности, но, с другой стороны, меньшая степень подробности, выраженная в пространственном разрешении снимка (соответствии пиксела изображения размеру поверхности). Сопоставимыми по пространственному разрешению с аэрофотосъемкой мелкого масштаба являются отечественные камеры высокого разрешения КВР-1000 и их американский аналог - система CORONA с камерой KH-4B, которая выполняла шпионскую миссию слежения за территорией СССР в 1967-1972 гг. Снимки этого спутника были рассекречены в 1995 г. и теперь успешно применяются в археологии (см. например: Ur, 2003; Gheyle at al., 2004). В России один из первых подобных опытов осуществлен в Ставропольском крае (работы А.Б. Белинского и А.А. Довгалева). Недавно весьма подробный обзор особенностей данных CORONA и применения их в археологических исследованиях был сделан М.О. Жуковским (2010).

Фотокамеры на космических спутниках в 1980-е гг. заменяются цифровыми сканерами, что позволяет исключить почти все этапы фотографического процесса и последующей оцифровки изображения для ввода его в компьютер. При этом анализ спектральных свойств изображений, полученных при сканировании, также становится более достоверным. Начиная с момента своего появления, цифровые сканерные системы постоянно совершенствуются, достигая приемлемого пространственного разрешения в сочетании с большим количеством

анализируемых каналов (Гарбузов, 2003. С. 47-49).

Сканеры первого поколения давали обзорную информацию, пригодную для исследования ландшафтов крупных территорий. Таков, например, американский сканер LANDSAT со специально встроенным тематическим картографом (Thematic Mapper, TM). Снимки этого сканера применяются для автоматической классификации полученных изображений с целью создания природных карт крупных территорий. В настоящее время используются новые модификации сканера LANDSAT 8, пространственное разрешение которого повысилось до 15 м в одном пикселе изображения. Именно эти изображения используются на широко известном геосервисе Google Map, поскольку они отражают всю территорию Земли, многократно отсканированную. Достоинством сканерных изображений является их пространственная привязка, что позволяет напрямую использовать эти изображения в ГИС. Они служат прекрасными обзорными картами ГИС, на которые можно наносить координаты, полученные с помощью приемников

Космические сканеры нового поколения имеют уже гораздо более высокое разрешение, оставляя примерно то же число анализируемых каналов. Так, американские сканеры Ikonos и QuickBird достигают в панхроматическом режиме разрешения около 0,5 м, что делает их информацию сопоставимой по степени подробности с аэрофотоснимками. Это видно на рис. 37, котором в мельчайших деталях видны окрестности пирамид Гизы с многочисленными мастабами, гораздо более подробно, чем на рис. 38 с аналогичным изображением КВР-1000. При этом по сравнению с аэрофотосъемкой снимок имеет гораздо больший обзор и пространственную привязку в мировой системе координат.

Аналогичным образом выглядят снимки высокого разрешения, полученные космическим сканером QuickBird. На рис. 39 прекрасно видны позднеримские и византийские крепости, построенные в Сирии и Грузии, изучением которых с помощью данных дистанционного зондирования занимается в настоящий момент Г.Е. Афанасьев (Афанасьев, 2011). Эти изображения, сделанные спутником QuickBird, можно получить в открытом доступе на геосервисе Google Map. Данные спутников высокого разрешения могут быть получены и на других геосервисах Интернет (Live Search Maps/MapsBing, Yahoo.Maps, Kosmosnimki и др.). Обзор различных особенностей космических изображений, размещенных на этих порталах, приводится в недавней работе А.А. Довгалева (2010).

Как уже упоминалось выше, в отличие от фотокамер и сканеров, радарные системы имеют активный способ получения изображений, облучая земную поверхность радиоволнами. Они позволяют изучать физические свойства земной поверхности и приповерхностных слоев независимо от состояния атмосферы и используются в природоохранных исследованиях, например в изучении процессов загрязнения речных и морских водоемов. Для археологических целей наиболее важная особенность космических радарных систем лежит в возможности исследования приповерхностного слоя Земли, что делает эти данные сопоставимыми с геофизическими. Еще в недавнем прошлом пространственное разрешение этих систем было непригодно для анализа археологических объектов. Полученные с помощью космических радаров изображения имели пространственное разрешение 10-20 м (Гарбузов, 2003. С. 48-49). Однако в последние годы для археологов стали доступными данные немецкой радарной спутниковой системы TerraSAR-X, пространственное разрешение которого достигло 1-2 м. Теперь эта информация успешно используется археологами и геофизиками, например, при исследовании руин древней Пальмиры или римской крепости Крейе в Сирии (Link et al., 2012; 2013).

