Дешифрирование археологических памятников эпохи энеолита
на территории Среднего Енисея (Минусинские котловины) по данным ДЗЗ

В среднем течении реки Енисей расположены уникальные по своим природно-климатическим условиям Минусинские котловины. С древнейших времен они привлекали человека богатством и доступностью своих ресурсов. Начиная с эпохи палеолита, эти территории были заселены различными народами, многие из которых сыграли огромную роль в истории всей Евразии. Несмотря на то, что изучение оставленных ими уникальных археологических памятников продолжается уже почти 300 лет, обнаружена и зафиксирована только малая их часть. По-прежнему, выявление и изучение древнейших памятников истории Сибири остается самой важной и насущной задачей в рамках археологических исследований.
Таким образом, первым делом встает вопрос о поиске и определении местоположения всех объектов культурного наследия. Упростить и решить эту проблему можно с помощью данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Большое значение при этом играют правильное использование и обработка снимков.
Главным объектом данного исследования являются могильники, которые, в свою очередь, состоят из курганов. Курганы выявляются на космических снимках по прямым или косвенным визуальным признакам, что зависит от степени сохранности курганной насыпи.
Курганы с земляными насыпями, высоко возвышающимися на поверхности, хорошо заметны на космических снимках высокого разрешения. Причем даже появляется возможность судить о повреждениях в ходе распашки, о нарушениях вследствие деятельности грабителей. Распаханные курганы можно выделить по пятнам округлой формы на пахоте. Рисунок археологического объекта в такой ситуации - пятно светлого цвета, вокруг которого кольцо более темного оттенка.
Курганы с каменно-земляными и каменными насыпями фиксируются по светло-зеленым пятнам с белесым оттенком.
Курганы с каменными ящиками в гробницах, которые видны на поверхности, хорошо различимы на снимках. Отличаются прямоугольниками светлого цвета с оттенёнными темными контурами.
Грунтовые могильники можно распознать только по косвенному признаку – пятнам более темной растительности.
На территории Минусинских котловин выявлено значительное количество археологических памятников афанасьевской культуры (первый этап эпохи металла степей Енисея (конец IV тыс. – начало II до н.э.)). Преимущественно, памятники представлены могильниками, реже встречаются поселения. Представители этой культуры первыми в Южной Сибири стали сооружать курганы. Вокруг могил сооружалась каменная ограда из каменных плит. Насыпи, если и есть, то очень невысокие. Ограды расположены отдельно друг от друга. По величине могильники сильно различаются, небольшие состоят из 2-4 курганов, а в среднем – до 15 курганов. Их размеры могут быть от 3 до 25 метров.
У памятников окуневской культуры (археологическая культура скотоводов бронзового века южной Сибири (конец III – начало II тыс. до н. э.)) ограда четырехугольная и состоит из плит песчаника, вкопанных на ребро. Их размеры от 2,5 х 3 метров до 40 х 40 метров, но чаще всего встречаются объекты 12 х 12 метров. Могильники состоят из нескольких курганов, не более 10-15. Обычно они расположены поблизости от афанасьевского кладбища, либо на одной площади с ним. Встречаются одиночные могилы, которые находятся под насыпями более поздних курганов, высотой не более 0,5 м (поэтому практически не видны).
Несколько лет назад на кафедре картографии и геоинформатики СПбГУ совместно с сотрудниками Института истории материальной культуры РАН началась работа по обнаружению новых объектов культурного наследия с помощью данных ДЗЗ.
Для упрощения процесса распознавания и разработки единообразной системы условных обозначений археологических объектов, было решено разработать каталог археологических памятников на территорию Среднего Енисея. Аналогом является Альбом образцов топографического дешифрирования аэроснимков (1967 г.).
Технологическая схема разработки каталога археологических объектов:
1. Подбор космических снимков
2. Визуализация изображений
3. Создание синтезированных изображений и настройка отображения:
• Color Mapping (смена цветовой шкалы)
• Enhance (работа с гистограммами)
• Filter (фильтрация)
• Classification (классификация)
4. Поиск и выделение археологических памятников
5. Разработка каталога
Исходные данные были предоставлены компанией СКАНЭКС (7 снимков космического аппарата (КА) Spot 5 и 6). Территориальный охват – северная и центральная часть республики Хакасия:
• 1 участок - Ширинский район (примерная площадь участка 18 тыс. км²)
• 2 участок - Боградский и Усть-Абаканский районы примерная площадь участка 16,5 тыс. км²)
Каждый файл - это растровое изображение (в формате *.GeoTIFF), имеющее географическую привязку. Пространственное разрешение мультиспектральных снимков - 1,5м, панхроматических 2,5 м. Основной программный продукт для обработки снимков – ПК ENVI; дополнительные – Quantum GIS, ArcGIS, MicoStation.
