Сопоставление предлагаемых коэффициентов позволяет сделать вывод о необходимости проведения тех или иных работ на территории района. Например, близкое к единице значение коэффициента точности при меньшем, чем для примыкающих районов, значении плотности известных памятников говорит о необходимости проведения комплексных разведок, низкое значение коэффициента точности при высоком значении плотности – о необходимости только координатной съемки. Те же характеристики могут быть использованы и для описания изученности отдельного памятника. Только, например, вместо плотности памятников будет выступать плотность отдельных объектов в пределах комплекса, сеть обследования будет более плотной и т. д. То есть предлагаемые коэффициенты обладают свойством масштабируемости.

Можно ввести и другие интегральные количественные характеристики для территории, например описывающие уровень охраны, реставрационных работ и т. д. Мы не будем использовать коэффициенты помимо пяти указанных, оставляя возможность заинтересованным службам вводить их по своему усмотрению.

Таким образом, в данной главе мы рассмотрели и обосновали методики ряда работ, необходимые для наполнения информационной системы по недвижимым памятникам культуры фактическими данными.

4. Апробация методики GPS-съемки
недвижимых памятников культуры
и методики использования
картографического материала

4.1. Общее описание выполненых работ на местности

Большая часть экспериментальных работ по апробации предложенных выше методик для создания информационной системы по недвижимым памятникам культуры проводилась на территории Южного и Восточного Крыма.

Основные материалы, полученные до появления системы спутниковой навигации, относятся к магнитному картированию памятников [, , 1994, с. 169], [Maslennikov A. А., Smekalova T. N, Smekalov S. L., 1996, p. 171], [ Н, , и др., 1997]. Построение планов выполнялось обычными геодезическими приборами, что обеспечивало лишь относительную привязку.

За это время собран большой описательный материал, используемый в настоящее время при наполнении базы данных. С появлением спутниковой навигации основной акцент был перенесен на точную локализацию известных объектов на территории полуострова. Элементы методики картирования археологических памятников с использованием GPS отрабатывались также в археологических экспедициях на территории Дании, Греции, Турции, Норвегии, Германии.

Работы по определению координат археологических памятников на территории Крыма при помощи GPS начаты в 1999 г. Основная часть измерений выполнена в районе горы Аю-Даг на южном берегу Крыма (пос. Партенит) в рамках договора с Государственным Эрмитажем (начальник экспедиции ) и на Керченском полуострове, на побережье Азовского моря к северу от пос. Багерово в рамках сотрудничества с ИА РАН (руководитель экспедиции ). Непосредственное участие в работах, особенно в части локализации памятников на местности, принимали специалисты Крымского филиала Института археологии национальной АН Украины.

На горе Аю-Даг сосредоточено большое число памятников, охватывающих период с IV в. до н. э. (выходы культурного слоя) по XIX в. н. э. (здание пограничной заставы). Многие из них описывались различными авторами, начиная с прошлого века [, 1837], [, 1909], [, , Баранов ИА., 1975], однако их обнаружение на местности затруднено из-за сложного рельефа и малых размеров памятников, кроме того, значительная часть горы покрыта лесом, ограничивающим видимость. Съемка оказалась возможной благодаря участию в ней сотрудника Крымского филиала ИА НАН Украины , который осенью 1998 г. проводил работы по идентификации памятников и составлению археологической карты Аю-Дага.

Работы на Керченском полуострове охватывали памятники, главным образом античные, которые в разные годы исследовались Восточно-Крымской археологической экспедицией ИА РАН.

Кроме этих двух районов проводились съемки координат курганов в центральной части Крыма, в том числе курганов, раскопками которых занималась в предыдущие годы экспедиция Крымского филиала ИА НАН Украины, а также ряда памятников центрального и южного Крыма, в исследовании которых принимал участие в разные годы один из авторов данной монографии.

В 2000 г. работы осуществлялись в рамках ФЦП “Интеграция”, грант № 000.24. Было продолжено определение координат археологических памятников Керченского полуострова, а также проведены исследования в окрестностях Старого Крыма.

