Высокоточная магнитная съемка с использованием БПЛА

Статья
выбрано
energybase

Представлены результаты высокоточной магнитной съемки квантовым магнитометром с использованием беспилотного летательного аппарата (БПЛА). Объектом исследований являлась площадь 10 га (500×200 м) на археологическом памятнике Новая Курья в Западной Сибири.

Точность регистрации модуля индукции геомагнитного поля была не ниже 0,3 нТл. Пространственная точность координат GPS лежит в субметровом диапазоне. Выявлены магнитные аномалии, вызванные древними курганами, с амплитудой до 5−10 нТл. Методика выделения таких низкоамплитудных аномалий включала учет геомагнитных вариаций внешнего поля, регионального аномального поля и использование ряда алгоритмов статистической обработки первичных данных. Выявленные магнитные аномалии позволяют достоверно определить особенности устройства и размеры курганов, в том числе не выраженных в рельефе.

Полученная информация дает возможность на качественно ином уровне планировать стратегию археологического изучения данного памятника. Отмечается перспективность дальнейшей разработки и использования рассматриваемой технологии для решения археологических задач.

Авторы статьи: Е. В. Балков, П. Г. Дядьков, О. А. Позднякова, Д. А. Кулешов, Н. Д. Евменов, Ю. Г. Карин, Д. А. Гоглев

Введение

Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука и Институт археологии и этнографии Сибирского отделения Российской академии наук сотрудничают уже более 20 лет. За это время выполнен большой объём работ по проведению геофизических исследований (магниторазведка и электроразведка) для поиска и изучения погребенных археологических объектов [1]. В основном для этих целей использовалась наземная магнитная съёмка, с помощью которой очень хорошо выделялись магнитные аномалии величиной несколько нанотесла (нТл), соответствующие археологическим объектам различного типа (погребения, ритуальные и хозяйственные ямы, жилища и т. п.). Также удавалось достоверно фиксировать более масштабные сооружения — курганы, визуальные признаки которых были полностью утрачены [2]. Анализ карт магнитных аномалий позволял установить особенности их устройства еще до начала археологических раскопок. Однако не всегда условия для проведения наземных работ благоприятны (высокая растительность, заболоченность и т. д.), поэтому существует необходимость разработки и применения новых альтернативных технологий магнитной съемки. При этом нужно учитывать, что для поиска археологических объектов необходима более высокая точность измерений, а также достаточная близость съёмки к поверхности земли (обычно первые метры). Активно развивающееся направление съемок с использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) открывает для магниторазведки, в том числе и археологической, широкие перспективы. Известно, что в настоящее время для таких задач выпущена специальная аппаратура фирмами «Geometrics» (США) и «Геоскан» (Россия). Хотя объем аэромагнитных съемок с использованием БПЛА в настоящее время существенно возрос, примеров таких работ на археологических памятниках пока немного [3−5]. В рамках данного исследования была выполнена магнитная съёмка с помощью БПЛА на курганном могильнике Новая Курья. Памятник расположен на гриве, в северной части Кулундинской степи (Карасукский район Новосибирской области, РФ). Представлен 8 округлыми насыпями, диаметром 20−35 м и высотой 0,2−0,7 м. Некрополь, вероятнее всего, относится к эпохе кочевников (середина I тыс. до н. э. — конец I тыс. н. э.). Поверхность археологического памятника подвергалась неоднократной распашке, что существенно повлияло на параметры курганов и могло уничтожить внешние признаки некоторых из них. На этапе подготовки к археологическим исследованиям необходимо было получить информацию о границах памятника и особенностях устройства курганов, что позволило бы более обоснованно планировать стратегию археологического изучения. Целью проведенных работ была оценка перспектив использования низковысотной аэромагнитной съемки для поиска и определения структурных особенностей курганов.

