ГИС для изучения исторического наследия в Петре, Иордания Набатейская архитектура и Солнце

GIS for Cultural Heritage Discovery in Petra, Jordan

Технология геоинформационных систем помогает в изучении и сохранении города Петра на территории современной Иордании – всемирно известного объекта культурного наследия, таинственного и затерявшегося во времени творения набатеев. Это удивительное сокровище древнего мира, сокрытое в высоких розовых скалах узкой долины в Аравийской пустыне, в настоящее время ежегодно посещает около миллиона туристов. Сформированная и постоянно развивающаяся ГИС Петры помогает найти ответы на многие вопросы, связанные с архитектурой городских построек и жизнью его обитателей многие сотни лет назад, а также с причинами его ускоренного разрушения в наши дни. ГИС применяется и для решения других научно-исторических задач, таких, например, как знания древних народов о космографии и значении Солнца в их верованиях и действиях.

Петра – знаменитый археологический объект, в 1985 году внесенный ЮНЭСКО в список всемирного культурного наследия, расположен в пустыне в юго-западной части Иордании, в 150 км к юго-востоку от Иерусалима. Город, основанный в 300 году до н.э., был столицей древнего Набатейского царства и располагался на перекрёстке двух важнейших торговых путей, соединявших Красное море с Дамаском и Персидский залив с Газой на побережье Средиземного моря; в нем путешественники находили пищу, кров и прохладную живительную воду. Классические сооружения Петры воздвигались в различные эпохи и при разных хозяевах, значительная их часть высечена в скалах из розового песчаника, благодаря чему его назвали «Розовым городом». Сотни лет торговля приносила городу большое богатство. Теперь он известен пещерными жилищами, гробницами и храмами, среди его многочисленных достопримечательностей выделяется храм Эль-Хазне («Сокровищница») высотой 45м, изящно украшенный в греческом стиле.

Стивен Спилберг снял финальные сцены фильма «Индиана Джонс и последний крестовый поход» в Петре в 1989 году. Его популярность обеспечила городу заметное место в экскурсионных маршрутах и списках объектов, где обязательно нужно побывать. После выхода фильма ежегодное количество посетителей Петры выросло с 30 тысяч до почти миллиона человек.

ГИС Петры

Более 25 лет назад был начат и продолжает развиваться исследовательский проект, направленный на изучение разнообразных ландшафтов, характерных особенностей архитектуры и планирования Петры. А также на получение понимания кумулятивного воздействия природных условий и человеческой деятельности на прошлое и современное состояние и сохранность этого уникального памятника истории. Постепенно его участниками была создана сложная система для накопления разнообразной информации, ее хранения, обработки, отображения и анализа. В этом проекте широко используются геопространственные технологии, создана и постепенно расширяется комплексная геоинформационная система (ГИС Петры), включающая цифровую модель рельефа территории, спутниковые и аэрофотоснимки, данные полевых наблюдений, цифровые карты и прочие материалы.

ГИС Петры функционирует как модель археологического ландшафта. Помимо своей природоохранной цели, она направлена на то, чтобы помочь исследователям ответить на важные вопросы, например, почему кочевые набатейцы, которые накопили огромное богатство, контролируя торговлю драгоценными товарами, решили поселиться в этом окруженном обширной пустыней районе и построить один из самых зрелищно привлекательных городов древнего мира. А также чтобы объяснить, почему состояние тысячелетних памятников в Петре резко ухудшилось в последнее время.

ГИС Петры играет ключевую роль и в качестве комплексной базы данных, на основе которых можно развивать зоны управления территорией, например, те, которые используются в городском планировании. Зоны управления определяют соответствующие виды использования земель и другие условия в данной области. ГИС также предоставляет основу для автоматизированной системы мониторинга, которая начинает все шире использоваться для детального обнаружения изменений в текущих условиях, которые, если их не контролировать, в конечном итоге уничтожат ценные археологические реликвии.

