Основные методики полевой фиксации, применяемые ИИМК РАН
Важным направлением деятельности ИИМК РАН является развитие методики фиксации и обработки археологического материала. Некоторые разработки носили экспериментальный характер и пока не получили дальнейшего развития, другие прошли проверку на практике и были включены в основной набор методических инструментов сотрудников ИИМК РАН.
Большое внимание уделяется совершенствованию методов полевой фиксации на археологических раскопках с применением фотограмметрии, мировая практика использования которой насчитывает уже не один десяток лет. Однако бурное развитие этот метод получил в 2000-е гг. на Западе в связи с началом широкого использования тахеометров на раскопках и появлением цифровой фотографии. Периодическое тестирование сотрудниками ИИМК РАН фотограмметрического метода на небольших объектах и поиск оптимальной последовательности действий привели к выработке методики электронной фиксации, полностью отработанной на масштабных раскопках на Охтинском мысу в С.-Петербурге в 2010 г.
История применения метода в ИИМК РАН
Планы и разрезы фиксировались с помощью серии фотоснимков под прямым углом к снимаемой поверхности. Контрольные точки фотографий и находки измерялись электронными тахеометрами. Далее фотоснимки трансформировались с помощью контрольных точек для минимизации искажений и составлялся фотоплан, служивший в дальнейшем основой для чертежа. Информация о находках собиралась в специально разработанной базе данных, отслеживавшей регистрацию и движение находок в процессе камеральной обработки (фотографирование, реставрация, зарисовка и т.д.). При подготовке Полевого отчета описи находок базой данных создавались автоматически. В пик работ единовременно было задействовано 12 тахеометристов и 10 чертежников на площади около 4000 кв.м., при этом общая площадь всех раскопов за 7,5 месяцев 2010 г. на Охтинском мысу составила более 21 тыс. кв.м.
Первые шаги в масштабном применении цифровой фиксации. 2-D фотограмметрия на Охтинском мысу в 2010 году. Команда чертежников и тахеометристов в работе.
Методическая схема полевой фиксации при раскопках на Охтинском мысу в 2010 г.
 |  |
|---|---|
| Применение 2-D фотограмметрии на Охтинском мысу в 2010 году. Прорисовка чертежей по исправленным фотоснимкам | База данных находок (в среде СУБД Microsoft Access) и камеральные отчеты, использовавшиеся в Охтинской экспедиции 2010 г. |
Столь масштабные работы выявили ряд существенных преимуществ в скорости и точности электронной фиксации по отношению к традиционной «бумажной», однако при таком подходе вопрос технической грамотности работников становится невероятно острым. С 2010 г. основным методом полевой фиксации экспедиций ООА ИИМК РАН на раскопках в С.-Петербурге, Северо-Западе, Кавказе, Сибири, является электронная фиксация.
«3D-революция»
С 2012 года бурное развитие компьютерного зрения в связке с фотограмметрическими алгоритмами привело к тому, что в специализированной литературе получило название «3D-революции в археологии». Появление доступных и дружелюбных к пользователю программных продуктов, работающих по технологии SfM (Structure from Motion), позволяющих относительно быстро и ресурсоэкономно создавать трехмерные модели фактически способствовало перевороту в мировых практиках полевой документации.
Преимуществом этой технологии является точность измерений, сравнимая с лазерным сканированием, и, в ряде случаев, многократное увеличение скорости фиксации. Данная технология стала де-факто основой полевой фиксации в экспедициях ИИМК РАН на Кавказе, Северо-Западе, в Центральной и Южной России, Туркмении, Хакасии, Туве и С.-Петербурге. Технология SfM при решении рядовых археологических задач не требует приобретения специализированного дорогостоящего оборудования, при этом, обладает весьма низким порогом входа для специалиста – нет необходимости в длительной подготовке отдельного технического работника.
Необходимо отметить, что результатом применения технологии становится точная текстурированная трехмерная модель объекта, которая сама по себе становится самостоятельным исследовательским инструментом – своеобразной цифровой «копией» археологического источника, доступной для анализа и последующей визуализации.
Трехмерная модель дольмена Хаджох-3 (Адыгея, пос. Хаджох, 2013 г.)
