GPS-спутники находятся на расстоянии около 20000 км от поверхности Земли. Радиоволны при распространении от спутника до наземных наблюдателей проходят через атмосферу, неоднородность которой приводит к некоторым ошибкам в определении координат. Причем величина этой ошибки будет примерно одной и той же для всех точек на поверхности, расстояние между которыми много меньше, чем расстояние до спутников, поскольку условия прохождения радиоволн через атмосферу для близко расположенных точек примерно одинаковы. Если известны точные координаты какой-либо точки на поверхности Земли, то, сравнивая их с координатами, вычисляемыми по сигналам со спутников (“простой” GPS-метод), можно найти величину поправки, которую надо прибавить к результатам “простых” GPS-измерений в любой точке данного района в данный момент времени. Метод определения координат с использованием таких уточняющих поправок называется дифференциальным. Эти поправки могут определяться каждым пользователем индивидуально или специальными службами, которые далее транслируют их для каждого района по радио и делают доступными для отдельных пользователей (бесплатно либо по подписке).

В состав системы GPS-NAVSTAR входят искусственные спутники Земли (космический сегмент), наземные станции слежения и управления (сегмент управления) и GPS-приемники, при помощи которых пользователи, принимая сигналы от спутников, собственно, и определяют координаты (сегмент пользователей).

Кроме того, активно развиваются специальные сервисные службы, которые передают дополнительные навигационные сигналы (“дифференциальные поправки”), позволяющие существенно повысить точность результатов, получаемых пользователем непосредственно с помощью GPS-спутников. Эти службы могут находиться в ведении не только США, но и других стран. Хотя они и не являются непосредственно сегментом системы GPS-NAVSTAR, о них можно говорить как о весьма важной для пользователя части GPS.

Космический сегмент образуют 24 спутника: 21 основной и 3 запасных (реальное число находящихся на орбите спутников может меняться по мере ввода в эксплуатацию новых и вывода выработавших свой ресурс). Спутники расположены на круговых орбитах на высоте около 20000 км над поверхностью Земли (радиус орбит 26600 км) и обращаются вокруг нее с периодом 12 ч. Орбиты спутников ориентированы таким образом, что в любое время суток из любой точки на поверхности Земли можно принимать радиосигналы по крайней мере от четырех спутников (максимально от 12). Каждый из них имеет по четыре высокоточных эталона частоты (для обеспечения точного времени), аппаратуру для приема и передачи радиосигналов, солнечные батареи, бортовую компьютерную аппаратуру, оснащен двигателями для корректировки орбиты.

В сегмент управления входят наземные станции слежения и управления, находящиеся в США (главная станция управления в штате Колорадо), а также на американских военных базах на Гавайских островах и атолле Кваджалейн в Тихом, на острове Вознесения в Атлантическом и на острове Диего-Гарсия в Индийском океанах. Собираемая станциями информация обрабатывается и периодически передается на спутники для корректировки орбит и обновления данных, содержащихся в навигационных сигналах со спутников.

Сегмент пользователя представлен различными типами GPS-приемных устройств, которые могут быть как автономными, так и входить в состав специальных блоков, встроенных в автоматизированные системы навигации. С точки зрения точности измерений и стоимости соответствующей аппаратуры, оборудование пользовательского сегмента может быть разделено на три группы:

– простейшие навигационные приемники с точностью 3-10 м, и стоимостью $ (наиболее известные марки приемников – Garmin, Magellan);

– приборы, использующие для уточнения координат, наряду с сигналами GPS-спутников, радиосигналы дополнительных сервисных служб, с точностью около 1 м и стоимостью $;

– геодезические системы с точностью до единиц миллиметров и стоимостью $ (наиболее известные марки – Trimble, Leica, Ashtech).

Соответственно приборы первой группы – это портативные устройства весом и габаритами напоминающие мобильные телефоны, а приборы третьей группы могут в комплекте весить несколько десятков килограммов и требовать нескольких операторов для обслуживания.

Сервисные службы дифференциальных поправок представлены весьма разветвленной сетью наземных радиостанций, особенно вдоль побережья морей и океанов (служба береговой охраны США и корпорация DCI в США, сеть станций SWEPOS в Швеции, в феврале 1998 г. приступила к работе первая в России DGPS-станция открытого пользования под Санкт-Петербургом). Кроме того, существуют дифференциальные службы, сигналы которой передаются через сеть искусственных спутников (не GPS-спутники): STARFIX, SKYFIX, SEASTAR, OmniSTAR и др.

Системы спутниковой навигации находятся в процессе постоянного совершенствования. К настоящему времени (2004 г.) введены в эксплуатацию несколько бесплатных для пользователей спутниковых систем, транслирующих дополнительные поправочные сигналы. Это системы WAAS для территории США, EGNOS для Европы и MSAS для Азии. Передаваемые ими сигналы полностью совместимы с основным кодом сигналов, доступных GPS-приемникам, т. е. эти поправочные сигналы может принимать любой GPS-навигатор с функцией WAAS. Большинство даже простейших навигационных приемников последнего поколения оснащаются этой функцией, что обеспечивает точность определения координат до 3 м в горизонтальной плоскости.