ГИС для интерпретации данных и сохранения наследия

Многолетние полевые исследования в Петре, проводимые Департаментом геонаук Университета Арканзаса, первоначально включали оценку темпов выветривания песчаника на объектах Петры. Затем ученые попытались связать различные аспекты изменения местного ландшафта и его физических компонентов с применением ряда методов, таких как идентификация, измерение и картирование лишайников, оценка климатических воздействий, в том числе атмосферных осадков, на окружающую среду и ряд других. Исследователи использовали возможности ГИС на платформе ArcGIS для анализа изображений ландшафта Петры таким образом, чтобы подчеркнуть изменения в региональной гидрологии, в том числе вызванные развитием туризма в близлежащих населенных пунктах. Анализ показал, что эти изменения значительно увеличили темпы структурных разрушений в Петре. В частности, строительство дорог, отелей, ресторанов и других сервисных удобств для посетителей создало непроницаемые поверхности, которые предотвращают поглощение дождевого стока. Во время редких, но интенсивных штормов эта вода устремляется в каньон, где находятся гробницы. Вода, которая содержит соль, поглощается пористым песчаником и нарушает его целостную структуру. Этот циклический процесс постепенно уничтожает нежные фасады гробниц. Преобразования в Петре и окрестностях также разрушили древние набатейские сельскохозяйственные террасы, заграждения и каналы, направлявшие воду в цистерны и водохранилища для нужд примерно 30 000 человек, которые когда-то населяли этот район.

Исследования в Петре на метровом уровне детальности также помогают изучать как естественные воздействия, такие как влияние солнечного света, так и антропогенные факторы. По мере того как исследователи изучают больше поверхностей, памятников, фасадов и сооружений, они пространственно соотносят в ArcGIS свои данные с особенностями погодных условий, размерами и степенью разрушения объектов. Детальные измерения, картирование и оценка этих особенностей и поверхностей все чаще оказываются полезными для анализа воздействия антропогенных и природных факторов на крупные объекты, созданные человеком в древности.


Общий вид на Петру с деревней бедуинов Умм-Сайхун (вверху справа) и соседним городом Вади-Муса (внизу справа). Синие линии представляют временные водотоки (вади), а красные кубики — GPS-маркеры на основных фасадах гробниц.

С помощью ГИС также ведется оценка и картирование изменений поверхности, вызванных контактом с человеком, чтобы понять масштабы эрозии и выветривания за счет туризма. Исследовательские группы провели подсчет посетителей по всей долине, отметив их количество и местоположение в разные месяцы, дни и часы. Затем они сравнили эти цифры с общим количеством посетителей за каждый день и месяц и связали их с картами высот и структуры долины. Составив карты туристического движения во времени и пространстве они смогли выяснить, кто, где, когда и как долго находился; какие пути и коридоры они использовали; направление и последовательность посещения за разные периоды. Такие картографические методы помогли команде оценить и лучше понять разрушительные эффекты развития туризма в Петре, а также помогли создать ежесуточные пространственные модели движения посетителей.

Благодаря этому исследованию команды узнали, что влияние человека и скудные, но временами интенсивные дожди значительно ускорили физический упадок Петры. Снимки и другие данные дистанционного зондирования, непрерывное развитие сети исследовательских площадок и широкое применение геопространственных технологий позволили количественно оценить последствия коммерческой деятельности и воздействия природных факторов, доказать необходимость принятия срочных мер по сохранению этого культурно-исторического наследия.

В конечном итоге то, что началось с моделирования и оценки состояния этого чувствительного архитектурного и археологического объекта, превратилось в обширный проект по изучению засушливых земель. Он связывает различные масштабы и влияния на разных участках и высотах с использованием инструментов ArcGIS, изображений и технологий GPS с целью лучшего понимания уникальных особенностей и защиты этого действительно уникального объекта. Постоянное накопление данных, их обработка, сопоставление, классификация, анализ и нанесение на карту позволяет всё с большей детальностью и достоверностью выявить тенденции и влияния, понять взаимосвязи и последствия. Это кажется лучшим подходом к пониманию пустынных ландшафтов и архитектуры из песчаника при эффективном управлении всей инфраструктурой и одним миллионом посетителей каждый год.

Набатеи и культ Солнца

Расскажем об одном из проводимых в рамках проекта занимательных историко-астрономических изысканий.

