За последние 12 лет цифровая документация стала неотъемлемой частью большинства археологических проектов. Сложные геодезические приборы, дроны и лазерные сканеры повсеместно используются для упрощения и ускорения процессов археологической фиксации. Пожалуй, самым распространенным цифровым методом документации стала фотограмметрия (SfM, Structure from Motion), стремительно завоевавшая любовь археологов всего мира благодаря кажущейся простоте полевой съемки, сравнительной доступности инструментов для обработки и интуитивной простоте интерпретации получаемых данных.
Исключительная гибкость метода, допускающая использование единого подхода как при работе с огромными территориями (типа античного города), так и при сканировании небольших объектов (таких как мелкие архитектурные детали или орнаментированные элементы), открывает широкие возможности для выстраивания достаточно сложных логистических процессов обмена данными в больших проектах. При этом потенциал интеграции различных типов данных достаточно высок, поскольку, используя один и тот же метод полевой фиксации, мы имеем возможность получить на выходе весьма разнообразную информацию: так, из одной трехмерной модели мы можем извлечь информацию о высотных и структурных характеристиках обследуемой поверхности, о визуальных особенностях объектов – их текстуре, об их геометрических свойствах. Несомненно, все эти сведения представляют исключительную важность не только для интерпретации исследуемого памятника, но и для планирования его дальнейшей судьбы. Речь здесь может идти о проектах развития территорий (в структурах типа музея-заповедника, включающих в себя принципиально разнородные объекты: историко-культурные ландшафты, археологические памятники, объекты архитектуры) или консервации и реставрации отдельных памятников (археологии и, прежде всего, архитектуры). В успешности подобного рода предприятий ключевую роль играет строгая организация сбора и хранения данных.
При работе с обширными территориями и площадными пространственными данными оптимальной структурой для организации информации представляется классическая геоинформационная система (ГИС). Применение ГИС позволяет взаимодействовать со значительным количеством типов данных и наглядно организовать их представление, использовать массу хорошо разработанных инструментов. Немаловажен и тот факт, что применение ГИС-методов в археологии хорошо укоренено и не требует дополнительных обоснований. Что касается исходного трехмерного объекта, такого как архитектурное сооружение, то здесь традиционная форма ГИС не совсем удовлетворяет имеющимся данным (ГИС с самого начала разрабатывались как двухмерные структуры, если и отображающие информацию о третьем измерении, то опосредованно, через систему условных обозначений).
В последние годы в археологию и охрану культурного наследия активно начинает проникать подход, заимствованный из современных архитектурных и строительных технологий, – BIM (Building Information Modelling). Применение BIM для описания архитектурных сооружений со сложной историей развития и изучения логично, поскольку позволяет создать на основе традиционных трехмерных данных (полигональной модели или трехмерного облака точек) насыщенную семантическую и параметрическую модель, комплексно описывающую памятник и выстраивающую взаимную зависимость отдельных ее элементов. Происходит это путем разбиения исходной модели на элементарные, связанные друг с другом составляющие (определяемые каждый раз контекстуально, исходя из поставленных задач), которым присваиваются определенные наборы свойств и описаний. Изменение одного параметра влечет за собой изменения всех связанных с ним элементов. Сочетание фотограмметрического метода получения исходных данных с BIM-представлением информации все еще находится на этапе экспериментального изучения, однако постепенно становится все более популярным и в ближайшем будущем может стать международным стандартом в работе со сложными объектами культурного наследия.
В этой статье на примере проведенной нами работы на Триумфальной Арке Пальмиры мы рассмотрим возможности интеграции данных трехмерного моделирования методом фотограмметрии в проекте реставрации сложного архитектурного объекта, в значительном своем объеме разрушенного взрывом. Мы коснемся, прежде всего, полевой части работы и сосредоточимся на особенностях сбора и организации данных. Вторая часть, касающаяся кабинетной работы по интеграции и преобразованию различных исходных материалов в итоговую исследовательскую модель, представлена нашими коллегами в следующей статье этого сборника (см. статью Малай и др. в настоящем сборнике).
Материалы и методы
Арка Пальмиры стала одним из трех важнейших объектов памятника всемирного наследия ЮНЕСКО «Археологические памятники Пальмиры», пострадавшим от рук террористов в 2015 г. В конце лета – начале осени 2015 г. наиболее сохранившиеся всемирно известные, знаковые для сирийского общества и европейской цивилизации сооружения Пальмиры были заминированы и взорваны боевиками запрещенной в России организации ИГИЛ (ДАЕШ)*. Так погибли храм Бэла, храм Баалшамина и Триумфальная Арка Большой колонной улицы Пальмиры.