GPS-спутники передают два вида сигнальных кодов: шифрованный, предназначенный только для военных целей (PPS-Precision Positioning Service), и код Общей службы местоопределения (SPS-Standart Positioning Service). SPS была предназначена для гражданских пользователей, однако оказалось, что точность местоопределения при приеме SPS-кода значительно выше, чем было запланировано. Чтобы обеспечить преимущество военным пользователям системы, министерство обороны США ввело принцип выборочной пригодности SA (Selective Availability). Суть его состоит в том, что в данные для SPS-кода вводится случайная ошибка. Это снижает точность работы любого приемника, использующего такой сигнал. Величина ошибки такова, что в 95% случаев отклонение координат от истинного значения не превышает 100 м. Ее введение было отменено в мае 2000 г., поэтому данные, полученные в предшествующий период, имеют меньшую точность и для ее повышения необходимы были многократные измерения и статистическая обработка результатов.

Применительно к археологии, в особенности для памятников на территории бывшего СССР, при отсутствии достоверных гражданских топографических карт крупного масштаба, GPS-методы могут быть использованы для решения самых разнообразных задач, как то:

– определение границ археологических памятников при выполнении кадастровых работ и установке охранных зон археологических памятников;

– определение координат памятников при археологических разведках;

– подготовка высокоточных планов археологических памятников и отдельных раскопов;

– подготовка данных для представления археологической информации в геоинформационных системах и картографии;

– проведение неотложных и охранных раскопок;

– защита памятников и противодействие грабительским раскопкам;

– проведение ретроспективных археологических разведок: картирование археологических памятников, описанных в литературе без указания точных координат, абсолютная географическая привязка ранее созданных планов, карт, схем;

– определение границ территорий памятников при выдаче открытых листов.

В настоящее время проведение GPS-измерений на исследуемых памятниках стало обязательным элементом в практике многих западных археологических экспедиций. Для геодезического обеспечения экспедиций, работающих на территории Дании, используется дифференциальный метод. Возможно получение дифференциальных поправок по сотовому телефону от межуниверситетской станции, работающей постоянно, либо по радиоканалу от собственной станции (требуется ее специальное включение), расположенной, как правило, в здании местного музея. Данная методика топографического обеспечения археологических работ применяется уже с 1994 г. [Slot-Carsen J., 1998, с. 23-36]. Точность измерения абсолютных координат на Земном шаре 2 см. Один оператор обслуживает все экспедиции, расположенные в пределах района. Для интеграции результатов GPS-съемки, планов раскопов, данных магнитометрических исследований используется ГИС.

Другой пример использования ГИС и GPS - норвежский проект, выполняемый Норвежским институтом культурного и природного наследия NINA-NIKU [Risbol O., 2002]. Задачей проекта было проведение археологического обследования территории, отходящей в зону военного полигона. Площадь территории составляет несколько сот квадратных километров в гористой местности, заросшей лесом. Даже при наличии хороших карт определить свою позицию в такой местности весьма затруднительно, особенно на участках сплошного леса. В составе экспедиции было несколько групп, каждая их которых имела GPS-приемник Garmin, соединенный со специализированным портативным компьютером Husky X21 с операционной системой Windows CE 2.11, ГИС-обеспечением Starpal HGIS 4.31 и цифровыми картами района. При прохождении маршрута положение определялось при помощи GPS и автоматически отражалось на электронной карте. При обнаружении археологического объекта на сенсорном экране компьютера делалась отметка по соответствующей категории памятника, при этом автоматически считывались показания GPS-приемника и координаты объекта заносились в память компьютера. При отсутствии объектов происходила автоматическая трассировка маршрута, по которому двигалась группа. По возвращении на базу записи отдельных групп перегружались в общую базу данных и составлялась общая карта. Для интеграции результатов в проекте использовалась ГИС ArcView 3.2a. Без применения GPS в данном случае решить поставленные задачи в требуемые сроки было бы невозможно.

У российских археологов использование GPS еще не вошло в повседневную практику. Можно назвать лишь единичные проекты, в которых основным способом получения координатной информации являются GPS-измерения [, 2001], [, , 2000], [, 1999], [, 2001]. В большинстве археологических экспедиций GPS-аппаратура не используется. В существующих базах данных по археологии пространственная атрибуция объектов создается, главным образом, путем примерного определения координат по картам мелкого масштаба. Подобная ситуация объясняется, на наш взгляд, отсутствием методики использования GPS применительно к археологии, ибо сами GPS-устройства стали вполне доступными, а необходимость знания точных координат изучаемых объектов не вызывает сомнения.

2. Построение модели базы данных
по археологическим памятникам

2.1. ГИС-комплексирование при создании информационной системы по археологическим памятникам

ГИС-технологии позволяют объединить самые разнородные данные о территории для анализа ее состояния и происходящих на ней процессов. Причем такое объединение должно не только показывать разные стороны историко-археологической картины, но и приводить к новым научным выводам, т. е. генерировать новое знание об исследуемой территории, а не просто отображать уже известные сведения. Таким образом, может быть сформулирована прямая задача ГИС-комплексирования – рациональное представление имеющейся информации о территории, разработка и применение к этой информации ГИС-инструментов анализа, позволяющих получить новые знания о данной территории, не содержавшиеся ни в одном из слоев ГИС до проведения данного анализа. Решение данной задачи в терминах теории информации связано с оценкой величины частной информации, содержащейся в каждом из возможных слоев ГИС, разделением таких слоев на высокоэнтропийные и малоэнтропийные и объединении малоэнтропийных слоев с целью рационального использования человеческих, вычислительных и прочих ресурсов.