Извлечение из «Инструкции по методике полевой фиксации, принятой в ИИМК РАН»:
Рабочим стандартом для ИИМК РАН стало использование разработанного нашими технологическими партнерами – группой компаний Геоскан – программного комплекса Agisoft Metashape (бывший Photoscan). Процесс полевой документации открытого и зачищенного локального участка археологического слоя или объекта соответствует требованиям документации программного обеспечения (с некоторыми модификациями) и производится в несколько этапов:
· на фиксируемом участке (объекте) размещаются опорные точки (GCP – ground control points) в виде хорошо заметных, ярких маркеров. Точки располагаются по периметру снимаемого участка и (особенно в случае сложных объектов) в его центре (например, на квадрат 8х8 м – в количестве не меньше 4).
· производится фотофиксация участка в соответствии с требованиями используемого программного обеспечения (см., например, актуальную версию User Manual к Agisoft Metashape). Предпочтительно обеспечить перекрытие кадров в 75-80% и обязательно позаботиться о наличии ортогональных снимков и снимков, сделанных под углом, а также, как минимум, одного общего ортогонального кадра. Желательно избегать появления в этих рабочих кадрах реек, стрелок севера или разметочных веревочек, поскольку их наличие может негативно сказаться на дальнейшей обработке. Съёмка небольших участков производится на обычный используемый на раскопе фотоаппарат, с земли (в отдельных случаях рекомендуется применение штативов-моноподов), более крупные и сложные участки желательно снимать с воздуха, с использованием компактного любительского квадрокоптера c достаточно качественной камерой (типа DJI Phantom 3 Adv или Pro или Mavic 2 Pro).
· производится съёмка контрольных точек тахеометром. Здесь желательно использование «маленьких» вешек и невысокого положения отражателя на вешке, чтобы снизить итоговую погрешность.
Применение 3D фотограмметрии на раскопках в городских условиях. Церковь Спас-на-Сенной, СПб., 2013 г.
Дальнейшая обработка полученных данных (построение плотного облака точек, геометрии 3d-модели, при необходимости – текстурирование, создание ортофотопланов и высотной модели) происходит в соответствии с рабочим протоколом используемой программы.
Окончательная прорисовка археологического чертежа производится по экспортированному из 3d-модели ортофотоснимку. Ортофотопланы экспортируются с привязкой к используемой системе координат в соответствии с протоколом используемой программы, профили и разрезы – в соответствии с методом, описанном в (Hagner, Sikora 2015). Прорисовка производится в КАД-программах (Autodesk AutoCAD, NanoCAD), в соответствии с разработанными методическими стандартами
 |
 |
Создание археологического чертежа на основе ортофотоплана, построенного на основе 3D-модели. Церковь Спас-на-Сенной, СПб, 2013 и дольмен Хаджох-3, с. Хаджох, Адыгея, 2013
Сохранение объектов мирового культурного наследия
Наработанные ИИМК РАН методики полевой документации археологических памятников нашли свое воплощение в крупномасштабном проекте по сохранению памятника мирового культурного наследия ЮНЕСКО «Археологические памятники Пальмиры» [гиперссылка на проект Пальмира], инициированном ИИМК РАН в партнерстве с группой компаний Геоскан.
 |
 |
| БПЛА коптерного типа при съёмке теменоса храма Бела (Пальмира, Сирия, 2019 г.) | Фрагмент 3D модели Большой колоннады Пальмиры с разрушенной Монументальной аркой |
 |
 |
| Фрагмент 3D модели Большой колоннады Пальмиры с разрушенной монументальной аркой | Фрагмент 3D модели Пальмиры, общий вид на город со стороны храма Бела |
Археологическая геодезия
Любые археологические исследования предваряются тщательной к ним подготовкой, куда входит создание крупномасштабной топоосновы, главное внимание в которой уделяется археологической части. Архивные планы памятников часто являются глазомерными, либо не отвечают текущим требованиям. Поэтому все археологические работы ИИМК РАН предваряются созданием топопланов памятников как на известных археологических объектах, так и на выявленных. Принципиально важно, что выполнить съемку археологических объектов, отражающую все существенные детали памятника, могут только археологи, поэтому топооснов, сделанных профессиональными геодезистами часто бывает недостаточно для начала археологических исследований. Для топосъемки нашими сотрудниками используются последние модели тахеометров с ручным управлением компаний Sokkia и Leica, привязка планов к местным государственным и мировым системам координат производится с помощью GNSS станций Spectra и Leica.
