Современный этап документирования петроглифов Дальнего Востока

«…петроглифы Сикачи-Аляна оказались такой «крепостью», которую невозможно было взять штурмом за один раз, а только длительной осадой…»
А. П. Окладников, 1971

Исследованиями 1958–2016 гг. в пределах групп местонахождений петроглифов Сикачи-Алян, Кия и Шереметьево было выявлено и описано в общей сложности более 150 камней и поверхностей с петроглифами, был выполнен огромный объем работ по фотосъемке и копированию наскальных изображений, зарисовке отдельных камней и утесов с петроглифами, топографической съемке. Тем не менее, неполнота документирования памятников к 2015 г. стала очевидной. Для решения этой проблемы была разработана методика комплексного цифрового документирования, основанная на широком применении современных технических средств и обеспечивающая не только точно воспроизведение петроглифов, но и отображение их взаимосвязи с ландшафтным контекстом.

Результатом документирования должен стать цифровой образ памятника, с достаточной точностью фиксирующий его облик на разных уровнях детальности (единичный петроглиф, камень или поверхность с петроглифами, местонахождение, группа местонахождений, провинция) и отражающий форму отдельных объектов, точное положение объектов и взаимосвязи между ними.  

Разная детальность отображения объектов предполагает использование различных способов документирования. Примененная на местонахождениях петроглифов Дальнего Востока методика основана на трёхмерном моделировании петроглифов и их ландшафтного контекста, но не исключает и иных методов. Исходные данные для моделирования собирались преимущественно наземной фотосъемкой (для отдельных камней и поверхностей с петроглифами) и аэрофотосъемкой с беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Ограниченно применялось лазерное сканирование (для съемки скальных утесов и участков речных пойм с кустарниковой растительностью). Взаимная увязка данных и точное позиционирование (определение пространственных координат объектов) достигались использованием методов спутниковой геодезии.

Применение технических средств документирования на памятниках Приамурья имеет ряд ограничений. Так, на местонахождениях шереметьевской группы невозможно использование беспилотных летательных аппаратов, так как петроглифы находятся в пограничной зоне. Аэрофотосъемка осложняется древесной и кустарниковой растительностью, не позволяющей получить хорошие модели поверхностей. Применение спутниковой геодезии затруднено на местонахождениях, где петроглифы наблюдаются на скальных утесах (Сикачи-Алян 3, 4, Шереметьево 1, 2, 3, Кия) – сам утес маскирует спутниковый сигнал, а водная поверхность его переотражает. Топография практически всех местонахождений (узкая и протяженная береговая полоса, ограниченная урезом воды и скальным обрывом) предопределяет линейную геометрию опорной геодезической сети, неблагоприятную для фотограмметрических расчетов.

Документирование ландшафтного контекста петроглифов

Для документирования ландшафтного контекста местонахождений петроглифов в большинстве случаев применялась плановая, перспективная и комбинированная (планово-перспективная) аэрофотосъемка с БПЛА. Плановая фотосъемка использовалась для создания ортфотопланов охранных зон памятников (Сикачи-Алян 1-6, Кия). 

Комбинированная (планово-перспективная) аэрофотосъемка с БПЛА применялась для моделирования скальных утесов с петроглифами на Сикачи-Алян 3 и 4, а также для детального картирования зон распространения валунов с петроглифами на Сикачи-Алян 1 и 2. 

Для документирования местонахождений петроглифов Сикачи-Алян и Кия было выполнено в общей сложности 80 вылетов БПЛА, сделано 21 015 аэрофотоснимков, аэрофотосъемкой покрыто в общей сложности более 110 га. 

Трехмерная полигональная модель местонахождения Шереметьево 2.
Варианты представления с фотографической текстурой и без текстуры.