Наполнение слоев ГИС может опираться на две принципиально различающиеся группы источников информации:

1) источники, информация из которых носит достоверный характер, по крайней мере на дату актуализации;

2) источники, информация из которых носит вероятностный характер.

К первой группе в большинстве случаев относятся источники, описывающие надповерхностные объекты, а также запротоколированные сведения о подземных артефактах и геологических объектах, полученные при прямом воздействии человека на приповерхностный слой. Сюда входят топографические карты и планы, схемы подземных объектов и коммуникаций, отчеты о проведенных археологических раскопках.

Ко второй группе источников относятся данные дистанционного зондирования, интерпретационные данные геологических исследований, результаты геофизических исследований. В большинстве случаев эти источники описывают подповерхностные структуры, хотя в некоторых случаях и наземные (например, неоднозначным может быть распознавание наземных объектов на аэро - или космических фотоснимках). Моделирование подземных структур по данным исследования физических полей опирается на решения обратных задач рассеяния. Данные задачи допускают множество решений, поэтому, как правило, говорят о тех или иных возможных объектах, то есть моделирование принципиально носит вероятностный характер. Данные геологических съемок также позволяют сделать выводы лишь по аналогии с уже имеющимся опытом и говорить о моделях подземных структур, причем представления об этих моделях и интерпретации результатов наблюдений развиваются и меняются с развитием геологической теории.

Так же можно выделить две группы потребителей информации:

1) потребители, которым необходима ретроспективная информация (например, надзорным органам при выделении территории под строительство нужна информация о том, что на данной территории уже проведено археологическое обследование, а при необходимости и изучение);

2) потребители, которым необходима эвристическая информация – прогнозирование наличия археологических объектов при планировании раскопок.

Вероятность достоверности ретроспективной информации должна быть близка к единице, и она должна опираться, главным образом, на первую группу источников информации. Вероятность достоверности эвристической информации может меняться в широких пределах и соответственно опираться как на первую, так и на вторую группу источников.

Анализ наполнения слоев ГИС информацией с точки зрения различных потребителей позволяет выявить лакуны в информационном покрытии территории и указать, какие дополнительные данные о территории необходимы. В этом случае можно говорить об обратной задаче ГИС-комплексирования.

В связи с многообразием методов исследований встает проблема выбора методов и определения последовательности их применения, наиболее адекватно решающих задачу получения информации о территории, обнаружения и классификации объектов в условиях временных и экономических ограничений, которые имеют место в любой практической деятельности.

Таким образом, обратная задача ГИС-комплексирования требует решения вариационной задачи о поиске максимума целевой функции при наличии ограничений, накладываемых на решения. В общем виде постановка такой задачи может выглядеть следующим образом.

Известны:

· типы информации, необходимые пользователям ГИС: ;

· различные методы получения информации о территории, позволяющие наполнить ГИС нужной потребителям информацией: ;

· стоимость (время) проведения исследований на заданной (единице) площади каждым из методов: ;

· матрица вероятности получения информации типа методом – ;

· матрица вероятности достоверности полученной информации типа методом – ;

· общее ограничение на стоимость (время) выполнения работ S.

Требуется определить целесообразность использования или неиспользования каждого из методов при проведении исследований территории. Очевидно, что при такой постановке вопроса принимают значение 0 либо 1.

Таким образом, определение набора методов исследования сводится к определению максимума целевой функции W вероятности получения достоверной информации необходимых типов:

W = 1- {1 - [1 - (1- )] }.

При ограничении на стоимость (время) проведения работ

.

Хотя очевидно, что из-за многообразия методов и видов информации вряд ли строгое решение подобной задачи возможно, однако ее постановка позволяет определить направления исследований, которые необходимо провести для выбора эффективных методов изучения территории.

2.2. Системный анализ предметной области и связей между описываемыми объектами

Информационная система по археологическим памятникам предназначена для оптимизации управленческих и научных решений, касающихся этих памятников, и даже автоматизации выработки таких решений при определенном ее развитии, следовательно, она должна оперировать информацией о собственно памятниках и о процессах, происходящих с ними либо могущих влиять на них. Для этого информационная система должна моделировать реальную (назовем ее, например "Памятник+"), образованную, по крайней мере, шестью подсистемами:

1) "памятник как физический объект" материального мира;

2) "находки" – набор физических тел, первоначально находившихся на территории памятника, а далее перемещенных в частные коллекции, музеи и другие организации;

3) "физические лица" – люди, чья деятельность в той или иной степени касается памятника;

4) "организации" – организации, имеющие и не имеющие юридический статус, выполняющие работы на территории памятника либо принимающие решения относительно памятника;

5) "литература" – печатные и рукописные материалы, описывающие памятник;

6) "документы" – группа материалов, представляющая решения различных организаций по памятнику.

