«Страна городов» — это больше трёх десятков укреплённых поселений, которые датируются III и II тысячелетиями до н. э.

Укреплённые поселения бронзового века в Южном Зауралье. Всего их (вместе с памятниками в соседних регионах) больше трёх десятков.

Процесс электроразведки. В руках у исследователей — прибор, который измеряет электрическое сопротивление почвы. Разные объекты имеют разное сопротивление. Прибор может регистрировать аномалии электрического сопротивления и составлять карту таких аномалий. За спиной у исследователя справа — GNSS-приёмник. С его помощью можно привязать эту карту к системе координат. В большинстве случаев участок исследований заранее разбивают на квадраты и с помощью GNSS-приёмника привязывают их углы. Тогда позицию геофизического прибора можно определить рулеткой (лежит на траве), протягивая её от углов размеченного квадрата.

Процесс обработки трёхмерных моделей поселения Тулак с помощью нейросети. Нейросеть выделяет в облаке точек аномалии (остатки жилищ, обозначены оранжевым) и по определённому математическому алгоритму увеличивает плотность облака. Это позволяет точнее определить форму и размеры аномалий.

Верхнеуральское поселение, снятое разными методами: 1 — спутниковый снимок; 2 — карта кажущегося электрического сопротивления; 3 — цифровая 3D-модель рельефа, сделанная на основании аэрофотосъёмки (с квадрокоптера); 4 — цифровая карта рельефа, сделанная на основании GNSS-съёмки.

План поселения Степное. На нём совмещены результаты геофизической разведки (цветная подложка) и расшифровки аэрофотоснимка 1956 года (чёрные контуры). Разными цветами на подложке обозначены объекты с различным удельным сопротивлением. У стен оно выше, у жилых котлованов и рвов — ниже. Аэрофотоснимок показывает объекты, которые отличаются по микрорельефу, разной растительности и т. д. На плане геофизические аномалии и объекты частично совпадают, а в других случаях удачно дополняют друг друга.

Исследователи из нескольких российских институций¹ решили привлечь к изучению «Страны городов» нейросети. С их помощью они изучали данные, которые получили методами дистанционного зондирования: спутниковые снимки и аэрофотоснимки, съёмку тахеометром и GNSS-приёмником, лидаром, магниторазведкой и электроразведкой. Археологи и нейросети искали новые объекты в долинах рек Уй и Синташта — на поселениях бронзового века Степное, Левобережное, Нижнеуспенское и Верхнеуральское, а также в их окрестностях².

Тахеометр — это геодезический прибор, «умеющий» определять горизонтальный и вертикальные углы, расстояния и высоты. Для съёмки тахеометром обычно нужны два человека: один держит цель-отражатель и переставляет её между нужными точками, второй — наводит на цель прибор. Перед началом съёмки прибору «показывают» точки с известными координатами. С их помощью он высчитывает в трёх измерениях (X, Y, Z) то место, где находится сам. Дальше тахеометр посылает лазерный луч в новые цели-точки и принимает отражённый сигнал. По углам и расстояниям, которые проходит сигнал, прибор рассчитывает координаты этих точек и «записывает» их. В результате получается облако точек. По нему можно создать трёхмерную модель (обычно простенькую) или очень точный «плоский», двумерный топоплан.

Раньше для съёмки топопланов использовали другой прибор — теодолит. Он полностью механический, человек должен был сам снимать все измерения (углы и деления на рейке-цели), записывать их, а потом пересчитывать по довольно длинным формулам. В последние годы обработка теодолитной съёмки стала проще: цифры сразу «забивали» в электронную таблицу (например, в Excel), и программа рассчитывала координаты по формулам. Потом на основе этих координат в другой программе строили топоплан.

Разумеется, тахеометр, который делает почти всё это «сам», сильно облегчил жизнь геодезистам и археологам. Съёмка происходит быстрее, а кроме того, можно «снимать» больше точек, а значит, делать более подробные планы. Топопланы сейчас делают и с помощью GNSS³-приёмников — они определяют координаты точек по спутникам, но гораздо точнее, чем GPS-приёмники в наших смартфонах.

Лидар (LiDAR⁴) — более мощный прибор, по сути, это лазерный радар или сканер. Он производит съёмку автоматически и позволяет получить плотное и равномерное облако точек. Кроме того, он способен отфильтровывать и игнорировать «ненужные» точки. Например, если установить его на беспилотник и запустить над лесом, он может игнорировать деревья и «снимать» только рельеф местности. Поскольку цели для съёмки тахеометром устанавливает человек, из-за деревьев он не всегда видит какие-то особенности рельефа, а при сплошной лидарной съёмке они так или иначе фиксируются. Кроме того, летающий лидар может покрывать огромные площади, на которые у пеших тахеометристов ушли бы многие дни. Но у лидара есть и минусы. Во-первых, он гораздо дороже тахеометра. Во-вторых, съёмка часто бывает избыточной.