Методика магнитной съемки и аппаратура

Аэромагнитная съемка выполнялась в 2019 г. на курганном могильнике Новая Курья специально разработанным комплексом «Геоскан 401 Геофизика» [5], в котором в качестве носителя использован «Геоскан 401» — квадрокоптер промышленного класса, способный выполнять полёты по заданному маршруту. В качестве магнитометра использовался компактный и высокоточный квантовый магнитометр, сконструированный специалистами ГК Геоскан. Общая площадь съемки составила около 10 Га (500−200 м). Таким образом, суммарная длина профилей составила около 100 км. Расстояние между профилями — около 1 м. Частота измерений магнитометра — 10 Гц, что при средней скорости полёта 5 м/с соответствует расстоянию между соседними замерами около 0,5 м. Девиационная погрешность измерений модуля вектора индукции геомагнитного поля датчиком Geoscan не превышает 0,3 нТл. Для учёта влияния солнечно-суточных геомагнитных вариаций использовалась протонная магнитовариационная станция MВ-07М, точность регистрации модуля вектора магнитной индукции которой не хуже, чем 0,1 нТ. Точность датчика GPS соответствовала области субметрового диапазона. Фото с места проведения работ, используемый БПЛА и квантовый магнитометр представлены на рис. 1.

Рис. 1. БПЛА «Геоскан 401» (слева) и квантовый магнитометр (справа) при проведении магнитной съёмки на археологическом могильнике Новая Курья, 2019 г.
Рис. 1. БПЛА «Геоскан 401» (слева) и квантовый магнитометр (справа) при проведении магнитной съёмки на археологическом могильнике Новая Курья, 2019 г.

Полученные результаты

Из всех серий пролетов в качестве ближайших по высоте к объектам и наиболее полно охватывающих исследуемую территорию были выбраны пролеты на высотах в интервале от 2 до 5 м (рис. 2).

Рис. 2. Google-карта с точками замеров в высотном окне 2–5 м (слева) и ее фрагмент с обозначениями рельефно выраженных курганов (справа)
Рис. 2. Google-карта с точками замеров в высотном окне 2−5 м (слева) и ее фрагмент с обозначениями рельефно выраженных курганов (справа)

Для обработки полученной первичной информации был предложен и реализован следующий порядок действий.

Во-первых, был произведен учет внешних геомагнитных вариаций путем вычитания из каждого измеренного значения магнитного поля на профиле значений поля на вариационной станции.

Во-вторых, методом кригинга выполнена интерполяция полученных значений по сетке 1×1 м, всего для ~ 100 000 узлов.

Далее, с целью учета и исключения регионального магнитного поля Fрег, выбрано 300 точек, расположенных вне зон влияния локальных магнитных аномалий, обусловленных как археологическими объектами, так и возможными современными железными предметами. Для построения карты регионального поля с аналогичной сеткой 1×1 м был вновь использован метод кригинга (рис. 3), после чего значения регионального поля Fрег были вычтены из соответствующих значений поля Fa.

Для уменьшения локальных вариаций итоговых значений поля, обусловленных неравномерностью галсов полета квадрокоптера, было проведено сглаживание массива данных плавающим окном 3×3 точки. Окончательные результаты приведены на рис. 4.

Рис. 3. Первичное поле Fa (слева) и региональное магнитное поле Fрег (справа)
Рис. 3. Первичное поле Fa (слева) и региональное магнитное поле Fрег (справа)

Рис. 4. Карта аномального магнитного поля Fa (после исключения региональной аномалии) на археологическом памятнике Новая Курья (слева) и фрагмент участка (справа), где расположены курганы, нумерация которых показана на рис. 2
Рис. 4. Карта аномального магнитного поля Fa (после исключения региональной аномалии) на археологическом памятнике Новая Курья (слева) и фрагмент участка (справа), где расположены курганы, нумерация которых показана на рис. 2