Если охарактеризовать каждую из указанных подсистем множеством атрибутов, то в терминах общей теории систем [Месарович М., 1978] система "Памятник+" будет включать все компоненты декартового произведения множеств атрибутов указанных подсистем и для описания системы необходимо описать свойства этих компонентов и связи между ними. Не останавливаясь подробно на словесном описании объектов предметной области (этому посвящено, как отмечалось в главе 1, достаточно много работ), перейдем к построению инфологической модели.

2.3. Построение информационно-логической модели
базы данных

Уровень развития структуры каждой из названных выше подсистем может углубляться практически неограниченно. Если ограничиться статической моделью данных, то при формировании инфологической модели каждой из этих подсистем может быть поставлена в соответствие сущность обычного типа либо супертипа и данная система будет представлять систему информационного плана. Если принять для руководства объектно-ориентированный подход, то с каждой из подсистем может быть сопоставлен класс либо суперкласс объектов. Добавление к набору атрибутов, описывающих состояние подсистемы, набора методов, описывающих ее поведение (что, по-видимому, является наиболее важным качеством объектно-ориентированного подхода) [Кузнецов C., 2002], превращает информационную систему в управляюще-информа-ционную. Естественно, в разбиении системы "Памятник+", как и в любой классификации, есть элементы произвола, но, в конечном счете, любое разбиение будет включать примерно те же классы объектов. Относительно же числа подсистем, как мы считаем, в данном случае имеет место, с одной стороны, сочетание полноты логического охвата предметной области, с другой стороны, разумное ограничение числа основных классов объектов, согласующееся с рациональными нормами численности, для иерархии "человеческих" систем управления (руководитель на каждом уровне служебной иерархии находится в постоянном повседневном контакте не более чем с семью подчиненными). База данных должна быть разумно ограничена по структуре и не претендовать на универсальность. Конечность структуры и степени детализации определяется, наряду с требованиями потенциальных потребителей, тем объемом информации, в пределах которого коллектив разработчиков сможет придерживаться единой понятийной базы и достичь договоренности о разделении труда, а также возможностью поддержания и обновления базы в течение длительного периода времени. Если создатели БД считают, что результаты их труда должны быть полезны и для других, то от обычного в начале любой работы убеждения, что «это всем необходимо», надо отойти, определить, кто же эти «все», и строить базу данных в соответствии с потенциальными возможностями и интересами потребителей, иначе «детища впоследствии оказываются никем не востребованными, кроме как их создателями» [,. , 1997].

Изложенная выше схема системы "Памятник+" – основа для инфологической модели, которая, по сути, является звеном, соединяющим заказчика-пользователя системы управления и программиста-разработчика. Ограничение сложности на данном этапе обеспечивает прозрачность структуры базы данных для восприятия непрограммистом. Кроме того, как будет показано далее, с предложенной схемой хорошо согласуются европейский стандарт CIDOC, стандарты описания, предлагаемые ассоциацией АДИТ, а также структура системы BASE-INFO, разрабатываемой в ИА РАН, и существующий ныне паспорт памятника.

В рамках настоящей работы мы ограничимся трансформацией предложенной схемы в инфологическую модель для стационарного состояния системы (информационная система), пользуясь семантической моделью данных "сущность-связь". Относя указанные выше шесть подсистем к сущностям обычного типа и супертипа, рассмотрим их атрибуты.

"Памятник" – сущность супертипа. Для описания используем часть атрибутов, предлагаемых стандартом CIDOC для ядра стандарта описания памятника археологии. Отметим попутно, что предлагаемая в CIDOC организация ссылок на принадлежность объекта к более широкому комплексу (родительскому) позволяет использовать одно и то же отношение для родительского класса и для потомков (подтипов), возможно, с неопределенным значением ряда атрибутов. Такой подход представляется нам более удобным, чем использование собственных отношений и дополнительных связей для каждого подтипа. Любой кортеж, вне зависимости от того, описывает он основной памятник или подтип, имеет уникальный номер, что позволяет описать любой уровень иерархии структуры памятника системой из двух атрибутов: уникального ключа и ссылочного номера, в качестве которого выступает значение уникального номера родительского комплекса.

Мы не используем предлагаемые в CIDOC перекрестные ссылки на коллекции, археологические события, документацию и исследователей, поскольку такие ссылки предназначены для разрешения отношений “многие ко многим” и их необходимое количество не может быть заранее известно, в силу природы описываемых связей. Принудительное же ограничение числа атрибутов приведет к потере информации либо значения будут носить не атомарный характер. Разрешение отношения “многие ко многим” будет проводиться позднее. Мы также считаем, что для пространственной привязки объекта достаточно указать административный район (для общей локализации) и точные координаты (для конкретного местоопределения). Связь же положения объекта с теми или иными именованными территориальными единицами или отнесение к тому или иному природному бассейну должны происходить при стыковке с информационной системой по административно-территориальному устройству (либо готовый блок, взятый из внешних источников, должен добавляться в базу данных). Из CIDOC также заимствованы атрибуты, определяющие статус охраны памятника.