В начале 1990-х годов были определены возможные солнечные ряды (solar alignments) в одной из царских гробниц в Петре (Гробница Урны, Urn Tomb) и тщательно выровненная, близкая к линейной ориентация с востока на запад обтесанных обелисков на горе Джебель-аль-Мадхба (Jebel Madhbah). После этого возникли новые гипотезы и направления дальнейших исследований с помощью сложных аналитических методов с применением ГИС.


Гробница с урной у основания склона Джебель Хубта (Jebel Khubta) обращена в направлении 270N. В день летнего солнцестояния и на закатах в дни равноденствия Солнце освещает дальний угол ниши основной камеры.

Тут следует напомнить следующие факты. Сооружения и городские планы, которые были созданы в согласии с солнечными событиями и явлениями, стали важными маркерами развития общества, богословия и проектирования в таких известных местах как Стоунхендж (Англия), Каньон Чако (США), Абу-Симбел (Египет), Мачу-Пикчу (Перу) и др. Их архитектура была ориентирована так, чтобы солнечный свет падал на или проникал в эти древние памятники на восходе или закате в дни солнцестояний и равноденствий.

В этих местах и в сакральных текстах были найдены свидетельства поклонению Солнцу культур и общин на протяжении тысяч лет. С нашим светилом связано множество глобальных традиций. В древних обществах строили каменные круги, мегалитические храмы и погребальные своды, ориентированные по положению Солнца в дни солнцестояний и равноденствий.

Некоторые из самых ранних общин и обществ определяли взаиморасположения Земли и Солнца как значимые маркеры для ежегодной смены времен года и связанных с ними циклов роста. Эти небесные маркеры сезонов превратились в дни поклонения и ориентиры для ежегодных мероприятий, праздников и религиозных событий.

За последнее десятилетие исследований в Петре было установлено, что во время закатов в дни летнего и зимнего солнцестояния, осеннего и весеннего равноденствия солнечный свет далеко проникал в Гробницу Урны, точно освещая резные ниши в задней части камеры. Либо эта гробница была высечена и ориентирована специально, чтобы обеспечить проникновение туда солнечных лучей, либо фасад и порталы были изменены таким образом, чтобы обеспечить эту ориентацию по Солнцу.

В обоих случаях такое явление не было случайным. Это было рассчитанное инженерное чудо, созданное 2000 лет назад. Чтобы понять взаиморасположения Земли и Солнца, которые были использованы в набатейской архитектурной ориентации, важно реализовать построение схем видимого горизонта с аспектами прецессии, нутации и преломления (рефракции) в сочетании с топографическими и географическими данными. Привлечение возможностей ГИС для такого расширенного анализа в Петре обеспечило получение революционных заключений.


Ад-Дейр (Ad-Deir), или Монастырь, высоко над долиной — одно из самых больших вытесанных из камня сооружений в Петре.

Исследование наземных и астрономических отношений с помощью ГИС было представлено несколькими задачами. Большинство инструментов ГИС-анализа хорошо подходят для наземного, топографического и дистрибутивного анализа двух- и трехмерных ландшафтов. Однако интегрировать астрономические данные в ГИС достаточно трудно, особенно при расчете и представлении исторических событий.

Один из авторов этого анализа, Кристофер Анджел, координатор ГИС-проектов в университете Арканзаса, объединил археологические и архитектурные разработки с астрономическими данными путем объединения библиотеки Python в ArcGIS (ArcPy) с высокоточной библиотекой PyEphem, которая адекватно учитывает изменения в прецессии, нутации и преломлении [PyEphem содержит основные алгоритмы астрономических расчетов для Python]. Однако было трудно определить достоверность этих отношений без геопространственной визуализации. Следовательно, было необходимо выявить эти отношения с помощью matplotlib-библиотеки, которая обеспечивает возможности 2D черчения.

Порядок обработки данных был упрощен путем сбора пространственных атрибутов для каждого строения, анализа потенциальных наземных препятствий путем создания схемы видимого горизонта и наложения небесных траекторий для определенных астрономических событий в течение указанного временного интервала. С помощью ArcPy в сочетании с PyEphem и matplotlib группа разработала сценарий, который использует топографические данные цифровой модели рельефа (ЦМР) для того, чтобы анализировать небесные траектории в схеме видимого горизонта.