Весной и летом 2002 г. была продолжена работа на Керченском полуострове в рамках ФЦП “Интеграция”, грант № Б038. Основные результаты относились к прибрежной территории Черного моря к югу от Керчи, в частности к району, описанному в работе [Sholl Т., Zinko V., 1999]. Кроме этого, были обследованы курганные группы к западу и северу от г. Керчь, а также часть древнего вала, пересекающего Керченский полуостров примерно в 30 км западнее Керчи (Узунларский вал).

Работы в Крыму по большей части проходили во время специальных объездов или обходов территории и носили характер "быстрой съемки". "Стационарная съемка" проводилась лишь на отдельных памятниках.

В общей сложности за четыре сезона были определены координаты около 1500 характерных точек, относящихся к 300 отдельным объектам и комплексам. Наиболее изученными оказались гора Аю-Даг, пригороды Алушты, Судака, Старого Крыма, значительная часть Керченского полуострова.

Кроме того следует упомянуть еще ряд памятников, на которых апробировалась методика GPS-измерений в гг. Это античный город Калидон [Dyggve E., 1948] на северном побережье Коринфского залива (экспедиция Датского института в Афинах, руководитель проф. Сорен Дитц); античный город Антиохия в Писидии, центральная Турция, близ современного г. Ялвач [Taşlialan M., 1997] (экспедиция Колумбийского университета, руководитель проф. Роджер Багнал); средневековые металлургические центры близ города Купферберг, Германия (экспедиция местного краеведческого музея, руководитель проф. Инге Кесман, университет г. Майнца); археологические памятники от неолитических до средневековых в различных районах Дании (экспедиция Датского национального музея, руководитель проф. Ольферт Восс [Smekalova T., Smekalov S., Voss. O., 2003]). Основной целью работ на этих памятниках было магнитное картирование археологических объектов. Для абсолютной привязки участков магнитных измерений применялась "стационарная" GPS-съемка.

Для определения координат объектов использовались одночастотные кодовые GPS-приемники Magellan 2000XL и Garmin Summit E-Trex. С 2002 г. на части объектов измерения проводились в дифференциальном режиме с использованием приемника DGPS поправок Garmin GBR-23.

4.2. Оценка точности проведенных измерений

Поскольку в период, когда были начаты проводимые работы, еще действовали ограничения по точности (SA-ошибки, вводимые в сигналы от спутников), необходимо было определить количество измерений, которые следовало проводить на каждой точке, чтобы получить достаточную для идентификации памятников точность (не менее 30-40 м). Координаты археологических памятников измерялись портативным GPS-приемником Magellan-2000XL. Данное устройство относится к системам навигационной точности, отслеживает сигналы до 12 спутников и, согласно паспортным данным, может обеспечивать определение координат со среднеквадратичной ошибкой одиночных измерений, равной 15 м без учета SA-ошибки. Поскольку статистика SA-ошибки неизвестна и, по-видимому, меняется, первоначальной задачей было выяснить возможность получения координат объекта с большей точностью, чем величина SA-ошибки, за счет увеличения числа измерений, проводимых в одной точке. С этой целью в течение нескольких дней измерялись координаты лагеря экспедиции Государственного Эрмитажа в поселке Партенит. Полученный набор данных (1970 измерений) рассматривался как "генеральная совокупность", из которой извлекались частные выборки, моделирующие различные способы проведения замеров координат: отдельные случайные измерения; серии последовательных измерений различной продолжительности; различные комбинации последовательных серий.

В табл. 4.1 представлена описательная статистика "генеральной совокупности" выполненных измерений. На рис. 4.1 приведены графики изменения показаний приемника для широты и долготы в процессе измерений, на рис. 4.2 – гистограммы распределения значения координат по широте и долготе в сравнении с гистограммами нормального распределения с тем же математическим ожиданием и дисперсией, а на рис. 4.3 – гистограмма отклонений значений координат от центра в радиальном направлении. Хотя распределение на рис. 4.2 и имеет колоколообразный характер, оно не соответствует нормальному закону (проводилась проверка по критерию χ, полученная вероятность расхождения за счет случайных факторов менее 0,001). В связи с тем, что закон распределения ошибок неизвестен, статистика SA-ошибок, по-видимому, меняется со временем и, кроме того, значения вычисляемых координат (характер осреднения, вес сигналов от различных спутников) зависят от алгоритмов работы самого прибора, которые не сообщаются разработчиками, точность измерений оценивалась на основе анализа описательной статистики в предположении, что имеющаяся выборка отражает как свойства SA-ошибок, так и особенности работы приемного устройства.