Сущность "физические лица" содержит данные об исследователях, административном и научном руководстве, лицах, охраняющих и эксплуатирующих памятник. В полях, используемых для формализованных запросов, содержится лишь информация о состоянии на дату последнего изменения. Неформализованное резюме хранится в поле свободного текста. Разрешение связей типа “многие ко многим”, как и для памятника, производится на этапе построения даталогической модели.

Для описания сущности "находка", которая является супертипом и может состоять как из отдельного физического объекта, так и из набора объектов (клад, комплекс предметов), мы предлагаем, как и для "памятника", использовать единственное отношение с определением ссылок на родительский класс внутри отношения.

Сущность "организация" тоже относится к супертипу и определяет основные учреждения, имеющие отношение к охране, изучению и эксплуатации памятника либо каким-либо образом его использующие. Учет организаций, обладающих номинальными правами собственности на памятник либо на землю, но непосредственно не совершающих каких-либо действий, является вопросом земельного кадастра, и соответствующая информация при необходимости должна заимствоваться оттуда, а не включаться в базу данных по памятникам непосредственно, во избежание ненужного дублирования кадастра. Скорее наоборот, информация из БД по памятникам должна дополнять кадастр. Для описания структуры организации также предлагается одно отношение с возможностью внутреннего описания иерархии в пределах одной организации или межведомственных связей ведомственной структуры.

Подсистема "литература" носит вспомогательный характер. Очевидно, что для детального описания сущности этого типа нужна специализированная библиографическая база данных. В рамках же информационной системы по археологическим памятникам здесь могут быть собраны лишь основные труды, отчеты и какая-то фрагментарная информация, попавшая в поле зрения наполнителей базы. Можно отметить несколько видов материалов, относящихся к типу "литература". Это печатные издания, рукописные отчеты, архивные документы, картографические материалы. Каждый из этих видов имеет свои особенности при подготовке ссылок. В связи с этим, а также с предполагаемой ограниченностью документации, в подсистеме "литература" для описания источников мы используем ограниченное число полей и основную информацию сводим в свободном текстовом поле. Это, конечно, затрудняет поиск по формальным признакам, но делает более доступным смысловое содержание полей.

Подсистема "документы" имеет целью отслеживание событий, происходящих на памятнике, с памятником и вокруг него. Поскольку каждый этап исследований и другой деятельности должен, по крайней мере теоретически, находить свое документальное обоснование, то прослеживание цепи документов по памятнику должно давать картину его современной истории.

Большинство отношений между сущностями носит характер "многие ко многим". Механизм преобразования в реляционную модель данных хорошо разработан и может быть автоматизирован с использованием программных CASE (Computed Aided Software Engineering)-инструментов. Схема описанной инфологи-ческой модели представлена на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Схема инфологической модели базы данных

2.4. Преобразование инфологической модели в реляционную модель базы данных

В предыдущем разделе была предложена инфологическая модель базы данных по археологическим памятникам. Проведем теперь ее преобразование в реляционную модель. В состав БД входят шесть фундаментальных сущностей. Кроме того, для разрешения отношения “многие ко многим”, которые существуют между сущностью "памятник" и всеми остальными сущностями, кроме сущности "находки" (здесь уже изначально имеется отношение “один ко многим”), необходимо ввести дополнительно четыре сущности ассоциативного типа, включающие два атрибута: первичный ключ сущности “памятник” и первичный ключ соответствующей из сущностей "литература", "документы", "физическое лицо", "организации". Эти атрибуты одновременно суть внешние ключи для соответствующих таблиц связей "памятники – литература", "памятники – документы", "памятники – физические лица", "памятники – организация". Поскольку основным назначением информационной системы является представление информации по памятникам, мы не вводили дополнительных связей между остальными фундаментальными сущностями, например между "физическими лицами" и “литературой”. Безусловно, организация таких связей возможна, но они сделают систему менее прозрачной для восприятия и затруднят работу с ней. Отдельные пользователи могут установить требующиеся дополнительные связи самостоятельно. Все отношения в базе данных имеют вторую, либо более высокие нормальные формы. Вторая форма сохранена для отношений "памятник" и "организации". Мы сочли излишним полностью исключать транзитивные зависимости между некоторыми атрибутами этих отношений (например, координаты в разных системах) для удобства восприятия информации.

Создание моделей проводилось при помощи CASE-программы Visible Analyst v 7.5.4, Visible System Corp. Данная программа позволяет строить различные модели БД, проверять их корректность, а также преобразовывать структурные модели в БД различных форматов (Access, Oracle, Paradox и др.). Мы провели преобразование инфологической модели в формат ACCESS. Выбор данного продукта обусловлен тем, что он входит в семейство офисных программ Microsoft и установлен практически на

всех персональных компьютерах. Это обстоятельство является немаловажным, особенно для небольших исследовательских и административных организаций, не имеющих средств на приобретение дополнительного программного обеспечения. Кроме того, как правило, большинство пользователей уже имеет некоторый опыт работы в Access, и поэтому для освоения информационной системы необходимо лишь небольшое дополнительное обучение. На рис. 2.2 представлена схема реляционной моде-
ли БД.