На Арке заряды были заложены на центральных пилонах (вероятно, подрыв производился дважды), взрыв привел к практически полному уничтожению пилона A (сохранился на высоту до 0,70 м от дневной поверхности), частичному развалу остальных центральных пилонов на уровне выше 3,5 м и полному разрушению сводов арок и стен между пилонами (рис. 1). Боковые пилоны устояли при взрыве. Разлет обломков в результате взрыва для большинства фрагментов не превысил 6 м. Образовавшаяся груда обломков частично накрыла основания пилонов, вокруг которых сложился многослойный завал высотой до 3,7 м, состоящий из крупных блоков, фрагментированных обломков и мелкого щебня; мелкие фрагменты оказались отброшены взрывной волной дальше от центра, крупные упали вблизи оснований пилонов. В таком состоянии развал Арки просуществовал с октября 2015 до марта 2022 г. За это время некоторые элементы завала успели покрыться эоловыми отложениями, его подножие поросло пустынной растительностью.
Рисунок 1. Схема Триумфальной Арки Пальмиры с указанием зон разрушений
Первые этапы посттравматического реагирования на разрушение объекта культурного наследия предполагают подробную документацию и оценку состояния памятника (ICOMOS, 2017). В случае с объектом, разрушенным взрывом, единственный способ создать полноценную документацию – это разборка завала и его послойное исследование с сохранением и фиксацией каждого элемента, напоминающее по своей структуре традиционные археологические раскопки. Основным инструментом решения этих задач нашим коллективом был избран подход создания трехмерных моделей различной сложности. Весь рабочий процесс по цифровому сопровождению посттравматического реагирования был структурирован нами следующим образом (рис. 2):
- первичная документация – создание модели видимой поверхности развала в его состоянии непосредственно после взрыва;
- построение базовой упрощенной модели для предварительного анализа, позволяющей провести выделение видимых на поверхности блоков, подсчет сохранившихся элементов и планирование дальнейших работ по документации развала;
- послойная разборка развала и трехмерное моделирование каждого сохранившегося элемента Арки;
- виртуальная реконструкция Арки и размещение выявленных сохранившихся элементов на исходных местах в пространстве модели.
Рисунок 2. Структура рабочего процесса по цифровому сопровождению посттравматичесского реагирования
Одной из основных проблем, стоящих перед специалистом, планирующим использовать в своем аналитическом процессе BIM-подходы и фотограмметрию, всегда становится упрощение моделей и экспериментальный поиск оптимального соотношения простоты и точности. Программные продукты, рассчитанные на архитекторов и проектировщиков, обычно имеют дело с простыми формами, спроектированными «с чистого листа», и не подразумевают использование многополигональных объектов исключительно сложной формы, с которыми обычно имеют дело археологи. Существуют различные способы решения этой задачи: от полного перемоделирования каждого объекта ручными или алгоритмическими средствами до отказа от использования полигональных моделей и обращения к облакам точек как к конечным носителям археологической информации. При этом сохранить информацию о поверхности и текстуре каждого элемента представляется чрезвычайно важным, и оптимальным решением здесь видится создание двойного архива моделей: для целей хранения исходной информации создается высокополигональная модель с максимально доступным количеством поверхностей, а для текущей работы в трехмерной среде производится ее упрощенная копия путем ретопологии поверхности (применения децимации и фильтрации), для каждого проекта наилучшее соотношение количества полигонов и точности передачи формы подбирается экспериментальным путем.
Полученные результаты
Первичная документация была проведена методом фотограмметрии, комбинируя аэрофотосъемку с БПЛА и наземную фотосъемку. При аэрофотосъемке использовался октокоптер, оснащенный камерой Sony α6000 с объективом 20 мм, наземная съемка велась на фотоаппарат Canon 5D Mark III c объективом 24 мм. Геодезическая основа создана методом спутниковой геодезии спутниковым приемником Spectra Epoch 60 и развита в сеть реперов тахометром Leica TS07 5”. На основе этих полевых работ нами при поддержке отдела обработки данных дистанционного зондирования земли группы компаний «Геоскан», используя программу фотограмметрической реконструкции Agisoft Metashape, была создана трехмерная модель развала, состоящая из более чем 32 млн полигонов. Модель геопривязана в системе координат WGS 84 UTM 37 N, что позволяло проводить первые измерения и анализ состояния объекта. На основе этой модели были проведены примерные предварительные подсчеты количества блоков в развале и сделаны расчеты, необходимые для планирования последующей разборки завала.
