Xaritalar va ularning turlari haqida ma’lumot

8-MAVZU: TADQIQLARDA CORONA TIZIMIN QO’LLANILISHI

в современных археологических исследованиях все большее значение приобретает использование архивных данных дистанционного зондирования – материалов аэрофото- и космической съемки поверхности Земли.

основным фактором, повышающим значение архивных данных, является масштабный процесс антропогенного воздействия на памятники археологии. начиная с середины XX в. повсеместная распашка тяжелыми плугами, мелио- рация, активное строительство, в том числе связанное с затоплением долин рек, привели к значительному изменению внешнего облика памятников, а нередко – к их полному исчезновению. При этом степень воздействия хозяйственной де- ятельности на разные категории археологических объектов различна – в то время как культурный слой поселений несет невосполнимые потери, разрушение на- сыпей курганных могильников, как правило, не затрагивает самих погребений, заглубленных в материк. археологические разведки, проводимые автором в те- чение ряда последних лет в лесостепном Поволжье, показали, что большинство курганных могильников, открытых в процессе обследований 1960–1970-х гг., сегодня полностью снивелированы распашкой и не поддаются визуальной ло- кализации на местности. исследовательский потенциал, который предоставляет компьютерная обработка и дешифровка аэрофото- и космоснимков 40–50-лет- ней давности, для таких памятников сложно переоценить. фактически можно говорить о повторном введении их в научный оборот на новом уровне исследо- вательских технологий.
круг научных задач, решаемых с помощью компьютерной обработки архив- ных данных дистанционного зондирования, весьма широк. в их число входят региональное научное картирование памятников археологии, локальные иссле- дования планиграфии, структуры, округи отдельных памятников, в том числе палеореконструкции. точная георектификация архивных снимков, доступная благодаря современным компьютерным методам обработки, делает реальным полевое изучение и дообследование памятников, потерявших визуальные при- знаки локализации.
еще одной областью высокопродуктивного использования архивных дан- ных дистанционного зондирования является отслеживание динамики состояния памятников археологии и природных процессов, как в составе систем архео- логического мониторинга, так и археологических информационных систем ло- кального и регионального масштаба. Благодаря использованию архивных сним- ков становится возможным проводить точное картирование памятников и их отдельных элементов, раскопанных в результате археологических исследований второй половины XX в., однако не имеющих точной пространственной привяз- ки, что позволяет восстановить первоначальный облик памятников, утраченный как в процессе хозяйственной деятельности и природных процессов в целом, так и полевого изучения в частности.
в отечественной археологии в качестве источника архивных данных дис- танционного зондирования традиционно привлекаются материалы аэрофо- тосъемки. на этом фоне по большей части незамеченными остаются данные первых аппаратов космического базирования, полученные на заре их приме- нения в 1960–1970-е гг. настоящая статья посвящена рассмотрению данных о поверхности Земли, полученных в рамках американской космической программы CORONA, и перспективам их применения в археологических иссле- дованиях.
космическая разведывательная программа CORONA стала первой успеш- ной миссией, в ходе которой были получены серийные снимки поверхности Земли с аппаратов космического базирования. За период функционирова- ния программы с 1960 по 1972 г. было получено в общей сложности около 860 000 снимков (рис. 1), сделанных шестью поколениями (сериями) спут- ников, для обозначении которых использовалась аббревиатура кн (Keyhole): кн-1, кн-2, кн-3, кн-4, кн4A и кн-4B (USGS, 1998; 2009). спутниковые аппараты каждой серии отличаются параметрами использованных фотокамер. с каждой новой серией сенсоров улучшались характеристики камер, стабиль- ность орбиты, качество и разрешение получаемых изображений, длительность пребывания аппаратов в космосе. спутники CORONA запускались на поляр- ные солнечно-синхронизированные орбиты, что обеспечивало «утренние» часы съемки в ориентировочном интервале с 9 до 11 часов (Андронов, Шевров, 1995) (съемка в утренние часы фиксирует более выраженные тени наземных объектов, что облегчает дешифровку снимков). угол наклона орбит относи- тельно экватора варьировал от 60 до 100º, благодаря чему снимки имеют пре- имущественно широтную развертку. высота орбиты отличается для разных серий спутников и разных миссий и варьирует в пределах от 150 до 460 км: для аппаратов серий кн-4A и кн-4B номинальная высота орбиты была по- стоянной и составляла 185 и 150 км соответственно; серии кн-1, кн-2 и кн-3 были снабжены панорамными камерами; в сериях кн-4, кн-4A, кн-4B была использована уже пара камер, снимавших в стереорежиме (табл. 1). угол об- зора камер (полоса сканирования) составляет около 70º, угол наклона камер в стереорежиме – порядка 15º, что обеспечивает суммарный охват стереопары в 30º (рис. 2).