3. Методики выполнения отдельных видов
работ, связанных с наполнением
информационной системы

3.1. Применение GPS при выполнении работ
по картированию археологических памятников

На основании информации, имеющейся в базе данных, можно строить археологическую карту, которая представляет собой проекцию данной информации на картографическую основу. Здесь необходимо разделить археологическую карту как форму интерфейса для доступа к данным и как способ представления данных. В первом случае данные представляются в табличных или иных формах, список которых открывается при щелчке мышью по пиктограмме соответствующего памятника. Во втором случае создаются картографические слои различного содержания, которые просматриваются отдельно либо могут быть полупрозрачными и накладываться друг на друга.

Несколько наиболее типичных слоев обычно конструируются в версии карты, создаваемой ее разработчиком, другие слои могут генерироваться пользователями на основе имеющейся в БД информации. Для визуальной привязки специальной археологической информации, описывающей памятник, создаваемые слои-изображения обычно содержат ту или иную картографическую основу, хотя иногда используется и просто координатная сетка. В качестве картографической основы могут выступать современные и старые топографические карты, топографические планы памятников, геофизические карты, например карты распределений магнитного поля на поверхности памятника.

Главными атрибутами для размещения пространственной информации об объекте являются его точные географические координаты. Эта информация отсутствует в настоящее время для большинства объектов недвижимости. Координаты, которые исчисляются по обозначению объекта на карте, в большинстве случаев имеют недостаточную, с точки зрения современных требований, точность. Таким образом, построение любой БД по памятникам невозможно без определения их точных координат. Это работа, которая требует физического посещения всех заносимых в БД объектов. Для того чтобы она была более эффективной, разработана методика проведения GPS-измерений. Хотя данная методика была ориентирована на позиционирование археологических памятников, она может успешно использоваться и для памятников других типов.

3.1.1. Выбор GPS-приемника

Для проведения измерений координат недвижимых объектов с достаточной для археологической карты точностью (около 10 м) можно использовать простейшие кодовые приемники. Наиболее распространенные из них – Garmin и Magellan. Точность, обеспечиваемая приемниками данного класса, – до 3 м, при наличии функции WAAS. На стоимость влияют размер памяти, качество экрана и количество дополнительных сервисных функций. Любая модель обеспечивает запоминание координат не менее 100-200 точек. Из дополнительных сервисных функций наиболее полезен, на наш взгляд, встроенный компас, показывающий направление движения на точку с заданными координатами. Наличие дополнительной DGPS-антенны, подсоединяемой к приемнику, повышает точность определения координат до 1-2 м. Однако для ее использования необходимо проверить наличие маяка, передающего сигналы поправок на расстояние не более 100-150 км от района измерений. Маяки расположены, главным образом, на морском побережье. Так, для части Ленинградской области возможен прием сигналов от маяка в пос. Шепелево, а для Керченского полуострова – от маяка в г. Новороссийске. Высокоточные геодезические GPS-устройства, по-видимому, будут мало доступны для массовых измерений в российской археологии из-за их высокой стоимости. Их применение целесообразно для составления топографических планов отдельных памятников как альтернатива традиционным геодезическим приборам: тахеометрам, теодолитам и т. п., но для составления археологических карт обеспечиваемая ими точность избыточна. Простой GPS-прием-ник должен входить в штатный инвентарь любой археологической экспедиции, так же как геодезические инструменты, компьютер и фотоаппаратура.

3.1.2. Выбор системы координат и проекции

Любая система координат (datum) связана с некоторой моделью Земного шара (земным эллипсоидом). Стандартной для GPS-измерений является система координат WGS84* (World Geodetic Survey). Большинство российских карт, используемых археологами, составлены в системе координат 1942 г. (СК42), базирующейся на эллипсоиде Красовского. Карты европейских стран могут строиться на основе общеевропейских систем координат, например EU50 или EU72, либо на системе координат, принятой в конкретной стране. Для получения численных значений координат после выбора системы координат необходимо выбрать тип координатной проекции, в зависимости от которого координаты могут измеряться в угловых или линейных единицах.

При проведении GPS-измерений наиболее целесообразно использовать систему координат WGS84 (World Geodetic Survey). Одна из двух проекций называется “широта/долгота” (latitude/ longitude), координаты – две величины, измеренные в градусах (в GPS-приемниках возможен выбор различных форматов: градусы с десятичными долями либо градусы, минуты, секунды). Эта проекция более знакома большинству пользователей как “географические координаты”. Другая проекция называется UTM (Universal Transvere Merkator). В ней Земной шар разбивается на зоны, и точка в каждой зоне имеет восточное положение (E) и северное (N) относительно начала координат зоны в метрах. Таким образом, набор UTM-координат состоит их трех чисел: номера зоны, северного положения и восточного положения (например, точке с географическими координатами 45,39346 град с. ш. и 36,53163 град в. д. соответствуют UTM-координаты 36 зона, 306792E, 5029624N).

Координаты в системе UTM удобно использовать для определения расстояния между объектами. Для объектов, расположенных в пределах одной UTM-зоны на небольшом удалении друг от друга, например в одном административном районе, расстояние в метрах между объектами с координатами , и , может быть получено по формуле .

