§ 2.7. Трехмерное моделирование в ГИС.

Помимо пространственного анализа, автором осуществлялось трехмерное моделирование в ГИС, на котором следует остановиться подробнее. Подобное моделирование проводилось с помощью специальных модулей, например модуля 3D Analyst программы ArcGIS (Коробов, 2011.

Процесс создания трехмерной модели в ГИС состоит из нескольких этапов. Прежде всего требуется создать цифровую модель поверхности, ЦМП (digital elevation model - DEM), под которой обычно подразумевают цифровую модель рельефа, ЦМР (digital terrain model - DTM). Разница этих двух понятий заключается в том, что цифровая модель рельефа является одним из видов цифровой модели поверхности, наиболее распространенным при компьютерном моделировании. В принципе мы можем построить цифровую поверхность на основании любой количественной информации, распределенной неким образом в пространстве (например, частотное распределение типов бус или акинаков, как это делается путем компьютерного картографирования - см. Ковалевская, 2005. С. 25-42). Имея цифровую модель поверхности и используя специальные программные модули, мы легко можем превратить эту информацию в трехмерное изображение и визуализировать.

Чаще всего, однако, в роли количественной информации выступают данные об абсолютной или относительной высоте местности, на основании которых строится цифровая модель рельефа (ЦМР). Цифровая модель рельефа является одним из видов цифровой модели местности (ЦММ). Отличие этих понятий заключается в том, что ЦМР использует только информацию о поверхности рельефа, а ЦММ включает также информацию о растительном покрове, зданиях, объектах инфраструктуры и т.д. В археологии мы имеем дело прежде всего с построением ЦМР.

Существует несколько способов построения ЦМР: с помощью регулярной матрицы данных о высоте (regular grid), с помощью интерполяции точечных нерегулярных данных (spatial interpolation) и с помощью нерегулярной триангуляционной сети (TIN - Triangulated Irregular Network).

Регулярная матрица данных имеет высокую точность, напрямую зависящую от частоты измерений, но при этом требует весьма трудоемкой полевой работы по сбору этих измерений и поэтому применима лишь на ограниченной площади. Существует целая серия работ, связанных со сбором высокоточных данных о высоте местности по регулярной сети, результатом которых являются яркие топографические планы, представленные в трехмерном виде и позволяющие без археологических раскопок говорить о внутренней структуре памятника и отдельных его объектах (рис. 81). Обычно для подобных измерений используют электронные нивелиры или геодезические GPS, которыми замеряются данные о высоте по регулярной сетке, например, через 1 м (Пелевин и др., 2004).

Другим вариантом построения ЦМР может быть интерполяция нерегулярных точечных данных о высоте. Подобная работа по моделированию рельефа Таманского полуострова на основании данных о высотных отметках топографических карт была проведена в свое время Г.В. Требелевой (рис. 82) (Требелева, 2006). У этого метода также имеются свои ограничения,

заключающиеся прежде всего в том, что разные методы интерполяции приводят к разным, зачастую весьма далеко отстоящим друг от друга результатам (рис. 83, а). Кроме того, нерегулярность распределения данных о высоте может привести к огрублению цифровой модели в местах с сильно пересеченным рельефом, где требуется больше высотных измерений, и, напротив, к избыточности информации на плоских участках местности.

Наиболее распространенным способом представления ЦМР является построение ее на основе нерегулярной триангуляционной сети (далее TIN). Этот эффективный метод применяется с конца 1970-х гг., его преимущество заключается в специальном способе подбора оптимального количества измерений для разных типов рельефа, более подробных на пересеченной местности и менее - на плоских участках. Подобные измерения осуществляются с помощью специальных геодезических приборов: теодолита, электронного тахеометра или GPS-приемника геодезического класса.