В рамках анализа состояния Арки по первичной модели были выделены модели видимых поверхностей отдельных крупных блоков, на основании которых были предварительно посчитаны их параметры, исходя из которых они были смоделированы в программе BIM-моделирования Autodesk Revit, где была создана первая рабочая параметрическая модель Арки (рис. 3). Наличие такой модели с указанием уже идентифицированных на поверхности блоков до начала масштабных полевых работ существенно упростило все этапы планирования и помогло организовать процесс документации и архивирования данных об отдельных сохранившихся элементах Арки.
Рисунок 3. Параметрическая первичная модель Арки в среде Autodesk Revit
На втором этапе были произведены собственно масштабные полевые работы по разбору завала. Основные принципы, которые мы учитывали при организации перемещения камней из завала в лапидарий, – максимальное сохранение информации о положении объектов, максимальное сохранение физической целостности объекта при воздействии на него в процессе перемещения и обеспечение безопасного хранения в лапидарии с возможностью удобного и постоянного доступа для сканирования (рис. 4).
Рисунок 4. Схема лапидария
В начале разборки поверхность завала расчищалась от мелкой крошки, эоловых отложений и растительности, затем выбирался камень, наиболее доступно расположенный в структуре завала, извлечение которого не повлекло бы за собой обрушение всей шаткой структуры. Положение камня фиксировалось либо на имеющейся первичной модели поверхности завала, либо (если камень находился в нижних слоях) с помощью фиксации положения углов камня тахеометрической съемкой. Камень, отбираемый для сканирования, должен был обладать одним из следующих признаков, которые позволили бы идентифицировать положение камня в Арке до взрыва: 1) размер более 0,02 куб. м, либо 2) наличие декора или обработанной плоскости. Камни, не соответствовавшие хотя бы одному из этих критериев, признавались не имеющими признаков идентификации и в основном являлись мелким бутовым заполнением. Отобранный для перемещения камень маркировался и заносился в специально разработанную опись камней. Сквозная проектная маркировка всех отобранных каменных блоков основывалась на маркировке пилонов Робера Ами, заданной при реставрации 1930-х гг. Основа маркировки была задана при анализе первичной модели поверхности развала, а при открытии новых слоев развала она дополнялась.
Отобранные и промаркированные камни перемещались в лапидарий при помощи ручного труда и тяжелой техники (кранов-подъемников). Лапидарий планировался таким образом, чтобы обеспечить: безопасное хранение каменей на период до начала восстановительных работ; удобное сканирование камней; доступ к фасадным (орнаментированным) частям камня для посещающих Пальмиру туристов.
При устройстве лапидария соблюдались следующие требования:
- камни, происходящие из одного участка развала должны располагаться достаточно компактно;
- камни не должны увозиться на большое расстояние от разбираемого объекта;
- камни располагаются так, чтобы между ними могла безопасно проезжать тяжелая техника;
- камни не должны располагаться на известных и видимых на поверхности археологических объектах;
- минимальное расстояние между камнями составляет 1,5 м для обеспечения сканирования и свободного прохода;
- камни устанавливаются на тыльную сторону для обеспечения доступа к фасадной плоскости.
Всего таким образом в лапидарий было перемещено 1440 камней из завала, остальное колотое заполнение было определено как мелкий щебень и было перемещено в специально отведенное место на краю лапидария.
Лапидарий служил также площадкой для сканирования отобранных фрагментов. В качестве способа создания трехмерных моделей камней был избран метод сканирования структурированной подсветкой (SLS). Рабочим инструментом здесь выступал сканер Artec Eva 3D. Устройство подсвечивает фиксируемую область структурированным светом, отраженный свет улавливается одновременно двумя камерами, и программное обеспечение, используя алгоритмы, схожие с фотограмметрическими, восстанавливает геометрию объекта, а также текстурную информацию. Использование сканера в сравнении с классической фотограмметрией позволяет существенно сэкономить трудозатраты на построение отдельных небольших моделей. Отдельной проблемой стал яркий солнечный свет, мешающий камерам сканера улавливать собственный свет, что существенно сказывалось на скорости, эффективности и качестве построения моделей. Решением стало использование мобильного укрытия, собранного из легкой арматуры (стойки палаток) и брезентовой ткани. Следует отметить, что в сентябре интенсивность солнечного света на широте Пальмиры оказалась значительно ниже, чем в апреле и мае, отраженный солнечный свет, проникающий под полог укрытия, не мешал работе в осеннее время, весной же представлял определенную проблему. Другим способом преодоления этой сложности стало сканирование в сумерки и в вечернее время.