На момент проведения магнитной съемки проводились археологические исследования кургана 5. Этот раскоп хорошо фиксируется на полученных картах. Реализация предложенного и описанного выше методического подхода к обработке данных позволила многократно повысить детальность отображения отдельных элементов структуры курганов в аномальном магнитном поле. Это также позволило выявить археологические объекты между курганами 3 и 4 (см. рис. 4), которые визуально не фиксируются и, по-видимому, представляют собой полностью распаханные курганы. На итоговом рис. 4 в аномальном поле хорошо видны рвы, признаки которых на поверхности отсутствуют. Это позволяет точно определять границы курганов. В центре хорошо выделяются положительные аномалии, связанные с нарушениями насыпей в процессе их ограбления. В центральной части некоторых курганов (например 2 и 3) выделены круговые положительные аномалии диаметром до 12−14 м, предположительно связанные с особенностями структуры насыпи либо с устройством подкурганной площадки.

Анализ полученной в результате исследования карты аномального магнитного поля позволяет определить границы памятника и уверенно судить об отсутствии археологических объектов подобного рода на остальном участке съемки. Это имеет большое значение для планирования археологических работ и для постановки памятника на государственный учет.

Заключение

Использование БПЛА в магниторазведке в археологии позволяет добиться значительной производительности съёмки по сравнению с наземной. При этом техническая точность приборов, устанавливаемых на БПЛА, не хуже аналогичной при наземной съёмке. Но для достижения такой же детализации необходимо использовать дифференциальные GPS приёмники (RTK), тогда пространственная точность измерений приблизится к субдециметровой, что повысит детализацию наблюдаемых аномалий.

Использованная методика проведения магнитной съемки с применением БПЛА на курганном могильнике Новая Курья позволила выявить магнитные аномалии величиной до 5−10 нТл, обусловленные археологическими объектами — курганами. Полученное разрешение и детальность карты аномального поля позволяют оценить особенности устройства курганов, в том числе не выраженных в рельефе.

Данная методика является универсальной и применима также для поиска нефти, газа и других полезных ископаемых, если наблюдаемая магнитная контрастность объектов и вмещающих пород такова, что аномальное магнитное поле от них составляет не менее первых единиц нТл на минимально заданной высоте съемки, определяемой рельефом и особенностями местности.

Используемая литература

1. Epov M. I., Molodin V. I., Manshtein A. K., Balkov E. V., Dyadkov P. G., Matasova G. G., Kazansky A. Yu., Bortnikova S. B., Pozdnyakova O. A., Karin Yu. G., Kuleshov D. A. Integrated Archaeological and Geophysical studies in West Siberia. Russian Geology and Geophysics, 2016, vol. 57, I.3, p. 473−482.

2. Дядьков П. Г., Позднякова О. А. Итоги и перспективы применения метода магнитометрии для изучения археологических памятников Западной Сибири // Мультидисциплинарные методы в археологии: новейшие итоги и перспективы: Материалы международного симпозиума «Мультидисциплинарные методы в археологии: новейшие итоги и перспективы» (Новосибирск, 22−26 июня 2015 г.). Новосибирск, 2017. С. 60−68.

3. Эпов М. И., Молодин В. И., Позднякова О. А., Злыгостев И. Н., Фирсов А. П., Савлук А. В., Колесов А. С., Дядьков П. Г. Опыт магнитометрического картирования археологических памятников с использованием беспилотных летательных аппаратов // Проблемы археологии, этнографии, антропологии Сибири и сопредельных территорий. Новосибирск: Изд-во ИАЭТ СО РАН, 2016. Т. 22. С. 478−282.

4. Тишкин А. А., Фирсов А. П., Злыгостев И. Н., Савлук А. В., Колесов А. С., Шеремет А. С. Магнитометрическая съемка (царского) кургана и ближайшей территории на археологическом памятнике Урочище Балчикова-3 с помощью беспилотного летательного аппарата // Теория и практика археологических исследований. 2017. № 4 (20). С. 103−111.

5. Гоглев Д. А. Маловысотная аэромагнитная съёмка с применением беспилотных воздушных систем на базе квадрокоптера в археологии // Геопрофи. 2018. Т. 6. С. 20−22.