При сопоставлении GPS-координат с координатами объектов на карте следует принимать во внимание систему координат, которая была использована при ее составлении. Наиболее распространенными для территории России топографическими картами, имеющимися в несекретном обороте, являются карты, составленные в системе координат СК42. На этих картах нанесены как градусная, так и линейная сетки координат, однако, поскольку номенклатура листов определяется по градусной сетке, более традиционным является обозначение координат в градусах. Линейная координатная сетка построена в равноугольной поперечно-цилиндрической проекции Гаусса-Крюгера. Эту сетку можно использовать для определения расстояний аналогично проекции UTM.

К сожалению, GPS-приемники хотя и обеспечивают отображение координат во многих национальных и общемировых координатных системах, но известные авторам модели не позволяют определять координаты непосредственно в системе координат СК42.

Соответственно широта и долгота данной точки в системе WGS84 будут отличаться от широты и долготы в системе СК42. Поэтому при сопоставлении данных карты и GPS-измерений следует вводить поправки на различие систем. Величина эти поправок различна для различных районов. Так, например, для Керченского полуострова две точки, имеющие одинаковые значения координат в системах СК42 и WGS84, отстоят друг от друга на местности по долготе примерно на 110 м, а по широте на 20 м (точка, координаты которой измерены в системе WGS84, будет находиться восточнее и севернее). Для расчета поправок имеются специальные программы перевода координат из одной системы в другую, кроме того возможности использования различных систем координат обычно заложены в ГИС-программах.

3.1.3. Подготовка картографического материала

Для планирования работ и нахождения характерных объектов, координаты которых следует определить, необходимо наличие карт местности. Работа с GPS собственно и заключается в уточнении имеющихся карт и нанесении на них дополнительных объектов. Для территории России и СНГ сейчас доступны карты Генерального штаба СССР масштаба 1:100000. Кроме того, поскольку речь идет о памятниках, то есть объектах, многие из которых существуют уже длительное время, желательно иметь и карты дореволюционных изданий. Для значительной части территории России существуют карты масштабов вплоть до 1:21000 (половина версты в английском дюйме) [, Долгов Е. И., , 1999, с. 50]. В архивных материалах можно найти большое количество старых планов городов и поселений, включая межевые планы масштаба 1:8400, построенные в XIX веке для значительной части территории России.

3.1.4. Обзорная съемка объектов, рассредоточенных
по значительной территории

Определение координат при помощи GPS может быть основным или одним из основных видов выполняемых работ либо проходить на фоне других исследований. Первый случай, назовем его "быстрая съемка", обычно имеет место при проведении специального обхода (объезда) уже известных на местности памятников с целью осмотра их состояния и уточнения координат. В этой ситуации желательно получить результаты за минимальное время и нет возможности проводить многократные измерения. Необходимо фиксировать как собственно памятники недвижимости, так и характерные детали местности (высшие точки, пересечения дорог, и других линейных объектов друг с другом, триангуляционные пункты, мосты, туннели, оконечности мысов, колодцы, опоры ЛЭП, характерные современные сооружения, памятные знаки, маяки и т. д.), т. е. те объекты, которые могут быть обозначены на обычных картах и использованы позднее для взаимной привязки различных карт. Обязательно следует производить съемку характерных объектов, отмеченных как на новых, так и на старых картах.

Во избежание грубых ошибок оператора ("промахов") рекомендуется измерять координаты каждой точки дважды. В память прибора, как правило, могут заноситься номер точки (генерируемый автоматически или выставляемый на приборе вручную) и ее координаты. Для фиксации сопроводительной информации удобным способом является занесение речевого комментария по данной точке на диктофон. Указывается номер точки по GPS-прием-нику и описывается характер памятника, известные факты по его истории, обстоятельства обнаружения, либо проводится описание характерной точки местности. Подобный способ фиксирования информации быстрее, чем запись в журнале, и позволяет отразить информацию в деталях, которые во многих случаях не указываются при записи в журнал непосредственно в поле. В конце каждого рабочего дня следует расшифровывать записи и делать их бумажную копию, а также перегружать данные из прибора в базу данных. Как правило, при "быстрой” съемке имеет место перемещение от одной группы объектов к другой с остановкой для проведения измерений. Как показывает практика, за день работы в условиях степной местности удается посетить 5-10 групп объектов и измерить координаты 50-100 отдельных объектов. При наличии в группе памятников большого числа малоразличимых однородных объектов (например, группа малых курганов, группа склепов) не следует пытаться при "быстрой съемке" замерить координаты всех объектов. Разрешения простых GPS-приемников недостаточно для таких работ, какие-то объекты, скорее всего, будут пропущены, а наличие большого числа измерений создаст у тех, кто будет пользоваться данными, иллюзию их полноты и относительной равнозначности всех промеренных объектов. В такой ситуации следует измерять координаты наиболее характерных сооружений комплексов, а также объектов, расположенных на границах комплексов. Нужно заметить, что применение методики "быстрой съемки" стало возможным после снятия ограничений селективного доступа на точность GPS-сигналов в мае 2000 г. Измерения, проводимые до этого времени, должны были носить многократный характер даже при проведении разведок, для обеспечения возможности усреднения полученных результатов.

