Компьютерное моделирование археологических объектов: основные направления исследований

И.В. Журбин КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АРХЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ: ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Основная задача компьютерного моделирования при исследованиях археологических памятников состоит в построении пространственной модели культурного слоя, которая объединяет информацию об объектах и слоях, зафиксированных в процессе раскопок. Кроме напластований, в модель включены параметры всех находок - их координаты в трехмерном пространстве, материал, морфология, технология изготовления, датировка, культурно-историческая принадлежность и пр. Указанный набор характеристик, а также взаимное расположение находок и археологических объектов, являются исходной информацией для пространственного анализа процесса формирования культурного слоя (например, выявление структурных частей поселения, отдельных археологических комплексов и т.п.). Кроме того, совместный анализ структуры культурных напластований и тенденций в распределении находок позволяет моделировать расположение участков производственной и хозяйственной деятельности, а также прогнозировать назначение отдельных археологических комплексов. Апробация данного подхода проводится на материалах комплексного изучения средневекового городища Ид-

© Журбин И.В., 2009 Исследования поддержаны Программой интеграционных и междисциплинарных проектов фундаментальных исследований УрО РАН на 2009-2011 гг.

накар, расположенного в Удмуртии (Иванова, 1996).

Создание трехмерной модели культурного слоя включает в себя три основных этапа: формирование источника, компьютерное картографирование полевых материалов и создание пространственной модели (Иванова, Журбин, 2006). Реализация каждого из этих этапов требует разработки специализированных методов и алгоритмов геометрического моделирования и пространственного анализа археологических данных.

Первый этап - формирование источника - предполагает документирование археологической информации в форме, удобной для ввода в компьютер. Очевидно, решение этой проблемы связано с методикой полевых исследований и форматом документации. Для повышения точности пространственного моделирования необходимо в процессе раскопок использовать инструментальные замеры. Это позволяет сформировать исходные данные для представления в единой трехмерной системе координат различных составляющих культурного слоя: прослойки, напластования, локальные трехмерные объекты (очаги, остатки деревянных конструкций) и отдельные находки (Степанова, 2005). Очевидно, формат полевой документации определяет структуру баз данных находок и слоев. В настоящее время такой подход успешно используется при комплексных исследованиях поселений (Жуковский, Пушкина, 2005; Чича..., 2004, с. 13-16).

Этап компьютерного картографирования предполагает документирование результатов археологических раскопок в любой геоинформационной системе или иной программе, позволяющей сохранять графические данные в векторных форматах. Это позволяет создавать оцифрованные плоскостные карты горизонтальных и вертикальных разрезов

культурного слоя. Расположение каждой из карт-разрезов определено относительно репера, что дает возможность установить расположение в пространстве любого объекта планировки (Иванова, Степанова, 2005). В результате оцифровки каждый планиграфический и стратиграфический разрез хранится в компьютере как совокупность границ, которые разделяют различные элементы культурного слоя - объекты планировки, прослойки, линзы и пр. Грунты разного состава и цветности кодируются в базе данных слоев в соответствии с исходной археологической документацией.

В большинстве случае векторизация границ археологических слоев производится вручную. Следовательно, для корректного построения пространственных моделей необходима предварительная обработка данных. Эта процедура предполагает фильтрацию и оптимизацию двумерных контуров (границ напластований): удаление «менее информативных» вершин контура и удалением «петель» малой площади (Журбин, Смуры-гин, 2009).

На заключительном этапе формируется модель культурного слоя - упорядоченный в пространстве набор трехмерных образов, геометрические параметры и взаимное расположение которых отражает соответствующие параметры слоя археологического памятника. При этом первоначально создается набор компьютерных моделей каждого из выделенных объектов и слоев. Дальнейшее развитие связано с расположением в виртуальном пространстве реализованных моделей, а также их координатная привязка. Таким образом, компьютерная модель является полноценным «образом» культурного слоя памятника. Кроме геометрических параметров, она описывает свойства всех его компонентов: структура, состав, материал и пр.