Кроме того, использование цифровых моделей TIN позволяет автоматически анализировать в ГИС два важных показателя - крутизну склона (slope) и его ориентировку (aspect). Однако и этот метод имеет свои ограничения, касающиеся прежде всего сложностей при интерполяции данных о высотных отметках, отраженных в виде горизонталей (рис. 83, б). Кроме того, цифровая модель, созданная на основе TIN, несет элемент огрубления реального рельефа местности, поскольку базируется на треугольных плоскостях, что бывает заметно при визуализации моделей. Тем не менее именно использование TIN в качестве основы для построения ЦМР является наиболее распространенным методом и поэтому входит в состав модулей трехмерного анализа различных пакетов программ ГИС.

Построив TIN, мы можем приступать к анализу трехмерной поверхности с помощью модуля 3D Analyst (рис. 84), который сводится к следующим процедурам:

- создание изолиний по имеющейся ЦМР (Contour);

- анализ уклона (Slope);

- анализ экспозиции склонов (Aspect);

- отмывка рельефа (Hillshade);

- анализ видимости (Viewshed);

- анализ насыпей/выемок (Cut/Fill);

- статистический подсчет площади и объема (Area and Volume).

Кроме того, имеются дополнительные команды на панели 3D Analyst, позволяющие:

- автоматически создать изолинии по выбранным участкам TIN (Create Contour);

- смоделировать кратчайший путь вниз по склону (Create Steepest Path);

- построить линию взгляда между двумя точками (Create Line of Sight);

- интерполировать точку, линию или полигон на трехмерную поверхность (Interpolate Point, Line, Polygon);

- построить линию профиля или разреза (Create Profile Graph).

Рассмотрим подробнее некоторые процедуры.

Анализ уклона (Slope) производится с помощью одноименной команды меню панели инструментов 3D Analyst. В появившемся окне выбирается название анализируемого слоя TIN, представление информации о крутизне в градусах или процентах, а также величина ячейки растра. В результате мы получаем аналитический растровый слой со статистической информацией о крутизне склонов разных участков карты (рис.

Аналогичным образом осуществляется процедура анализа экспозиции склонов (Aspect). Заполнив информацию об имени анализируемого слоя и размере ячейки растра, мы получаем аналитическую растровую карту, где с помощью разных цветов отмечены направления ориентировки склонов местности (рис. 86).

Анализ насыпей/выемок (Cut/Fill) проводится с целью визуализировать разницу в рельефе, возникшую в результате каких-либо его изменений по высоте. Он редко применяется в археологических исследованиях, в основном, при моделировании изменения береговой морской линии или разлива рек. Для использования этой процедуры требуется наличие двух слоев рельефа, отражающих его состояние на разные моменты времени. В результате анализа разницы программа выстраивает карту, на которой разными цветами обозначены участки рельефа, которые поднялись, опустились или остались без изменений (рис. 87).

Анализ видимости (Viewshed Analysis) требует наиболее пристального внимания для рассматриваемой темы, поскольку именно он получил наибольшую популярность в археологических исследованиях. В зарубежной литературе моделирование зон видимости и зрительных связей с конца 1970-х гг. превратилось в сложившееся направление, отраженное как в виде специальных исследований, так и в виде обобщающих работ (van Leusen, 1999. P. 218-220; Gillings, Wheatley, 2001; Weatley, Gillings, 2002. P. 201-216; Posluschny, 2006). В этих работах авторы приходят к выводу, что одним из факторов, определяющих выбор места обитания в древности, являлся фактор хорошего обзора местности. Анализ зрительных связей имеет высокую степень важности при изучении системы оповещения между поселениями, открывает некоторые аспекты верований древних людей, помогает реконструировать систему расселения и хозяйственного освоения территорий.

К сожалению, приходится констатировать практически полное отсутствие опубликованных исследований, ведущихся в России в данном направлении, как ручным способом, так и с помощью ГИС.