Геофизические приборы тоже умеют определять координаты объектов, как тахеометр или лидар, но «смотрят» не на поверхность земли, а под неё. При электроразведке через землю пропускают ток, а при магниторазведке — измеряют величину напряжённости соответствующего поля. Под землёй находятся объекты с разными свойствами (например, металлические предметы или камни), поэтому их электрическое сопротивление отличается и они по-разному влияют на напряжённость магнитного поля. По-разному ведёт себя и грунт с разной плотностью, составом или структурой. Благодаря этому геофизическая разведка позволяет обнаружить под землёй не только металлургическую мастерскую, но и гончарную, и стены, и рвы, и ямы. Но помимо того, что такая съёмка, как и лидарная, довольно дорогая, она имеет и ещё один существенный недостаток: результат работы содержит большое число шумов различной природы, и итоговая картинка загрязнена «ненужными» точками. Причём свойства этого шума могут отличаться в разных регионах, на разных археологических памятниках, часто довольно сильно. Иногда, чтобы геофизики научились различать археологические объекты, требуются несколько лет работы на одном и том же памятнике.

Аэрофотографии и космоснимки используют как дополнительный источник информации. На старых фотографиях с самолёта можно рассмотреть объекты, которые уже не видны — были, например, уничтожены в результате хозяйственной деятельности. Некоторые аэрофотоснимки и почти всегда космоснимки позволяют наблюдать за археологическими памятниками при разном освещении и в разное время года. Неровности рельефа (те, что заметны только под определённым углом) или отличающаяся растительность могут выдавать археологические объекты, которые не видны невооружённым глазом.

Археологи любят дистанционные методы разведки, потому что они быстрее традиционных раскопок, а кроме того, в отличие от различных поисковых инструментов, оставляют культурный слой и археологические объекты нетронутыми. Критикуют дистанционные методы за то, что те не позволяют датировать объекты или датируют их очень широко, в пределах большого временного интервала. Ещё дистанционные методы плохо работают на поселениях, которые существовали долго: на таких памятниках очень много объектов, перекрывающих друг друга, и геофизики далеко не всегда могут их разделить. Есть и другой минус: хотя дистанционные методы сокращают работу «в поле», на обработку результатов нужно довольно много времени, и качество этой обработки зависит от опыта и навыков специалистов.

Авторы нового исследования попытались устранить часть этих проблем с помощью нейросетей. Во-первых, нейросети научили «уравнивать» аэро- и космоснимки с одной стороны и данные других дистанционных методов — с другой. Математическая модель позволяет увеличить плотность облака точек в первом случае (повысить разрешение «картинки») или уменьшить плотность — во втором (уменьшить шум).

Во-вторых, нейросети научили вычленять среди этих точек объекты. Отдельные объекты они определяли с точностью до 96%: укрепления, рвы, жилища и некоторые типы могильников. Например, археологи уже знали, что у Верхнеуральского поселения были укрепления, которые придавали ему в плане прямоугольную форму. Нейросети обнаружили, что ранее существовали другие укрепления и из-за них у поселения была овальная форма. Кроме того, «искусственный интеллект» нашёл остатки построек более позднего, неукреплённого поселения, которое построили поверх руин прежнего. На Левобережном поселении благодаря методам машинного обучения удалось реконструировать, как менялось количество жилищ на разных этапах бронзового века. Они добавили новую информацию и к описаниям могильников той же эпохи.

При этом часть задач нейросетям не удалось решить. Так, они не смогли точно определить входы в поселения и следы колодцев (точность — около 40%). В этом деле пока что не обойтись без участия человека.

Авторы исследования говорят, что их работа имеет и прикладное значение: благодаря нейросетям можно быстрее проводить археологическую экспертизу местности и находить новые археологические памятники, например, перед строительством или чтобы защитить их от другой хозяйственной деятельности человека. Новую методику собираются опробовать на памятниках бронзового века в Северном Синцзяне (Китай) — объекты там похожи и находятся в сходном ландшафте.

Иллюстрации предоставлены Александром Вохминцевым.

Культурный слой — это наслоения, которые отложились в результате деятельности человека (часто — ненамеренной). В нём содержатся все находки, расположение прослоек даёт важную информацию о хронологии (чем глубже прослойка, тем она обычно древнее), а состав слоя позволяет реконструировать древние природные условия. К сожалению, исследовать культурный слой на том или ином участке с помощью раскопок можно только один раз: в процессе работы структура слоя неминуемо уничтожается. Именно поэтому важно, чтобы слои были надёжно зафиксированы на чертежах и фотографиях людьми, которые учатся этому годами. Ущерб, наносимый археологическим памятникам грабителями с металлоискателями, заключается не только в том, что находки расходятся по частным коллекциям. Грабители вытаскивают их из земли, не обращая внимания на культурный слой, фактически уродуя его: окружение предметов, их контекст с массой информации оказываются безвозвратно утрачены.

Комментарии к статье

¹ В исследовании участвовали сотрудники Челябинского государственного университета, Югорского НИИ информационных технологий, Югорского государственного университета, Института геофизики УрО РАН.

² Vokhmintsev A. V., Melnikov A. V., Batanina N. S., Kupriyanova E. V., Muravyev L. A., Romanov M. A. Remote Research of Archaeological Sites of the Southern Trans-Urals Using Geophysics and Machine Learning // Russian Journal of Earth Sciences. 2025. no. 2. pp. 1—5. DOI: https://doi.org/10.2205/2025ES000971.

³ GNSS — Global Navigation Satellite System, дословный перевод — «Глобальная навигационная спутниковая система».

⁴ LiDAR — акроним от «Light Detection and Ranging» — «Обнаружение и определение дальности с помощью света».

№9, 2025