3.1.5. Съемка отдельных комплексов и памятников

Вторым вариантов проведения GPS-измерений является их совмещение с другими видами работ на территории одного комплекса либо близко расположенных комплексов. Назовем его условно "стационарная съемка". Если для случая "быстрой съемки" характерный размер района обследований составляет 10-20 км, то для стационарной - не более 1-2 км. В этом случае речь идет фактически о составлении плана комплекса. Для измерений в этой ситуации желательно использовать DGPS либо провести многократные измерения для последующей статистической обработки и усреднения. Для расстояний 1-2 км применение GPS, с одной стороны, обеспечивает точность, достаточную для составления планов масштаба 1:1000 -1:5000, с другой стороны, скорость проведения работ существенно выше, чем при использовании обычных геодезических инструментов. Как правило, в такой ситуации традиционными способами (непосредственное измерение расстояний рулеткой либо оптическими дальномерами) составляются планы крупного масштаба (1::500) для отдельных объектов в составе комплекса. Эти планы привязываются к каким-либо естественным либо специально создаваемым ориентирам (обычно забитый в землю стальной стержень, который можно обнаружить металлоискателем). Наиболее целесообразным является определение по GPS с максимальной точностью координат этих ориентиров. Если при "быстрой съемке" отдельные планы обычно не составляются (данные непосредственно наносятся на археологическую карту), то для "стационарной съемки" составляется план всего комплекса. Реперные точки взаимно привязываются по результатам GPS-измерений, и относительно них размещаются планы отдельных участков комплекса, которые построены обычными геодезическими методами. Создаваемые таким образом планы могут быть непосредственно включены в слои археологической карты как графические файлы, для привязки которых ("регистрации" – по терминологии ГИС) используются координаты реперных точек. Подобным же образом проводятся измерения, если GPS-съемка связана с каким-либо другим видом регулярного обследования территории, например магнитной съемкой или детальным археологическим обследованием. В первом случае создаются карты изолиний магнитного поля, позволяющие судить о характере объектов, расположенных в грунте, во втором - карты распределения артефактов, располагающихся на поверхности. И в том и в другом случае для проведения работ строится собственная система координат. При помощи GPS определяются ее реперные точки, и далее она привязывается к общегеографической. При проведении магнитных съемок, где характерные размеры отдельных участков измерений 20-40 м, полезно непосредственно измерять координаты наиболее значительных аномалий при помощи GPS. На практике это часто оказывается более удобным, чем последующее определение координат при помощи ГИС.

Следует отметить, что простые GPS-приемники мало пригодны для составления карт изолиний рельефа местности при построении планов масштаба 1:1000 -1:5000. В этом случае высота сечений рельефа для равнинной местности составляет 0,5‑2 м [Инструкция, 1985, с. 46], для чего необходимо пространственное разрешение прибора по высоте не менее 20-50 см. Рассматриваемый класс GPS-приемников не обеспечивает подобную точность даже в дифференциальном режиме. Наибольшая точность достигается при использовании встроенного барометра-альтиметра, имеющегося в ряде приемников, который при проведении измерений необходимо периодически градуировать в одной и той же точке. Но и в этом случае гарантируемая производителями точность альтиметра составляет около 3 м.

Если при "быстрой съемке" составление схем памятников непосредственно в поле является, в целом, нецелесообразным (что не исключает необходимость их создания в отдельных случаях), то при "стационарной съемке" необходимо составлять примерный план взаимного расположения объектов комплекса и точек съемки во время проведения измерений.

3.1.6. Этапы обработки результатов измерений

Как при "быстрой съемке", так и при "стационарной" необходимо ежедневно протоколировать и систематизировать полевые данные. Полное стенографирование магнитных записей в варианте "быстрой съемки" может потребовать достаточно много времени, но по крайней мере краткий конспект с расшифровкой номеров и наименований точек измерения необходимо составлять в конце каждого рабочего дня. Также следует перегружать данные из GPS-устройств в компьютер и дублировать их на CD или других внешних носителях.

После расшифровки магнитных записей, проверки координат на отсутствие ошибок оператора и статистической обработки (при необходимости) данные заносятся в БД информационной системы. Эти работы в большинстве случаев проводятся по завершении полевого сезона в лабораторных условиях.

3.2. Использование детальной магнитной съемки
для картирования археологических памятников

Важным источником информации об археологических объектах являются данные геофизического исследования территории. С этой целью могут быть использованы самые разнообразные методы: магнитная разведка, электроразведка, сейсморазведка, электромагнитные методы, радарная съемка, гравиметрические и ядерно-физические методы. Включение слоев результатов геофизического картирования в состав ГИС представляется необходимым как для непосредственной визуализации предполагаемых подземных структур и их привязки к наземным объектам, так и для выявления нечитаемых однозначно объектов путем сопоставления различных слоев ГИС (например, отображений протяженных структур на аэрофотоснимках, магнитных картах и результатов их трассировки на местности при помощи GPS).

Из за большого объема эта статья размещена на нескольких страницах: 1 2 3 4