фокусное расстояние объективов камер спутников CORONA составляет 609,6 мм (24 дюйма), спектральный диапазон 0,5461–0,7100 μm (оптимум – 0,62–0,65 μm), снимки панхроматические. важнейшим параметром снимков CORONA является пространственное раз- решение. оно улучшалось по мере развития программы: если сенсоры серий кн-1 и кн-2, снабженные объективами f/5 Tessar, имели разрешение порядка 8–12 м, то со сменой объективов на f/3.5 Petzval оно достигло 2 м в снимках серии кн-4B, в среднем составляя 3–8 м. тем самым параметры лучших сним- ков спутников последней серии программы (1967–1972 гг.) вполне сопоставимы с разрешением современных сенсоров космического базирования. необходимо тем не менее указать, что в силу конструктивных особенностей аналоговых камер разрешение снимка варьирует в его пределах, достигая наибольших значе- ний в центральной области кадра.
следует отметить, что массив снимков программы CORONA в целом неодно- роден по качеству материалов. главной проблемой является наличие облачности, зачастую полностью закрывающей поверхность Земли – на долю таких снимков приходится более 40% всех данных. с другой стороны, большое количество вы- полненных миссий (миссией в терминологии программы называется жизненный цикл одного спутника, составлявший от 1 до 19 суток) позволяет выбрать данные лучшего качества для интересующего региона, и, как правило, серия безоблач- ных снимков доступна. то, что программа CORONA являлась разведывательной, служит безусловным преимуществом с точки зрения отечественной археологии – территория бывшего ссср получила наилучшее покрытие.
Поскольку снимки CORONA представляют собой разведывательные данные, то они долгое время были засекречены, однако в 1996 г. гриф секретности был снят, и практически сразу же после этого началось активное использование так называемых данных DISP (declassified intelligence satellite photographs) в научных целях. в течение 10 лет копии снимков для работы можно было получить лишь в национальных архивах сШа, где хранятся оригиналы пленок. Процедура была достаточно трудоемкой, поскольку предполагала изготовление фотографического отпечатка с интересующей пленки с последующим сканированием уже отпечатан- ной фотографии. сканирование оригинала не допускалось. однако в 2006 г. были изготовлены копии пленок всего массива данных и переданы в геологическую службу соединенных Штатов (USGS), которая в свою очередь обеспечила воз- можность дистанционного заказа снимков через интернет по символической цене
$ 30 за каждую цифровую копию, отсканированную непосредственно с пленки. Максимальное качество сканирования составляет 7 микрон (3600 dpi), что доста- точно для получения копии высокого качества. Данные со спутников программы CORONA организованы не по типам сенсоров, а по номерам миссий, перекрест- ная табл. 2 позволяет сопоставить последние с конкретной серией камер.сервер геологической службы позволяет производить поиск снимков по географическим координатам интересующей области и ряду дополнительных параметров (http://edcsns17.cr.usgs.gov/EarthExplorer/). в силу того, что более чем 40% снимков имеют дефекты в виде существенной облачности, большое значение имеет возможность предварительного просмотра копии низкого разре- шения и рамки снимка (footprint) на современной карте. отметим, что проведен- ная в целях каталогизации коллекции CORONA автоматизированная геопривяз- ка снимков, охватившая 98% материала, позволяет определить лишь пример- ные координаты углов отдельного кадра со стандартной ошибкой около 15 км (USGS, 2009).
каждая пленка имеет легенду, сохраняемую на ней при сканировании. в ле- генде указаны основные параметры кадра: дата съемки, номер миссии, номер витка (пролета), тип кадра стереопары (AFT – снимок назад, FWD – снимок вперед) и направление полета спутника (A – ascending, т. е. с юга на север, D – descending, т. е. с севера на юг).
снимок CORONA, полученный с сервера геологической службы, пред- ставляет собой обычный растровый файл достаточно большого объема без какой-либо пространственной и географической привязки, обычно сопровож- дающей данные современных сенсоров космического базирования. Практи- ческое использование снимков CORONA возможно только после проведения процедуры ректификации. снимки CORONA имеют достаточно большие геометрические искажения, вызванные целым рядом факторов. основным, безусловно, является использование широкоугольной панорамной камеры с углом охвата более 70º. Помимо оптических искажений как таковых, допол- нительные нарушения геометрии создаются из-за того, что за время полного экспонирования широкого кадра спутник успевал пролететь около 4 км. в ходе реализации программы CORONA сенсоры все время усовершенствовались, что в конечном счете позволило частично устранить искажения, вызванные хроматической аберрацией, присущей ранним версиям объективов, и несколь- ко компенсировать эффект движения спутников. тем не менее даже наиболее совершенные снимки, сделанные камерами KH-4A и KH-4B, искажены доста- точно сильно: прямоугольный кадр фиксирует на поверхности Земли фигуру в форме галстука-бабочки (см. рис. 2). Для устранения искажений полного кад- ра используется достаточно сложная математическая модель, предложенная недавно (Shin, 2003).
наиболее эффективный способ обойти искажения снимка состоит в его раз- делении на отдельные условные кадры, в пределах которых геометрическая дис- торсия уменьшается на порядок.