С точки зрения компьютерного моделирования, входными данными к задаче построения геометрической модели археологического объекта являются множества оптимизированных замкнутых ломаных линий - сечения трехмерного объекта на различных плоскостях срезов. На каждом из срезов контуры границ описываются массивами пар координат вершин и могут представлять собой неодносвязные невыпуклые многоугольники. В общем случае способ построения трехмерной модели основан на формировании поверхности элемента культурного слоя. При этом на нескольких смежных разрезах выбирается группа контуров, ограничивающих области грунта одинакового типа (соответствующие выбранному слою по археологической документации). После чего строится поверхность, содержащая все выделенные границы. В сущности, описанный метод предполагает формирование псевдопризм по многоугольникам в качестве оснований и объединение их по признаку принадлежности одному типу грунта.

Таким образом, для построения пространственных моделей по археологическим данным может быть использован метод, который позволяет осуществить преобразование набора разнонаправленных плоскостных срезов в трехмерный образ - геометрическую модель археологического объекта. Реализация описанной процедуры требует разработки специализированных математических методов и программной системы, в которой сочетаются возможности нескольких классов программного обеспечения - баз данных, геоинформационных систем и программ графической пространственной визуализации объектов. Сложность разработки такого метода состоит в том, что при восстановлении пространственного образа каждого объекта может быть

использован лишь ограниченный набор горизонтальных и вертикальных разрезов.

Моделирование формы археологических объектов

Формирование трехмерной модели археологических объектов основано на традиционной археологической документации. На городище Иднакар планиг-рафические разрезы, полученные при раскопках 1974-1995 гг., расположены в пространстве с шагом 0,20 м по аппликате ^). В настоящее время, в связи с переходом на новую методику раскопок, расстояние между смежными планами по оси Z составляет 0,05 м. Стратиграфические разрезы расположены с шагом 3,0 м по абсциссе (X) и ординате (У).

Для реализации предложенного метода выбирается набор контуров для построения базовой модели. Учитывая, что в процессе формирования пространственной модели происходит преобразование вертикальных и/или горизонтальных разрезов в трехмерный образ, необходимо определить, какие из сечений объекта наиболее информативны. В связи с этим, элементы культурного слоя можно условно разделить на локальные и протяженные пространственные объекты. В данном случае под протяженными объектами понимаются элементы культурного слоя, выходящие за рамки моделируемого пространства, по какой либо координате. Примером таких объектов могут служить различные регулярные слои и напластования (дерн, основной культурный слой), а также оборонительные сооружения (вал, ров). Локальные - это замкнутые объекты, которые целиком расположены в границах моделируемого пространства: ямы различного назначения, очаги, основания сооружений и другие подобные по про-

странственной организации элементы культурного слоя памятника. Следовательно, исходными данными для формирования базовой трехмерной модели протяженных объектов являются контуры границ, выявленные на стратиграфических разрезах. В данном случае пла-ниграфические разрезы могут быть использованы для оценки качества построенной модели и ее уточнения. Иной подход применяется при моделировании локальных объектов: в качестве базовых корректнее использовать планиграфи-ческие карты, а стратиграфические разрезы - для уточнения модели.

Возможности рассмотренного метода и подхода наглядно демонстрируют результаты трехмерного моделирования протяженного объекта - внутренней линии оборонительных сооружений городища Иднакар. Раскопки этого участка укреплений проведены в 1992-1994 гг. Пространственная модель отражает особенности формы изученного участка этой линии укреплений: практически вертикальная внутренняя сторона вала, разнообразные врезки с его внешней стороны, а также позднее заполнение рва слоем глины (рис. 1а - при создании рисунков использованы данные археологических раскопок на городище Иднакар, ТХ-ХТТТ вв. Автор раскопок - д.и.н., проф. М.Г Иванова). Однако построение такой модели не является самоцелью. В частности, выбор ракурса модели относительно наблюдателя существенно повышает ее информативность. Кроме того, реализована возможность построения разреза модели произвольной плоскостью. Важно, что при этом создаются сечения, не существующие в исходной археологической документации. Например, дополнительный разрез наглядно показывает существенное уменьшение глубины рва на участке позднего производственного сооружения (цв. вклейка

№2, рис. 1-б). Следовательно, использование технологии пространственного моделирования позволяет детально изучать особенности формы объекта.