Небесные тропы. Ключевым для данного исследования было определение звездных траекторий, пересекающих небо Петры тогда и сейчас. Эти траектории генерировались путем определения расположения наблюдателя на основе пространственных атрибутов (высота, широта и долгота) для каждой точки. В этом случае PyEphem использует 1 января в 50 г. до н.э., как исходную дату для идентификации каждого солнцестояния и равноденствия. Возвращаемая дата использовалась для определения времени предшествующего восхода и следующего заката в этот день. В пределах этих временных рамок исследовательская команда получила возможность моделировать хронологию событий, добавляя по пять минут к предшествующему восходу и закату, а также азимут и высоту Солнца в течение всего этого дня.


Зоны управления археологическим парком в Петре.

Эти значения затем включались в каждую из представленных на рисунках схем видимого горизонта, показывающих астрономические события восхода и заката в каждом из мест.

В подобных урбанистических исследованиях часто рассматривается объем энергетических (физических) затрат, необходимых для создания ориентированного строения в ландшафте города в условиях ранних сообществ. Учитывая характер высеченных из камня построек в Петре, топография должно быть имела первостепенное значение для набатейцев. Расширение природных свойств физического ландшафта (его видоизменение) с целью соответствовать культурным предпочтениям общества требует значительных усилий.

Оценка этих усилий может раскрыть важность ориентации одного строения относительно других. Для географа энергетические затраты по изменению естественного склона рельефа и азимута определяются как стоимостные затраты. Их определение позволило команде количественно обоснованность необходимые усилия по преднамеренной ориентации и выравнивания строений.

Помимо энергетических затрат, исследование лимитирующих (предельных) затрат на местности с учетом высотных отметок, зон затопления, искусственных барьеров и видимости строений в пределах городского ландшафта привело к получению дополнительных доказательств важности этих строений в более широком городском ландшафте. Если для создания какого-то монументального сооружения требовалось много энергетических затрат, то можно предположить, что обеспечение его видимости и доступности будет существенным приоритетом, о чем свидетельствуют результаты этих исследований. Ориентирование строений Петры не было случайным, а являлось частью более масштабного и ресурсоёмкого городского или космологического плана.


Схемы видимого горизонта для Коринфской гробницы (CorinthianTomb) и Гробницы с урной (Urn Tomb), представляющие траектории Солнца. Эти две соседние гробницы имеют отчетливо различающиеся маркеры горизонта во время закатов в период летнего солнцестояния.

Некоторые замечания. В предыдущих подобных исследованиях всё сводилось к простому занесению в таблицы азимутов восходов/заходов и описаний ориентированности сооружений. Это полезно для проведения статистического анализа, но приводило к отказу от учета географических и топографических черт конкретных мест и их зависимости от реального пространства и теоретического (планируемого) расположения.

В то же время представление этих данных с помощью обычных географических инструментов, таких как схемы видимого горизонта и карты ArcGIS, позволило исследователям не только выявить и раскрыть возможные взаимосвязи, но и определить топографические препятствия, ограничивающие поле зрения тогда (и сейчас). Использование инновационной геоматики (ГИС, картографии, дистанционного зондирования, включая лидар, и GPS) в Петре и всём регионе упростило исследование больших наборов данных и труднодоступных участков.

Команда университета Арканзаса в настоящее время адаптирует эти инструменты и скрипты, чтобы успешно анализировать и другие типы астрономических/небесных данных, таких как лунные и астральные явления, в надежде выявить более тесные связи между небесными путями, ориентациями строений, ландшафтом и крупными городскими структурами.

Использование в данном исследовании созданных в ГИС схем видимого горизонта пролило свет и на другие астрономические феномены в Петре. Были выявлены особенности освещения разных камер гробниц и памятников во время солнцестояний и равноденствий, а на видимом горизонте были определены точки заката и восхода.


Планы внутренних камер двух гробниц, иллюстрирующие их освещение в дни солнцестояний и равноденствий. Солнечный свет проникает в Коринфскую гробницу через щели в стене и дверные проемы на ее фасаде, а в Гробницу с урной он проходит через центральную дверь. Оба фасада гробниц не только обращены в сторону точек заката на видимом горизонте в период солнцестояния, но и имеют удивительное (с инженерной точки зрения) внутреннее устройство.