Для сканирования отбирались камни из лапидария, соответствующие следующим критериям:
- параметр одной из поверхностей более 0,2 м;
- аутентичность (то есть камень, не замещенный в ходе реставрации Ами);
- наличие обработанной поверхности.
Камни, не отвечающие этим требованиям, являлись не идентифицируемцыми обломками и не могли использоваться в виртуальной реконструкции, и, соответственно, не сканировались. По этим критериям было отобрано и отсканировано 477 камней. Сканирование структурированной подсветкой создает исключительно высокополигональные модели, число поверхностей в них может достигать 50 или 100 млн, среднее значение колеблется около 5–10 млн полигонов. Для использования их в средах трехмерного моделирования или BIM-программах неизбежно требуется упрощение моделей. Экспериментально для камней Арки Пальмиры было установлено, что возможно провести упрощение модели методом децимации без значительной потери информации о формальных особенностях камня, снижая количество полигонов до 20–30 тысяч в среднем (рис. 5). Для этого камни были условно разделены на три категории: крупные обильно декорированные камни сложной формы; крупные камни простой формы без сложного орнамента; мелкие камни с декором. Для сложных камней допустимое значение полигонажа определялось в 50 000, для простых и мелких – от 1000 до 30 000. Таким образом оптимизированные модели легко в последующем интегрируются в BIM-среду или в программу трехмерного моделирования, не «утяжеляют» итоговые построения и позволяют сохранить всю основную информацию об исследуемом объекте. При необходимости уточнить какие-то детали, которые могли быть утрачены при упрощении модели, у исследователя всегда есть возможность обратиться к архиву камней, в котором хранятся оба варианта модели – исходные полноразмерные и «легкие» упрощенные.
Рисунок 5. Схема упрощения моделей камней
После окончания разборки завала стало возможным перейти к следующему шагу документации – фиксации сохранившихся in situ частей сооружения. Поскольку одним из этапов посттравматического реагирования стало полноценное археологическое исследование основания Арки и окружающего ее культурного слоя, фиксация устоявших пилонов была разбита на несколько итераций. В первую очередь методом фотограмметрии была изготовлена модель состояния арки сразу после расчистки завала. Эта модель применялась нами в дальнейшем лишь как промежуточная фиксационная модель.
Вторая модель была построена одновременно с началом раскопок. Здесь было уделено особое внимание детальности и точности документации состояния Арки, при съемке было сделано более 1000 снимков, из которых была построена модель, состоящая из 18 млн полигонов. Такая детализация позволяет выделять на твердотельной нетекстурированной модели элементы мелкого орнамента и трещины в блоках.
После окончания раскопок и раскрытия планов фундамента Арки была снята еще одна – финальная модель, в которой основное внимание уделялось именно раскрытым элементам в основании сооружения. Здесь использовалась комбинация съемок с квадрокоптера и зеркального полноматричного фотоаппарата Canon 5D Mark III.
Выбор пути множественных итераций в моделировании одного объекта позволил нам оптимально организовать логистику съемок (параллельно процессу раскопок), точно расставить акценты на каждом этапе съемки и добиться наилучшего результата в каждом случае, создать контрольные материалы, позволяющие проверять точность съемки моделей относительно друг друга (рис. 6). Во всех случаях для построения моделей использовалась программа Agisoft Metashape, снимки координировались в системе координат WGS 84 UTM 37 N от сети реперов, развитой с опорой на заложенные на первом этапе съемки (в 2019 г. при поддержке МИИГАиК) базовые репера.
Рисунок 6. Модель устоявших конструкций Арки с расчетами достоверности
Обсуждение
Полученные таким образом данные стали основой для создания информационной модели Триумфальной Арки Пальмиры (рис. 7), которая стала базой для построения исторических реконструкций Арки и проектирования реставрационных работ. Можно выделить две категории документированных нами элементов: сохранившиеся части архитектурного сооружения, стоящие in situ, и отдельные фрагментированные в той или иной степени блоки, из которых состояла Арка. В каждом случае применялся свой метод документации, оптимизированный для максимально быстрого и точного получения данных. Конечная цель нашей работы – обеспечить интеграцию этих двух категорий в едином информационном пространстве. Полученный полевой опыт подтвердил тезис, на который мы опирались при планировании работ, – избранные методики фиксации – фотограмметрия (SfM) и сканирование структурированной подсветкой (SLS) – позволяют практически бесшовно объединять данные съемок и дают возможность избежать множества промежуточных шагов по обработке и подготовке моделей и облаков точек, которые были бы неизбежны в случае применения лазерного сканирования.