Радарные системы используются также для построения цифровой модели земной поверхности. Так, за 11 дней в феврале 2000 г. с помощью специальной системы Shuttle radar topographic mission (SRTM) была произведена радарная топографическая съемка большей части территории земного шара, за исключением самых северных (выше 60°) и самых южных широт (ниже 54°), а также океанов. Пространственное разрешение полученной трехмерной модели рельефа составляет около 90 м, что пригодно для анализа относительно крупных территорий. В настоящее время в свободном доступе появились также данные японской камеры ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) спутника TERRA, которые пригодны для составления рельефной карты местности с пространственным разрешением около 15 м. Именно эта информация используется в настоящем исследовании для анализа рельефа Кисловодской котловины.

Плановые аэрофотоснимки и космосъемка, как уже отмечалось выше, дают возможность оптимально осуществлять картографирование археологических объектов. Подобные задачи могут решаться также с помощью перспективных аэрофотоснимков, но для этого требуется дополнительно спроецировать информацию с наклонной плоскости снимка на горизонтальную плоскость карты (рис. 36), для чего, как правило, используется несколько контрольных точек (control points), общих для аэрофотоснимка и карты (Scollar, 1975; 2002). Долгое время процедура картографирования была в сущности ручной и заключалась в составлении плана с нанесенными на него археологическими объектами, который срисовывался с аэрофотоснимка (рис. 40).

В настоящее время активно используется картографирование информации с ДДЗ, включенных в ГИС (рис. 41). Для этого требуется первоначально создать пространственную привязку растрового слоя фотоснимка, т.е. осуществить процедуру «геокодирования» или «геореференцирования», при которой каждый пиксель изображения соотносится с координатами местности в выбранной системе. Данная процедура требуется, как правило, для последующего включения в ГИС данных, полученных с помощью фотографических аппаратов.

Процедура пространственной привязки данных дистанционного зондирования может осуществляться в некоторых ГИС-программах (например, ArcGIS или MapInfo). Более корректно можно задать пространственную привязку, используя специальные пакеты программ обработки данных дистанционного зондирования (таких, как ERDAS Imaging или ErMapper). Следует отметить, что эти операции требуют специальных знаний. Современные сканерные системы с помощью высокоточных GPS-приемников дают точную пространственную привязку изображений, которые могут напрямую импортироваться в ГИС. Для получения изображений, сделанных с помощью космических сканерных систем, в том числе и высокого разрешения, с сохранением пространственной привязки, может быть успешно используема отечественная компьютерная программа SAS.Planeta, находящаяся в свободном доступе в Интернете (http://sasgis.ru/sasplaneta/). Сохраненные с помощью этой программы изображения могут использоваться в ГИС-проектах без дополнительных процедур по созданию пространственной привязки.

После процедуры пространственной привязки изображение (аэрофотоснимок или космоснимок) включается в проект ГИС в качестве растрового слоя, на который можно наносить распознаваемые объекты в виде векторных слоев (точек, линий, полигонов) (42, а). В дальнейшем эти векторные слои могут включаться в комбинированные многослойные карты ГИС (рис. 42, б), на их основе могут создаваться трехмерные модели местности с нанесенными

археологическими объектами (рис. 42, в). Поскольку все объекты ГИС имеют пространственную привязку, можно получить координаты выделенных при анализе аэрофотосъемки археологических структур и использовать их в полевых исследованиях, проводимых с помощью приемников глобального спутникового позиционирования. Местонахождение памятников при этом устанавливается дистанционно с точностью до нескольких метров. Опыт подобных работ, проведенных в Кисловодской котловине и ее окрестностях, отражен в ряде публикаций, упоминаемых выше (например: Белинский и др., 2009).