В числе прочего было установлено, что во время летнего солнцестояния Солнце садится прямо на вершине самой высокой точки плато Умм аль-Бийара (Umm al-Biyara), если смотреть из Коринфской гробницы, и на вершине почитаемой горы Джебель Харун (Jebel Haroun), где по преданию похоронен Аарон (брат пророка Моисея), если смотреть из Гробницы с урной. Эти важные соотношения ранее были неизвестны в набатейских исследованиях. Использование ГИС-технологий в сочетании с традиционным схематическим изображением видимого горизонта позволило установить эти и некоторые другие архитектурные взаимосвязи для более широкого и детального обоснования важных черт инфраструктуры Петры. Это позволило выдвинуть достаточно веские аргументы в пользу намеренной ориентации городских сооружений и содействовало более глубокому пониманию классического периода городской морфологии. А сделанные выводы затем можно увязать с социальными теориями ранних городских пространств или даже с более глубоким обсуждением космологии и теологии времен расцвета Петры 2000 лет назад.

Примеры проявляющегося в архитектуре поклонения Солнцу отмечаются во многих местах и веках. Солнце — источник жизни и света — имеет решающее значение для древней космологии и теологии, лежащей в основе архитектуры и городского планирования. Оно является духовным стержнем общин, сообществ и культур. Так, в могильном храме Ньюгрейндж (Newgrange) в Ирландии (3200 до н.э.) большой земляной курган ориентирован на восходящее Солнце так, что внутренняя камера наполняется солнечным светом только во время зимнего солнцестояния. В храме Абу-Симбел (Abu Simbel) в Египте (1200 до н.э.) внутренний свод освещается только в самый короткий день в году. В великом храме майя в Цибильчальтуне (Dzibilchaltún) на п-ове Юкатане в Мексике восходящее солнце освещает и проходит через большой портал только в дни равноденствий. А в мегалитическом Стоунхендже (Stonehenge) в Великобритании восходящее Солнце во время летнего солнцестояния отмечает важную метку на Пяточном камне (Heel Stone), как и на его утраченном камне-партнере.


Обзорный вид на резной каменный театр и главную дорогу в долину.

Отмеченные знаки почитания Солнца и понимания сельскохозяйственных циклов могут являться основой многих аспектов ориентации строений и монументов и в Петре, но они также могут быть ключом, который приведет нас к лучшему пониманию космологии и духовной сущности городской общины.

Заключение

Таким образом, в течение последних 25 лет группа ученых из Университета Арканзаса и ряда других организаций ведёт исследование разнообразных ландшафтов и архитектурных особенностей знаменитого скального города Петра. После первоначальной, проведенной совместно с ЮНЕСКО, экспертизы деградации песчаниковой архитектуры в 1990-х годах, группа расширила поле своей деятельности, включив в свои исследования анализ воздействия туризма на влажность в гробницах, реконструкцию катастрофических затоплений, изучение морфологии бедуинских городов, картографирование посетителей в долине и другие проекты. Как часть более широкого исследования, команда реализовала комплексный геоинформацонный проект для соединения геологии, почвоведения и климатологии с социальными науками, включающими географию, археологию и городские исследования наряду с туристической демографией и управлением культурным наследием с учетом ряда политических аспектов.

И это стало возможным, отчасти, за счет использования инновационных технологий ГИС.

Статья основана на материалах публикаций в ArcNews и ArcUser, периодических изданиях Esri. Их авторы: Том Парадайз и Кристофер Энджел из Департамента наук о Земле Университета Арканзаса, Дуглас Комер из Центра по исследованию и управлению объектами культурного наследия (CSRM).

Эта и несколько других историй о применении ГИС в археологических и исторических исследованиях приведены в изданной компанией Esri в электронном виде книге «New Eyes on the Old World, GIS Helps Us Understand the Past While Preparing for the Future» (Новый взгляд на прежний мир. ГИС помогает понять прошлое при подготовке к будущему).