отбор опорных точек для архивных данных 40–50-летней давности пред- ставляет определенные сложности: на поверхности Земли сохранилось не так много объектов, не изменивших за это время своей конфигурации, которые мож- но однозначно идентифицировать как на снимке CORONA, так и сейчас – на местности либо на современном снимке высокого разрешения. наиболее надеж- ными реперами служат сами объекты изучения – памятники археологии. Прак- тический опыт показывает, что также эффективны в использовании пересечения дорог, особенно железнодорожных веток, и, в определенной мере, отдельные постройки, сохранившие свой облик. тем самым ректификация снимков, за- хватывающих области с развитой транспортной инфраструктурой либо стаци- онарной застройкой, в целом проще, чем снимков местности, мало затронутой деятельностью человека.
Можно предложить два алгоритма формирования базы опорных точек: по имеющемуся снимку высокого разрешения и путем непосредственного опреде- ления координат с помощью GPS-оборудования.
оптимальным по соотношению точности результата и затрат труда и време- ни способом является ректификация условного кадра снимка CORONA по име- ющемуся современному георектифицированному снимку высокого разрешения, такому как QuickBird, WorldView, SPOT и т. п. немаловажно, что базовый сни- мок не обязательно приобретать. Массивы данных, предоставляемые серви- сами Google Earth™, Virtual Earth™, космоснимки.ру, обеспечивают хорошее покрытие снимками высокого разрешения для территории бывшего ссср. При правильном учете особенностей проекции данных, используемых названными серверами, точность привязки не будет отличаться от результата, получаемого при использовании коммерческих продуктов.
Для привязки снимков территорий, мало освоенных человеком, может не хватить точек, полученных при помощи георектифицированных современных данных. в этом случае необходимо получение координат опорных точек с по- мощью GPS-приемников. фактически единственным типом однозначно иден- тифицируемых объектов при этом остаются памятники археологии. Подобная стратегия определения опорных точек привязки уже неоднократно использова- лась в практике применения данных CORONA в археологии и доказала свою эффективность (Gheyle et al., 2004).
Потенциал снимков CORONA с точки зрения их дешифровки достаточно велик. Данные, полученные с помощью последних аппаратов программы – KH-4, KH-4A и KH4B, имеют высокое даже по современным меркам разре- шение и позволяют определить на поверхности Земли объекты поперечником до 1,5 м. условия освещенности, тип растительности, качество снимка (очень неоднородное не только для разных миссий и витков, но даже в пределах од- ного кадра), тип самих археологических объектов и их контрастность ока- зывают серьезное влияние на успех дешифровки. Практический опыт авто- ра показывает, что номинальный предел разрешающей способности снимков CORONA вполне достижим для данных высокого качества. Пример использо- вания снимка CORONA для анализа изменений русла р. Днепр в районе гнёз- довского комплекса археологических памятников приведен на рис. I (см. цв. вклейку).
неоспоримым достоинством данных CORONA является возможность их использования для построения цифровых моделей рельефа – ЦМр (см., напр.: Altmaier, Kany, 2002; Cassana, Cothren, 2008; Mészáros et al., 2008). стереорежим съемки, примененный в сенсорах серий KH-4, KH-4A и KH-4B, создает для это- го все предпосылки. Достаточно трудоемкий процесс создания ЦМр, связанный с необходимостью устранения упомянутых выше искажений исходных данных, тем не менее компенсируется их доступностью. учитывая высокую стоимость данных таких сенсоров как SPOT, традиционно используемых для создания ЦМр высокого разрешения, применение снимков CORONA является достойной альтернативой коммерческим продуктам.
За период существования программы (1959–1972 гг.) сенсоры прошли до- статочно большой эволюционный путь развития: по качеству данные послед- ней серии спутников KH-4B намного превосходят данные начального этапа программы. наряду с улучшением качества данных со сменой серий спут- ников происходит увеличение площади их покрытия (табл. 2), что делает ис- пользование снимков сенсоров KH-4A и кн-4B не только желательным, но и возможным практически для любой точки на территории европейской части россии.
обобщая основные достоинства данных, предоставляемых программой CO- RONA, можно констатировать:

1. 
   высокое качество снимков, улучшающееся по мере смены серий спут- ников в ходе реализации программы. наилучшие снимки сенсора KH-4B дости- гают пространственного разрешения в 1,8 м. размеры реально дифференцируе- мых объектов на таких снимках имеют в поперечнике до 1,2–1,5 м;
   
2. 
   низкую стоимость получения данных – около одного цента за км², что намного меньше стоимости коммерческих продуктов современных сенсоров высокого разрешения;
   
3. 
   широчайшую площадь покрытия в силу разведывательного характера программы, накрывающую практически любую точку на территории бывшего ссср;
   
4. 
   возможность создания ЦМр более высокого разрешения, нежели при использовании данных SRTM. Детализация ЦМр на основе данных CORONA аналогична наземной топографической съемке масштаба 1:10 000;
   
5. 
   уникальное достоинство снимков программы CORONA – их историч- ность. в рамках реализации программы была зафиксирована поверхность Зем- ли по состоянию на 1960–1972 гг., в большинстве случаев до того, как процессы масштабного антропогенного воздействия в буквальном смысле стерли с лица земли значительное количество археологических памятников. использование данных CORONA в отечественной археологии позволяет повторно ввести их в
   

научный оборот на современном уровне методов и технологий.