При анализе видимости с помощью ГИС речь идет прежде всего о двух его аспектах: изучении зон видимости (field-of-view) и линий зрительной связи (line- of-sight). Зона видимости представляет собой пространство обзора местности, открывающееся с точки наблюдения. Моделирование этого пространства осуществляется с помощью специальной команды меню Viewshed панели 3D Analyst. При вызове этой команды появляется дополнительное окно с параметрами, которые необходимо определить для дальнейшего анализа (рис. 88). Это прежде всего слой поверхности, который является основой для анализа и точечная или линейная тема ГИС, представляющая собой пункты или линию наблюдения. Если при анализе пользователь оперирует единицами измерения, отличными от используемых в данном окне карты (например, футами вместо метров), программа дает возможность установить соотношение между этими единицами с помощью так называемого Z-фактора (по умолчанию Z-фактор равен единице). При анализе видимости на больших площадях бывает полезно учитывать фактор кривизны земной поверхности, что также возможно сделать, подключив соответствующую функцию «Use Earth curvature».

Результаты анализа зоны видимости выводятся на карту в виде аналитического растрового слоя, где каждая ячейка имеет информацию о том, видна она или не видна с выбранной точки наблюдения, что отражается на карте в виде разных цветов. Величина ячейки определяется программой автоматически в зависимости от размера окна карты или задается пользователем. Мною устанавливалась величина ячейки 10 χ 10 или 100 χ 100 м, что позволяет оперировать общепринятыми величинами площади (гектарами).

Следует отметить, что при анализе видимости может использоваться дополнительная информация о точках наблюдения и способах обзора, если она внесена соответствующим образом в исходную таблицу анализируемой темы (рис.

1) данные о высоте расположения точки наблюдения в единицах измерения, принятых в данном окне карты (заносятся в таблицу в специальное поле «SPOT»; при отсутствии данного поля в таблице принимается высота точки, интерполируемая с трехмерной поверхности TIN);

2) данные о высоте расположения наблюдателя над точкой наблюдения (поле «OFFSETA», в метрах; при отсутствии поля в таблице равно единице);

3) данные о высоте расположения наблюдаемой цели над анализируемой поверхностью (поле «OFFSETB», в метрах; при отсутствии поля в таблице равно нулю);

4) данные о горизонтальном угле обзора (заносятся в виде азимутов в поля «AZIMUTH1» и «AZIMUTH2» в градусах по часовой стрелке от 0° на севере до 360°; при отсутствии данных полей в таблице считается, что наблюдение ведется на всем пространстве вокруг наблюдателя);

5) данные о вертикальном угле обзора (заносятся в виде азимутов в поля «VERT1» и «VERT2» в градусах от 90° вверх до -90° вниз; именно эти значения принимаются при отсутствии этих полей в таблице);

6) ближний и дальний радиусы наблюдения (заносятся в виде полей «RADIUS1» и «RADIUS2» в единицах измерения окна карты; при отсутствии полей в таблице ближний радиус равен нулю, а дальний - бесконечности).

При анализе зон видимости с аланских укреплений Кисловодской котловины автором использовалось поле «SPOT» с данными о высоте точки наблюдения, поле «RADIUS2» с заложенной информацией об ограничении радиуса обзора в 10 км и поле «OFFSETA» с данными о высоте стояния наблюдателя в 5 м над поверхностью, что приблизительно соответствует уровню второго этажа построек башенного типа.

Весьма интересной особенностью ГИС-анализа зоны видимости является возможность просчитать совокупную видимость с нескольких выбранных точек. Это может быть достигнуто как с помощью простой алгебраической операции суммирования карт с зонами видимости (cumulative viewshed map), так и с помощью специальных процедур логического объединения отдельных карт (multiple viewshed map). Представленная на рис. 88 карта видимости со всех аланских укреплений Кисловодской котловины является типичным примером кумулятивной карты видимости.

Вторым способом анализа видимости является моделирование линий зрительной связи между выбранными точками. Эта функция доступна из панели 3D Analyst в виде специальной кнопки «Создать линию взгляда» (Create Line of Sight). После нажатия кнопки появляется дополнительное меню, в котором задаются данные о высоте стояния наблюдателя и высоте наблюдаемой цели над анализируемой поверхностью (аналогичны полям «OFFSETA» и «OFFSETB», описанным выше). После внесения этой информации в окно меню пользователь с помощью мыши создает линию взгляда между двумя выбранными точками, видимые и невидимые участки которой окрашены в разные цвета. Если с начальной точки видна конечная цель, в левом нижнем углу окна программы появляется утвердительный ответ на вопрос о ее видимости (Target is visible) (рис. 90).