Рисунок 7. Модель Арки в среде 3D Studio Max
Единственная операция, которая неизбежна для оптимизации работы с большими объемами трехмерных данных, – упрощение моделей из высокополигональных в низкополигональные. Однако и для этой операции мы нашли подходящий рабочий процесс в тех же программных продуктах, в которых производились основные построения (Agisoft Metashape для фотограмметрии и Artec Studio для SLS). За счет уменьшения количества отдельных шагов в рабочем процессе нам удалось значительно сэкономить время подготовки моделей для включения в BIM и снизить количество ошибок и недочетов, неизбежных при постоянных переходах из одной программой среды в другую.
Что касается самой процедуры упрощения, то здесь стоит отметить, что алгоритмы децимации, использующиеся в обеих рабочих программах, позволяют радикально уменьшать число полигонов в моделях без критической потери информации о форме и структуре объекта. Важно отметить, что это работает только в тех случаях, когда исходная упрощаемая модель обладает высокой достоверностью и детальностью. Это было необходимо учитывать при каждой полевой съемке и последующей обработке: получение данных с низкой или средней достоверностью (часто допустимое и, увы, еще чаще допускаемое при обычной археологической фиксации) в нашем случае приводило к полной утрате сведений о мелких деталях формы объектов.
Интеграция всех собранных данных в единую информационную модель позволяет создать многокомпонентный инструмент анализа, реконструкции и проектирования применительно к конкретному архитектурно-археологическому объекту. Отказ от ручного перемоделирования каждого элемента позволил добиться высокой степени аутентичности создаваемой цифровой копии, что чрезвычайно важно при работе с объектами культурного наследия, где в основном недопустимы унификация или стандартизация составляющих (ср. противоположный подход, принципиально основанный на необходимости перемоделирования элементов и поиске соответствующих алгоритмических решений). Как представляется, наработанные методики документации для целей информационного моделирования могут быть с успехом применены во множестве иных контекстов, не подразумевающих воссоздания разрушенных памятников.
Один из возможных примеров – традиционные археологические исследования с переносом исследуемого памятника для музеефикации. В этом случае потребуется минимальная адаптация методик съемки с тем, чтобы одновременно использовать собираемые данные как для целей археологической фиксации, так и для последующего создания BIM-модели объекта.
Перспективным видится использование BIM-подхода в административно-учетной среде, где потребности в стандартизации и выработке единых критериев описания значительно выше, чем в академических кругах. Несомненно, для этих целей также потребуется некоторая адаптация методик документации, однако нам представляется, что принципы, выработанные при работах с Аркой Пальмиры, могут внести некоторый вклад в построение надежного базиса для дальнейшего развития всего направления.
Заключение
Описанная выше методика позволила нам получить рабочую параметрическую модель сложного архитектурно-археологического объекта, основанную на полевой фотограмметрический документации. Собранные данные стали фундаментом для исторических реконструкций и проектировочных решений, предложенных в других статьях настоящего сборника. Интеграция данных разного масштаба и происхождения в единой среде, а также необходимость разработки общих стандартов обмена данными представляются нам ключевыми насущными задачами в развитии подходов к цифровой документации наследия, вне зависимости от конкретных областей применения – от сугубо академических, до административно-учетных. Не вызывает сомнения, что инициатива по выработке такого рода стандартов должна исходить от специалистов, непосредственно занимающихся полевой документацией. Наша работа показала высокую эффективность BIM-подхода на всех стадиях работы с непростым и сильно пострадавшим памятником, начиная от планирования сбора данных до создания итоговых моделей. Надеемся, что этот пример станет одной из опорных точек для дальнейшего развития методики сохранения объектов культурного наследия.
Проект «Реставрация Триумфальной Арки Пальмиры»
3D-наследие: сохраняя культуру
Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.
Авторы статьи: Блохин Е.К., Малай Р.С., Низов Я.А. (все — Институт истории материальной культуры РАН, Центр спасательной археологии, Санкт-Петербург, Россия).
Опубликовано в Бюллетене Института истории материальной культуры РАН (охранная археология) № 13, 2022, с.65-80.
*Организация, деятельность которой запрещена на территории Российской Федерации