Т а б л и ц а 4.1

Описательная статистика "генеральной совокупности" измерений координат лагеря экспедиции в пос. Партенит. Усредненные
координаты центра лагеря: 44º 34,092' СШ, 34º 20,342' ВД

а)

б)

Рис. 4.1. Лагерь в Партените. Изменение значений широты (а) и долготы
(б) в процессе измерений

а)

б)

Рис. 4.2. Гистограмма распределения значений координат по широте
(а) и долготе (б) в сравнении с нормальным распределением

Рис. 4.3. Гистограмма отклонений значений координат от центра

Отметим характерные особенности процесса измерений. При последовательном проведении замеров показания прибора медленно изменяются случайным образом. Среднее значение последовательного изменения во время непрерывной серии измерений равно 0,0012'. В то же время при случайной выборке показаний из общей совокупности средняя разность составляет около 0,02'. При каждом новом выключении-включении прибора показания скачкообразно изменяются случайным образом в пределах, соответствующих границам изменения непрерывной серии измерений за длительный период времени. Таким образом, проведение длительных серий измерений нецелесообразно, так как в пределах одной серии измерения не являются независимыми, присутствует систематическая ошибка, величина которой медленно меняется. Более целесообразно проведение нескольких коротких серий.

В табл. 4.2 приведены значения разбросов результатов измерений в зависимости от количества точек съемки и методики проведения измерений. Указаны верхняя и нижняя граница относительно среднего значения координат "генеральной совокупности", в которую попадают 95% "средних" соответствующего способа проведения измерений и обработки.

По величине 95%-ных интервалов проводилась оценка точности для результатов измерений на других объектах. Поскольку ошибка по широте превышает ошибку по долготе, в приводимых далее координатах археологических памятников в качестве значения ошибки указывается ее величина для широты.

В большинстве случаев координаты объектов определялись по результатам усреднений трех серий по 10 измерений. Этой ситуации соответствует ошибка по широте около 40 м и по долготе около 25 м.

Т а б л и ц а 4.2

Значения разбросов результатов измерений в зависимости
от количества точек съемки и методики проведения измерений

Следует отметить, что полученные результаты согласуются с данными, приводимыми в другом источнике [, 2000, с. 59-62]. Хотя в настоящее время сняты ограничения на точность и SA-ошибка не вводится, полученные результаты не утрачивают своего значения. Во-первых, они могут быть применены к GPS-данным, полученным другими наблюдателями до 2000 г., во-вторых, SA-ошибка может быть вновь введена в любой момент по решению правительства США.

Результаты, полученные после мая 2000 г, даже при одиночных измерениях обладают точностью не хуже 10-15 м, что достаточно для большинства работ при "быстрой" съемке. Единственной задачей было избежать промахов – ошибок, связанных с человеческим фактором.

В 2002 г. авторы впервые использовали дифференциальный вариант GPS для работ на территории Крыма. В состав измерительного комплекса входили GPS-приемник Garmin E‑Trex Summit и дифференциальный приемник Garmin DBR 23. Точность, индицируемая на экране прибора для DGPS-режима, в большинстве случаев составляла 1-2 м. Для проведенной контрольной серии замеров из 120 измерений при индицируемой на приборе точности 2 м разброс координат превысил 2 м лишь для двух измерений.