Перспективная фотосъемка с земли применялась для картирования скальных утесов с петроглифами на местонахождениях Шереметьево 2 и 3, где применение БПЛА было невозможно вследствие ограничений режима пограничной зоны. В таких случаях фотосъемка выполнялась фотоаппаратом, закрепленным на телескопической вехе в диапазоне высот 1-5 м и управляемым по радиоканалу. Опыт такой съемки показал, что она вполне пригодна для получения достаточно детальных моделей и позволяет при этом лучше отработать ниши с петроглифами, однако весьма трудозатратна – для сбора данных сопоставимой детальности по скальному утесу протяженностью до 100 м и высотой до 10 м требуется не менее 2 рабочих дней против 1 часа съемки.

Лазерное сканирование на местонахождениях петроглифов Приамурья применялось ограниченно. Этот метод  позволяет сформировать модель с точностью, сопоставимой результатами фотограмметрических расчетов, однако на практике такая модель оказывается менее детальной, имеет больше мертвых пространств и худшую фототекстуру. Сбор исходных данных, в сравнении с фотосъемкой с БПЛА и наземной фотосъемкой, гораздо более трудозатратен. Тем не менее, лазерное сканирование позволяет получить достаточно хорошие данные на скальных утесах, заросших кустарником. Поэтому лазерное сканирование было применено только при картировании местонахождения Кия (7 сканов, 148,5 млн. точек лазерных отражений) и, в экспериментальных целях, на двух небольших участках местонахождения Сикачи-Алян 1 (16 сканов, 34,9 млн. точек лазерных отражений).

Облако точек лазерных отражений сканирования местонахождения Кия.
Цветом показаны отдельные сканы.

Модель (оранжевый цвет) скального утеса на местонахождении Кия.
Зеленым цветом показана растительность (в виде облака точек).

Облако точек лазерных отражений
на одном из участков местонахождения Сикачи-Алян 1.
Цветом показаны отдельные сканы.

Позиционирование валунов и поверхностей с петроглифами

Точное позиционирование (определение пространственного положения петроглифов относительно мировой или локальной системы координат) валунов и поверхностей с петроглифами необходимо, в первую очередь, для повторного обнаружения петроглифов, которые с течением времени оказываются покрытыми мхами и лишайниками, заросшими кустарником или погребенными под слоем рыхлых аллювиальных отложений. Позиционирование не менее важно для мониторинга перемещения валунов под воздействием ледоходов и паводков (Сикачи-Алян 1 и 2). 

Задача точного позиционирования объектов решалась двумя способами. В первом случае координаты точки в пространстве определялись непосредственно дифференциальными GNSS-наблюдениями. При этом обеспечивалась точность привязки  ± 10 см относительно мировой системы координат. Этот способ применялся для создания опорных геодезических сетей отдельных памятников (всего 34 пункта) и позиционирования изолированных валунов с петроглифами в долине реки Уссури. 

Метод непосредственных GNSS-наблюдений позволяет получить высокую точность позиционирования, однако неудобен для практического применения на скальных утесах и достаточно трудоемок при картировании зон распространения валунов с петроглифами. Кроме того, в полевых условиях не всегда возможно точно определить, какую конкретно точку следует принять за центр объекта и высокоточное определение координат теряет свой смысл. 

Поэтому позиционирование осуществлялось другим методом, предполагавшим предварительное формирование ортофотоплана или трехмерной модели, привязанной к мировой системе координат.  На участках распространения валунов с петроглифами в пойме реки Амур, такие валуны оконтуривались на ортофотоплане, а в качестве координат объекта принимались вычисленные координаты геометрического центра этого контура. Точность определения координат валуна с петроглифами таким способом составляет ± 1 м относительно мировой системы координат.

Эволюция методов и результатов картографирования петроглифов Сикачи-Алян 2, слева направо:
• глазомерная съемка, 1969 г.
• инструментальная топосъемка, 2003 г.
• векторизация контуров по ортофотоплану, 2017 г.

Задача позиционирования поверхностей с петроглифами на скальных утесах решалась сходным образом, но в качестве основы для оконтуривания использовалось облако точек или трехмерная полигональная модель утеса, а векторизация границ  поверхностей выполнялось в трехмерной среде.

Эволюция методов и результатов картографирования петроглифов Шереметьево 2, снизу вверх:
• глазомерная зарисовка, 1968 г.
• векторизация контуров по трехмерной модели, 2019 г.