Исходные данные при работе по поиску объектов на снимках были:
- справочная информация - планы могильных сооружений;
- GPS координаты наиболее характерных памятников, относящихся к той или иной археологической культуре.
В программе ArcGIS организован файл, содержащий координаты эталонных памятников, каждой культуре присвоен свой условный знак.
В программном комплексе ENVI производилась обработка и извлечение полезной информации с космических снимков.
Методы извлечения информации при всем их многообразии сводились к двум основным:
1. визуальному, при работе, как с фотоматериалами, так и с изображением на экране монитора;
2. автоматизированному, осуществляемому преимущественно на персональных компьютерах, реже на специальных приборах.
В ходе визуального дешифрирования осуществлялся подбор оптимальных параметров для отображения снимков. К улучшающим параметрам относятся преобразования, основанные на изменениях цвета, яркости и контрастности изображения.
Для снимков, отображенных в оттенках серого для задач поиска археологических памятников, была предложена шкала изменения цвета пикселов Green-Pink, Green/White Linear и их вариации.
Проблема слабого контраста некоторых исходных снимков была решена с помощью изменения яркости каждого элемента изображения. Наиболее удовлетворительный результат был достигнут при использовании закона распределения Gaussian (Гауссово распределение). Эта процедура обеспечивает нормальное распределение преобразованных значений яркости. Данное преобразование гистограммы увеличивает контраст изображения, и, тем самым, делает небольшие и непримечательные объекты более заметными на снимке.
Фильтрация - ещё один параметр, использованный для обработки снимков. Данное преобразование позволяет убрать случайные помехи, усилить или ослабить визуализацию объектов, увеличить контраст изображения за счет изменения тонопередачи. Были апробованы: High Pass (высокие частоты), Low Pass (низкие частоты), Laplacian (выявление рёбер), Sobel (специальный фильтр, который использует апроксимацию истинной функции Собела и окно 3х3 с нелинейным усилением краёв). Анализируя полученные после фильтрации результаты, можно сделать вывод, что данный способ не является пригодным для выявления объектов на снимке с каменной оградой и без насыпей. Такая особенность связана с подавлением одних частот и преувеличением других, тем самым, пропадает детальность мелких элементов.
Классификация изображений относится к варианту автоматического дешифрирования снимков. Существует два вида классификации: контролируемая и неконтролируемая. В рамках данного исследования была применена неконтролируемая классификация или классификация без обучения. Выбор такого метода обусловлен меньшей зависимостью результатов от человеческого фактора. Классы создаются по спектральным характеристикам, а не по эталонным участкам. На основе спектральных характеристик, пикселы объединяются в группы, количество которых изначально задается пользователем. Однако использование этого алгоритма не показало надлежащих результатов. Изменение количества классов, число итераций, порога сходимости и других характеристик не позволило выделить такие небольшие объекты, как курганы.
После первого этапа работы был сделан вывод, что наилучшие функции для снимков Spot 5 и 6 – это изменение цветовых шкал и работа с гистограммами.
После достижения наилучшего результата в подборе данных в обработке снимков и сохранение результатов, начался второй этап работы, целью которого был поиск и выделение археологических объектов. Последовательно детально просматривался каждый участок снимков. Обнаруженные археологические объекты заносились в векторный файл, созданный по растровым данным. В итоге было обнаружено 750 археологических памятников.
Анализируя результаты археологического дешифрирования можно сделать следующие выводы:
• на снимках наиболее заметны курганы, имеющие высокую насыпь, которая в солнечную погоду дает тень, а в зимний период хорошо различима под покровом снега;
• особое внимание при дешифрировании нужно уделять землям, находящимся возле водоемов и крупных рек, а также, располагающимся вдоль древнейших дорог. Именно на этих территориях происходило расселение народов, а, следовательно, и совершались обряды захоронений;
• наиболее заметны памятники, расположенные на современных обрабатываемых пашнях, но только в неурожайное время или в период посева/покоса. Данное свойство связано с особым рисунком, образующимся после сбора урожая. Техника, производящая покос, огибает археологические памятники, тем самым делая их заметными на снимках;
• если размер сооружения достаточно большой (диаметр >20 м) можно судить о целостности конструкции, а также о сохранности внутреннего содержания памятников.