Следует особо остановиться на некоторых ограничениях, налагаемых компьютерным анализом видимости и отмеченных предыдущими исследователями (van Leusen, 1999. P. 218-219; Gillings, Wheatley, 2001. P. 31-33; Weatley, Gillings, 2002. P. 209-210). Основные недостатки в адекватности компьютерных моделей действительной видимости связаны с:

1) точностью трехмерной модели рельефа;

2) статичностью моделирования видимости, которая меняется при движении и разных углах зрения;

3) идеальностью условий наблюдения (прозрачность атмосферы,

отсутствие растительности и т.д.).

Отдельно стоит проблема доказательства важности зрительных связей между памятниками для древнего населения и существования системы таких связей в древности.

Чтобы проверить результаты компьютерного моделирования, 15 октября 2004 года мною был организован эксперимент по передаче дымового сигнала (Коробов, 2006б). В нем принимали участие сотрудники Кисловодского отряда ИА РАН, а также телегруппа студии «Инфофильм», зафиксировавшая процесс экспериментирования на цифровую видеокамеру (Коробов, 2006б. Видеоролик 1).

Цепочка видимых связей, проверенная с помощью эксперимента, состояла в следующей последовательности передачи дымового сигнала:

1) Боргустанское 4 - Боргустанское 9: расстояние по прямой 4,2 км, скорость передачи сигнала 2 минуты (здесь и далее указывается время, за которое разжигался дымовой костер после того, как участники эксперимента видели дым с предыдущего пункта);

2) Боргустанское 9 - Горное Эхо: расстояние по прямой 5,5 км, скорость передачи сигнала 4 мин;

3) Горное Эхо - Спящая Красавица: расстояние по прямой 9,3 км, скорость передачи сигнала 4 мин.

Таким образом, общее расстояние передачи дымового сигнала составило около 19 км. Между крайними точками - укреплениями Боргустанское 4 и Спящей Красавицей - расстояние по прямой составляет 9,7 км. Общая скорость передачи сигнала, учитывая время на разжигание первого костра, составило менее 15 минут. За это время информацию о возможной опасности могло получить около половины потенциальных обитателей раннесредневековых укреплений Кисловодской котловины.

В целом следует отметить весьма успешный результат данного эксперимента, подтвердившего основные выводы анализа видимых связей между аланскими укреплениями, проведенного методами ГИС. На практике установлено, что оптимальное расстояние между точками наблюдения за дымовым сигналом не должно превышать 5 км. На большем расстоянии дымовой сигнал виден слабо, даже в условиях очень хорошей видимости (прозрачный воздух, высокая облачность, солнечная погода). Максимальное расстояние видимости дымового сигнала в дневное время, установленное экспериментальным путем, составляет 10 км. Данный вывод соотносится с общепризнанными наблюдениями за дальностью зрения, которая для человека среднего роста (1,6 м) составляет с учетом рефракции 4,77 км. Это расстояние увеличивается при увеличении высоты стояния наблюдателя (Меньчуков, 1977. С. 46). Например, И.А. Гильденштедт описывает посещение башни в Мухране (Внутренняя Картли, Грузия), откуда было прекрасно видно восемь населенных пунктов, в том числе и расположенная в семи верстах к югу крепость Цихезире (Гильденштедт, 2002. С. 94). При передаче светового сигнала в ночное время расстояние, на которое может передаваться этот сигнал, также увеличивается.

Таким образом, в используемой автором модели видимости с аланских укреплений Кисловодской котловины учитывались недостатки, присущие данному методу. В частности, было введено ограничение на радиус обзора в 10 км, что подтверждено в результате эксперимента по передаче дымового сигнала (рис. 91). В результате анализ видимости с укреплений окрестностей Кисловодска, проведенный с помощью ГИС, помог наметить некоторые тенденции в пространственном распределении сигнальных постов как единой системы, а также прояснить разницу в передаче информации при поступлении сигнала об опасности с разных сторон котловины (рис. 92).