Съёмка топоплана распаханных курганов скифского времени в «Природном, архитектурно-археологическом музее-заповеднике Дивногорье» (Воронежская область, 2014 г.)
Топографическая съёмка древнерусских курганов в сложных условиях густой растительности. Голубково-1, Лужский район, Ленинградская область, 2015 г.
Подвидом обычной топосъемки является микротопосъемка. Ее отличие состоит в измерении поверхности очень маленькими шагами (0,5-1,5 м). Такая плотность точек позволяет фиксировать минимальные перепады рельефа на небольших площадях (до 100х100 м) с целью моделирования микрорельефа и выявления слабозаметных на местности планиграфических структур еще до проведения археологических раскопок.
Аэрофотосъёмка
Отдельным направлением в методиках топосъёмки и полевой фиксации, применяемых ИИМК РАН является низковысотная геодезическая аэрофотосъёмка с последующей фотограмметрической обработкой. Первые успешные широкомасштабные работы такого рода были проведены нами при раскопках крепости раннего железного века Куртан (Армения), где были получены сотни аэрофотоснимков с радиоуправляемого самолета, сделанные с высот 30-200 м и покрывающие общую площадь более 20 га. Эта работа наглядно показала, что данные аэрофотосъемки наглядно отображают ландшафтную ситуацию расположенной на мысу крепости и пригодны в использовании для визуального анализа, поиска невидимых с земли объектов, а также для получения первичных чертежей видимых на земле объектов.
Развитие в последующие годы технологии радиоуправляемых БПЛА (беспилотных летательных аппаратов) коптерного типа, полностью оснащенных системами телеметрии, качественными камерами (с возможностью модификации), экономически доступных и удобных для перевозки привело к тому, что использование аэрофотосъёмки стало в ИИМК РАН по сути стандартом в процессе археологической документации – как при создании топопланов, так и в полевой фиксации на раскопе.
 |
 |
Фиксация на раскопе с применением БПЛА коптерного типа. Раннескифский курган Туннуг 1. Тува, 2019
Историческая картография на службе археологии
Проведение археологических работ в городской среде сопряжено с трудностями, связанными с необходимостью работать в единой городской системе координат, в условиях плотной городской застройки и наличия большого количества подземных коммуникаций. Оценка и планирование порядка проведения исследований в Санкт-Петербурге всегда проводится с привлечением исторических карт и современных землеустроительных планов. Только с их помощью мы можем предварительно спрогнозировать степень сложности и объемы работ, а зачастую и идентифицировать выявленные в процессе раскопок объекты. Корпус исторических карт, имеющихся в нашем распоряжении, исчисляется тысячами, и работа с ними потребовала применения (и зачастую создания новых) методик привязки и ректификации картографических данных и ГИС-разработки.
Совмещение выявленных фрагментов архитектурных конструкций церкви Успения Божьей Матери с обмерным планом 1866 г. Сенная площадь, СПб., 2013 г.
Карта бывших губерний Иван-Города, Яма, Капорья и Нэтеборга по состоянию на 1676 год, авторства майора Биргенгейма (составлена в 1827 г.) в рабочей среде археологической карты Ленинградской области (проект «Археограф (ARDB)»), в интерфейсе QGIS 3.4.
С особым вызовом сотрудники ИИМК РАН столкнулись при проведении мониторинга и инвентаризации археологических памятников Ленинградской области в рамках Федеральной программы по инвентаризации археологических памятников. Разрозненность и неполнота существующей архивной информации, вкупе с изменениями, произошедшими за последние 100 лет в историческом ландшафте, делают исключительно сложной задачу обнаружения уже известных и ранее описанных археологических объектов, а также их соотнесение с новооткрытыми памятниками. Накопленные методики работы с картографическим материалом и геоинформационными системами позволяют ИИМК РАН все последние годы успешно решать встающие перед исследователями задачи (Семенов, Васильев 2020).
Цифровые технологии не стоят на месте и не всегда существует возможность следовать новейшим достижениям, но мы стараемся быть в курсе последних разработок, адаптировать и внедрять в свою практику удачные решения и стареться сохранить максимум археологической информации для науки и будущих поколений.
Руководитель проекта:
Станислав Александрович Васильев