Отдельно хочется выделить измерения, выполнявшиеся в гг. в районе древнего города Калидон. Работы на данном памятнике носили характер "стационарной съемки" и проводились с целью привязки участков, на которых выполнялась магнитная съемка. Общая территория, на которой проводились исследования, имела размеры около 1000х1000 м. Рельеф носил сложный характер – памятник располагался на нескольких холмах. Общий перепад высот достигал величины около 100 м. Значительная часть территории была покрыта зарослями кустарника и оливковыми садами, что ограничивало прямую видимость и требовало большого числа реперных точек при проведении геодезических работ не GPS-средствами. Параллельно с нашей группой работала группа греческих геодезистов, составлявших общий топографический план памятника. Благодаря этому появилась возможность сопоставить результаты, полученные при помощи простого GPS-приемника, работающего в обычном (не-дифференциальном) режиме, и результаты высокоточной съемки, выполнявшейся при помощи лазерных тахеометров. Для горизонтальной плоскости сравнение измерений расстояний при помощи тахеометров и при помощи GPS для дальностей 10-500 м показало, что средняя величина ошибки измерения расстояния составляет 2 м, максимальная 4,9 м. Для GPS-измерений усреднение координат проводилось по выборке из 15-20 измерений, выполненных в случайные моменты времени (табл. 4.3). Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности применения "стационарной съемки" в недифференциальном режиме для составления планов в горизонтальной плоскости масштабов до 1:3000. Средняя ошибка позиционирования составляет в этом случае около 0,5 мм в масштабе карты.

Т а б л и ц а 4.3

Сравнение результатов измерения расстояний в горизонтальной плоскости между точками местности на территории античного
города Калидон, м

4.3. Подготовка картографического материала

Как указывалось во второй главе, для обеспечения успешного проведения работ на местности и создания электронных карт необходима подготовка соответствующего картографического материала. В качестве современной топоосновы были использованы карты Крыма Генерального штаба СССР масштаба 1: доступные неограниченному кругу пользователей благодаря их изданию в Интернете [Карты, 1989]. В дополнение к современным картам для выполнения работ были подобраны печатные картографические материалы по Крыму XVIII-XIX вв. из фондов Российской национальной библиотеки (РНБ) и Библиотеки Российской академии наук (БАН) в Санкт-Петербурге. По материалам этой работы был подготовлен CD [, 2003, (b)], [, 2004], на котором представлены 14 карт Крыма в виде графических файлов с разрешением 300 dpi.

Материалы сканировались с ксерокопий, выполненных в отделе внешнего обслуживания РАН, и непосредственно с оригиналов в отделе электронной доставки документов БАН. Помимо использования в настоящей работе карты, опубликованные на CD, имеют самостоятельное научное значение. Хотя многие из них известны специалистам и имеются "на руках" у археологов, по крайней мере в виде фрагментов, однако их публикации в цифровой форме авторам не встречались. Более того, до недавнего времени некоторые из карт являлись секретными и даже те, кто их использовал, не во всех случаях могли ссылаться на источник. Таким образом, в широкий научный оборот многие из них вводятся впервые.

Приведем перечень указанных карт. Более подробное описание и исторический комментарий содержатся в работе [Смекалов С. Л., 2003 (b)], а ссылки приведены в списке литературы к настоящей монографии.

1. Карта Крыма, , 1:2 автор неизвестен;

2. Шмита, 1777, 1:760000;

3. , 1790, 1:530000;

4. Карты , 1787, 1:1100000;

5. Карта , 1817, 1:168000;

6. Карта , 1836, 1:168000;

7. Карта Военно-Топографического Депо (ВТД), 1842, 1:210000;

8. Карта ВТД, 1847, 1:630000;

9. Карта ВТД 1857, 1:42000;

10. Карта ВТД, , 1:126000;

11. Карта ВТД, 1890, 1:42000;

12.  Манганари, 1836, 1:350000;

13. Карта изд-ва Ильина, 1:840000;

14.  Воеводского, 1884, 1:3570000.

4.4. Оценка точности старых карт

Для использования подготовленных картографических материалов в геоинформационной системе была проведена оценка их точности в соответствии с методикой, предложенной в главе 3. Расскажем о полученных результатах на примере трех карт: карты ГШ СССР масштаба 1:100г., карты 1817 г. [Мухин С. А., 1817] и трехверстовой (в одном английском дюйме три версты) [Карта ВТД, 1876].

В качестве территории для проверки карт был выбран Керченский полуостров, на который приходилась большая часть GPS-измерений.