Моделирование формирования и развития археологических объектов

Основой данного направления моделирования является принцип восстановления относительной хронологии, который, в свою очередь, базируется на анализе стратиграфии культурных напластований (цв. вклейка №2, рис. 2). Начальный этап сооружения ямы хорошо выявляется по выбросу «материкового» суглинка, расположенного по периметру ямы. «Материковый» выброс перекрывает слой погребенной почвы. Вероятно, на начальной стадии существования ямы внутри нее была деревянная конструкция, остатки которой зафиксированы на дне (модели перечисленных прослоек на рис. 2 не отображены). Через некоторое время яма заполняется глиной с относительно небольшим количеством примесей (модель 1, слой 6), который по периметру уплотняется сильно перемешанным слоем на основе глины (модель 2, слой 15б). В результате вторичного использования полученной площадки скапливается мощный слой гумуса, угля, золы и кальцинированных костей (модель 3, слой 10). Мощность углистой прослойки достигает 10 см. На следующем этапе использования ямы остатки кострища перекрываются перемешанным слоем (модель 5, слой 16), содержащим уголь, гумус и коричневую глину. Вероятно, перемешанный слой 16 получился непосредственно в процессе забутовки, так как вокруг ямы выявлены линзы коричневой глины (модель 6, слой 7). Эти линзы перекрывают «материковый» выброс и располо-

жены на одном уровне с «пестроцветом». В дальнейшем поверхность ямы выравнивается. Первоначально засыпается гумусированным слоем (модель 7, слой 10а), после чего песком (модель 4, слой 5), который при подсыпке перемешивается с глиной.

Очевидно, что предложенный вариант реконструкции носит вероятностный характер, то есть восстанавливает одну из возможных «траекторий» развития объекта. При выборе других правил, критериев и методов анализа результат будет отличаться от предложенного. Важно то, что разработанная методика позволит исследователю «разыгрывать» практически произвольные «сценарии», опираясь на единый набор исходных данных. В зависимости от поставленной задачи сам специалист-археолог может формировать методику анализа компьютерной модели памятника, а также контрастно выявлять интересующие его параметры культурного слоя.

Моделирование распределения находок

Для интерпретации археологических материалов традиционно используются статистические методы, основная идея применения которых состоит в том, что повторяемость тех или иных событий во времени и пространстве позволяет выявить тенденции развития исторических процессов и явлений. Именно на этом принципе базируется функцио-нально-планиграфический метод, ориентированный на выявление участков производственной и хозяйственной деятельности на территории поселений (например, Коробкова, 2006). Кроме того, особенности распределения вещевого материала позволяют восстанавливать конструкцию, размеры и внутрен-

нюю планировку отдельных сооружений (например, Археология севернорусской деревни, 2007, с. 98-102; Волков, 2006; Поселение Быстрый Кульёган 66., с. 4046). При этом важную роль играет способ визуализации. Очевидно, что современный инструментарий для анализа пространственно распределенных археологических данных должен обеспечивать эффективное использование методов расчета численных показателей и возможность наглядного отображения выявленных тенденций.

Исходная информация объединена в базу данных вещевого материала. Это обеспечивает не только структурированное хранение данных, но и возможность выборки по атрибутам, например, материал, назначение, культурно-историческая принадлежность (цв. вклейка №2, рис. 3-а). Совместное использование трехмерных моделей слоев и базы данных находок обеспечивает дополнительные возможности выборки: по принадлежности артефактов к определенным напластованиям. При этом трехмерная модель археологического объекта помещается в соответствующую область виртуального культурного слоя и выбираются находки в пространстве, ограниченном поверхностью модели объекта (цв. вклейка №2, рис. 3-б). Необходимость такого режима очевидна, так как при анализе функций объектов планировки необходимо рассматривать только те находки, которые расположены в соответствующих прослойках. Кроме того, необходим режим дополнения карты распределения находок растровой подложкой (планом раскопа), так как анализировать функции сооружений или участков памятника возможно только при соотнесении распределения находок с картой выявленных археологических объектов.