Наряду с космической съемкой, производилась тестовая работа с аэрофотоснимками. Параметры съемки и съемочной системы неизвестны. Съемка производилась в целях археологических изысканий вдоль проектируемой железной дороги, соединяющей Красноярский край и республику Тыва. Снимки покрывают узкую полосу шириной примерно 1 км и длиной 30 км, маршрут проходит вдоль реки Иджим, от места ее впадения в реку Ус и до поселка Маральский.
Как и в случае с космической съемкой, изначально проводилось визуальное дешифрирование, но уже без этапа улучшающих преобразований, что связано с высокой детальностью снимков. Сначала отбирались информативные снимки. После производился отбор снимков с археологическими памятниками. Для каталога выбирались только эталонные объекты, которые являются характерными для определенной культуры (например, объекты афанасьевской и окуневской культуры). Курганы данных культур единообразны в устройстве: стенки оград афанасьевской культуры сооружены из дикого камня, аккуратно уложенного горизонтально, диаметром 3–24 м и на снимках их легко обнаружить именно по этой ограде, имеющей вид кольца. Для окуневской культуры характерны квадратные ограды, сделанные из вертикально поставленных каменных плит, отображаемых на снимках в форме квадратного контура с длиной стороны 10-15 м.
Для занесения объекта в каталог была разработана следующая структура:
Фрагмент исходного изображения - Отдешифрированное изображение - Информация, полученная при анализе памятника
К описательной информации относятся результаты визуального и инструментального анализа:
1. Местоположение памятника относительно крупных населенных пунктов или объектов гидрографии
2. Координаты центра объекта в формате DD MM SS
3. Диаметр или размеры стенок, в зависимости от формы сооружения
4. Характерные особенности конструкции
Анализируя результаты работы с космическими и аэрофотоснимками, можно сделать вывод, что для более эффективного археологического дешифрирования целесообразно использовать в качестве исходных материалов результаты аэрофотосъемки или съемки с беспилотных летательных аппаратов. Именно такая съемка позволит без особых трудностей получить много важных характеристик археологических объектов без полевого обследования.
Космические снимки пока дают меньшую детализацию. Их целесообразно использовать:
- в качестве опорного материала, благодаря которому можно выделять области с расположенными на них археологическими памятниками;
- при создании маршрутов для более детальной съемки;
- когда производится работа с захоронениями позднего времени (начиная со II тыс. до н.э.).
Из-за сложностей получения необходимой информации с помощью космических снимков, работа по составлению каталога и обнаружению археологических объектов в районе Среднего Енисея была приостановлена и продолжилась с появлением новых данных (снимков, сделанных с помощью беспилотного летательного аппарата (БПЛА). В полевой сезон 2016 года на территории могильника Нумахыр, расположенного в восточной части Усть-Абаканского района республики Хакасия появилась возможность провести съемку местности с помощью квадрокоптера DJI Phantom 3 Advanced.
Могильник Нумахыр расположен в восточной части Усть-Абаканского района Республики Хакасия; на правом берегу ручья Роднички, правом притоке реки Биджа на высокой пойме. Основу могильного поля составляют курганы афанасьевской культуры. В 2014 году на территории могильника Нумахыр был изучен один курган.
С помощью программы Agisoft Photoscan Professional (программа автоматизированной фотограмметрической обработки материалов аэрофотосъемки, производства компании Geoscan) по аэрофотоснимкам была создана текстурированная модель. Полученный в результате обработки 146 снимков ортофотоплан с разрешение 4 см, позволил детально рассмотреть объекты, и идентифицировать памятники.
По прямым дешифровочным признакам были идентифицированы 28 объектов афанасьевской культуры и 2 - окуневской. Произведена векторизация контуров, в результате чего получено два новых полигональных слоя, в соответствии с подразделением объектов на культуры. При регулировании насыщенности цвета в свойствах ортофотоплана были визуализированы и переопознаны еще объекты, предположительно курганы.
Итоги поиска сопоставлены с более ранними исследованиями Н.А.Боковенко, датируемыми 2000 г., идентифицирующими 30 и 0 курганов, а также отчётом экспедиции А.В. Полякова, 2014-2015 г., в ходе полевых работ которой был опознан 36 и 1 курган, в том числе на переданных нам снимках – 24 и 1.
Таким образом, были выявлены курганы, найденные в 2000 г. Н.А. Боковенко, но не обнаруженные экспедицией А.В. Полякова, и обнаружено еще 10 объектов (предположительно курганов).
Применение БПЛА открывает большие возможности для поиска археологических объектов, но требует разработки новых методов обработки данных для археологических целей. Также, необходима разработка программ автоматизированного поиска и дешифрирования археологических объектов на снимках. И, несомненно, требуется междисциплинарный подход к данной теме - совместная работа археологов, фотограмметристов и специалистов в области ГИС.