Первым шагом был отбор из общего массива GPS-измерений точек, которые могли быть обозначены и однозначно читаться на старых и новых картах. К таким точкам мы предположительно относили высшие точки небольших мысов, особенно с геодезическими знаками, колодцы, фортификационные сооружения старой постройки, некоторые наиболее крупные курганы, пересечения дорог между собой и с характерными элементами рельефа, четко выраженные границы элементов рельефа. Хотя были отобраны все объекты, попавшие в этот перечень (всего 63 точки), следует отметить, что наибольшее доверие вызывают высшие точки небольших мысов, если это не обрыв, подмываемый водой, колодцы и фортификационные сооружения. Эти объекты хорошо локализуемы на местности и имеют достаточно большое значение, чтобы быть выделенными. Выделение высших высотных точек в середине полуострова на старых картах не всегда возможно. Выбранная территория носит в целом равнинный характер. На ней отсутствуют значительные горы с острыми вершинами, а на старых картах рельеф обозначен штриховкой и отсутствуют отметки высших точек. Имеется большое количество курганов, однако как точки привязки они не всегда удобны. Если обозначена группа курганов, возникает вопрос о выделении главного, а он вообще может быть не обозначен на карте 1:100000 внемасштабным знаком как курган, а лишь выражен в рельефе. Главные дороги, наверное, проходят примерно там же, где и лет назад, однако некоторые изменения их положения вполне возможны, границы рельефа также могли перемещаться, как из-за влияния природных сил, так и в результате человеческой деятельности. При помощи ГИС MapInfo мы нанесли указанные точки на карту ГШ 1:100000. Крупномасштабное увеличение карты на экране компьютера показало, что точки, обозначенные на карте по GPS-координатам, отстоят не более чем на 1 мм в масштабе карты (100 м на местности) от соответствующих знаков или точек, обозначенных при изготовлении карты, градусная сетка WGS84 в широтном направлении совпадает с сеткой СК42, в меридиональном – западнее сетки СК42 примерно на 6 угл. с, что соответствует параллельному смещению линии сетки на расстояние около 1 мм. На основании этого был сделан вывод о полном соответствии имеющейся копии карты результатам GPS-измерений в пределах точности, допускаемой масштабом карты. Карта ГШ 1:100000 была взята за топооснову для проведения дальнейших работ.

Следующая из рассматриваемых карт – карта генерала , созданная в 1817 г. (рис. 4.4). По-видимому, это

Рис. 4.4. Керченский полуостров. Фрагмент карты Мухина 1817 г.

первая карта Крыма, подготовленная на основе планомерных топографических съемок и самая ранняя из известных авторам карт, которую можно применять для работы в полевых условиях и в настоящее время. Издание карты включает сводную таблицу и 10 листов собственно карты. Каждый лист карты состоит из восьми бумажных листов размером 16,5х23 см, наклеенных на общую тканевую основу. На одном из листов, кроме картографической информации, помещено "Заглавие карты", на другом "Изъяснение Карты". Карта многоцветная, масштаб – в 1 дюйме четыре версты (1:168000). Имеется координатная сетка с шагом 30 минут и отметки через 5 минут по периметру рамки, отсчет долготы от острова Ферро (Канарские острова). Карта Мухина служила основой для описания древностей многим исследователям Крыма в первой половине XIX в., например , [Тункина И. В., 2002, с. 79, 96, 155-58].

Сначала градусная сетка на карте Мухина была сопоставлена с современной градусной сеткой для геоида WGS84. С этой целью была проведена привязка карты Мухина к системе координат WGS84 по трем точкам из ранее выбранных 63: северная оконечность Узунларского вала, тригонометрический пункт (высшая точка) мыса Зюк, высшая точка мыса на озере Тобечик (поселение Костырино-1) [, 1975, с. 226]. Сопоставление полученных координатных систем показывает, что длина дуги градуса вдоль меридиана у Мухина примерно на 4,5 км меньше современного значения, то есть расстояние вдоль меридиана у Мухина меньше истинного (по современной карте) примерно на 4 %. Длина дуги градуса вдоль параллели (на северной широте 45˚ 30΄) на карте Мухина примерно на 3 км больше, то есть расстояние вдоль параллели на 4 % больше, чем на современной карте. Поскольку ошибки имеют близкую величину, но разные знаки, можно ожидать, что при измерении расстояний под углами 30-60° к меридиану либо параллели карта Мухина будет давать значение, близкое к современному.

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