Реализовано несколько принципов визуализации результатов исследований.

Точечное представление находок -артефакты отображаются как точка в трехмерном пространстве с использованием заданного набора пиктограмм (цв. вклейка №2 рис. 3-а, б). Такое отображение распределения вещевого материала может существенно повысить наглядность демонстрации результатов раскопок. Кроме того, точечное представление находок максимально приближено к традиционной археологической документации, следовательно, компьютерное отображение не вносит никакой искусств енно сти.

Построение трехмерных областей концентрации пространственно-распределенного массива находок точнее характеризует тенденции их распространения в пределах изучаемого объекта (цв. вклейка №2, рис. 3-в). Методической основой построения областей является кластерный анализ - разбиение заданной выборки объектов на непересе-кающиеся подмножества, называемые кластерами, так, чтобы каждый кластер состоял из схожих объектов, а объекты разных кластеров существенно отличались (Wikipedia: Кластерный_анализ). Для определения компактности расположения артефактов используется евклидово расстояние между точками пространства (находками). После чего производится последовательное объединение группируемых объектов: сначала самых близких, потом все более удаленных друг от друга. Условием прекращения является достижение порогового значения расстояния от геометрического центра текущего кластера до всех находок выборки, не вошедших в сформированные кластеры.

Таким образом, технология компьютерного моделирования обеспечивает выявление зон распределения находок на основе расчета их количества и компактности расположения. При этом воз-

можность выбора режима визуализации обеспечивает наглядность при анализе материала. Использование запросов по заданной исследователем комбинации признаков позволяет осуществлять разноплановые выборки находок: по заданным границам в пространстве, по виду производственной и хозяйственной деятельности и пр. Эта процедура позволяет автоматически подготовить данные для анализа распределения вещевого материала в культурном слое.

Применение компьютерных технологий и пространственного моделирования культурного слоя позволяет решить ряд важных задач. Оно обеспечивает не только копирование и хранение информации об археологическом объекте, но и создание его виртуального образа, что разрешает противоречие между исследованием памятника и его сохранением как объекта историко-культурного наследия. Формирование многофункционального источника за счет преобразования полевой информации в компьютерную модель дает возможность изучать археологический памятник на основе не только визуально фиксируемой информации, но и структурной, выраженной во взаимном расположении элементов культурного слоя.

В.И. Завьялов, Н.Н. Терехова МОДЕЛИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ КУЗНЕЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА У ФИННО-УГРОВ В ЭПОХУ СРЕДНЕВЕКОВЬЯ

Внедрение в археологию методов естественных наук значительно расширило информативность археологических артефактов. В частности, использование металлографического метода в изучении изделий из металла позволило решить многие вопросы производственной сферы деятельности человека (Вознесенсь-ка, Недопако, Паньков, 1996; Терехова и др., 1997; Р1етег, 2006). Накопленный в настоящее время массив аналитических данных в Лаборатории естественнонаучных методов ИА РАН (более 12000 анализов) даёт возможность не только реконструировать древние технологические процессы, но и обратиться к проблемам культурно-исторического характера (Завьялов, Розанова, Терехова, 2007; 2009а; 2009б). Настоящая работа ставит задачей рассмотреть региональные особенности железообрабатывающего производства финно-угров в эпоху средневековья и на этой основе построить модели развития кузнечного ремесла.

Под моделью технологического развития мы понимаем совокупность трёх взаимозависимых составляющих, таких как технико-технологический стереотип, производственные традиции и ино-культурные воздействия. Технико-технологический стереотип включает определённый набор и соотношение признаков, характеризующих материал, категори-

© Завьялов В.И., Терехова Н.Н., 2009 Работа выполнена при финансовом содействии РГНФ, грант 08-01-00063а