Красным квадратом показан один и тот же участок утеса.

Переход от трехмерной модели скального утеса с петроглифами к отдельным поверхностям с изображениям, слева направо:
• трехмерная модель скального утеса.
• контуры поверхностей с петроглифами.
• детальные модели поверхностей с петроглифами.

Документирование валунов и поверхностей с петроглифами

Трехмерное моделирование валунов и поверхностей с петроглифами выполнялось путем фотограмметрической обработки цифровых фотоснимков высокого разрешения. Применяемые технологии позволили сформировать полигональные размерные модели с детальностью (размером полигона) 0,1–0,35 мм для поверхности площадью до 2 кв.м. Такая детальность, как правило обеспечивает надежное выявление плохо сохранившегося петроглифа даже на валуне, долгое время подвергавшегося воздействию воды и льда. Затем выполнялся анализ моделей и на них выделялись отдельные участки с петроглифами, для которых создавались более детальные модели с размером полигона 0,1–0,2 мм.  

Фотосъемка петроглифов на скальном утесе Шереметьево 2.
В 2016–2019 гг. для документирования валунов и поверхностей с петроглифами
было сделано в общей сложности 58 472 фотоснимка.

К настоящему времени в рамках проекта сформированы модели для 107 валунов и поверхностей с петроглифами, кроме того сформированы модели для 51 участка детализации. Эти материалы, в упрощенном (для ускорения загрузки) виде, доступны в «Каталоге камней и поверхностей с петроглифами».

Помимо документирования валунов и поверхностей с петроглифами непосредственно на местонахождениях Приамурья, была выполнена и оцифровка части эстампажей, сделанных экспедицией А. П. Окладникова в 1935 г. и хранящихся в фондах Музея антропологии и этнографии РАН им. Петра Великого (Кунсткамера).  Анализ моделей эстампажей позволил выявить несколько поверхностей, не включенных А. П. Окладниковым в публикации 1968 и 1971 гг. и сделать ряд выводов о возможностях и ограничниях применения различных методов при документировании специфических петроглифов Приамурья. 

Эстампажи Нижне-Амурской экспедиции А. П. Окладникова 1935 года,
оцифрованные методом фотограмметрического моделирования. 

Сопоставление оцифрованных эстампажей с трехмерными полигональными моделями оригинальных валунов с петроглифами позволило оценить степень деградации наскальных изображений за более чем восьмидесятилетний интервал времени, отделяющий экспедицию Окладникова 1935 года от момента документирования петроглифов современными техническими средствами. Результаты этого исследования изложены в статье «Исследование моделей эстампажей амурских петроглифов из коллекции МАЭ РАН».

Результаты различных способов документирования:
(а) зарисовка Б. Лауфера, 1899 г.
(б) ретушированная фотография Н. Г.
Харламова, 1929–30 г.
(в) карта высот по эстампажу А. П. Окладникова, 1935 г.
(г) прорисовка А. П. Окладникова по натиркам и калькам, 1970 г.
(д) карта высот полигональной модели, 2017 г.
(е) цифровая фотография А. Р. Ласкина, 2018 г.

Исследование моделей валунов и поверхностей с петроглифами

Для визуализации поверхности моделей применялся ряд математических алгоритмов, улучшающих её «читаемость» и позволяющих проявить мелкие детали геометрии петроглифов. Часть алгоритмов применяется непосредственно к полигональным моделям, часть – к картам высот, построенным на основе полигональных моделей. Основные способы  визуализации – эмулирование подсветки и присвоение полигонам модели (или ячейкам карты высот) условного цвета в зависимости от их геометрии. Для определения точного положения границы обработанных и необработанных поверхностей камня применялось профилирование по картам высот.

Использование различных инструментов визуализации трехмерных моделей позволяет не только формировать наборы растровых изображений петроглифов, но и векторизовать петроглифы с точностью и детальностью, недостижимой традиционными методами.

Подробнее вопросы использования математических алгоритмов для выявления и векторизации петроглифов рассмотрены в статье «Применение алгоритмов визуализации поверхности при изучении изображений на скалах».