„Nie wyobrażam sobie archeologii bez technologii”. Polska badaczka o AI, dronach i laserach

Archeologia z definicji zajmuje się przeszłością. Czasami może się więc wydawać, że metody wykopalisk także stoją „zatrzymane w czasie”. Wszak konstrukcja łopaty niewiele się zmieniła przez ostatnie dziesięciolecia, a kolejne pokolenia archeologów używają do oczyszczania artefaktu bardzo podobnych pędzli.

Nic bardziej mylnego. Zanim w ruch pójdą tradycyjne narzędzia, cały proces – od pierwszego pytania badawczego, po wnioski z wykopalisk – jest wręcz naszpikowany nowoczesnymi metodami oraz technologią. To tak zwana archeologia cyfrowa, w której specjaliści wykorzystują m.in. obrazowanie satelitarne, drony, laserowe obrazowanie technika LIDAR-u. Zagadki przeszłości rozwiązuje również sztuczna inteligencja.

W ciekawy świat łączący pradawne artefakty z elektroniką i komputerami wprowadza nas doktor Julia M. Chyla, archeolożka cyfrowa z Wydziału Archeologii Uniwersytetu Warszawskiego oraz redaktor naczelna popularnonaukowego portalu Archeowiesci.pl.

Krzysztof Sobiepan, Wprost.pl: Jak dzisiejsi archeolodzy przygotowują się do wykopalisk? Czy nowe technologie pomagają ekspertom znaleźć idealne miejsce na stanowisko?

Dr Julia M. Chyla*, WA UW: Przy wykopaliskach i badaniach archeologicznych używa się wielu różnych technologii, choć utartym terminem są tu raczej „narzędzia cyfrowe". Nie wszystkie techniki wykorzystujące komputery i elektronikę są bowiem absolutnie nowe, niektóre z nich stosujemy już od lat 70.

Aktualnie technologie rzeczywiście są wielką pomocą i to już na etapie przygotowań. Służą między innymi do bardzo precyzyjnego określenia tego, jakie informacje chcemy uzyskać w wyniku naszych badań. Pomagają też obrać na cel określone obszary danego regionu.

Dobrym przykładem są badania powierzchniowe. To element badań, w którym chodzimy „po krajobrazie” i bardzo dokładnie sprawdzamy występujące na konkretnym obszarze stanowiska archeologiczne. Celem tych działań jest m.in. określenie stanu zachowania tych miejsc – czy są zagrożone niszczeniem lub rabunkiem, czy są bezpieczne, gdzie dokładnie się znajdują, ile ich jest. To moment, który występuje przed właściwymi wykopaliskami, bez naruszania ziemi.

Już w procesie powierzchniowym bardzo pomagają nam zobrazowania satelitarne. Co więcej, w specjalnie przygotowanym systemie komputerowym – GIS – obrazy z orbity możemy łączyć między innymi z archiwalnymi fotografiami lotniczymi tego samego obszaru, z dokładnymi odwzorowaniami rzeźby terenu, papierowymi mapami z przeszłości, a nawet laserowymi pomiarami LIDAR-em, które mogą wykonywać drony.

Warstwy tego typu bardzo dokładnie nakładamy na siebie, tworząc swego rodzaju „wirtualny globus”. Następnie z zebranych tak informacji wyciągamy wnioski. Dzięki temu nawet przed wyjściem w teren dość dokładnie wiemy, na jakie miejsca trzeba zwrócić szczególną uwagę, w którym miejscu znajdują się wcześniej odkryte i udokumentowane stanowiska, a gdzie prawdopodobieństwo znalezienia kluczowych dla badań ruin czy pozostałości cywilizacji jest najwyższe.

To niesamowicie przyśpiesza pracę w terenie. Coraz częściej idziemy w interesujące nas miejsce i sprawnie znajdujemy to, czego szukaliśmy.

Obecnie uczestniczę w badaniach w Tunezji, i już na podstawie zobrazowań satelitarnych możemy wykryć na przykład, które stanowiska zostały w przeszłości zrabowane i niewiele tam dla nas zostało. Niestety to powracający problem, który obecnie jest bardzo nasilony, zwłaszcza na Bliskim Wschodzie.

A jak elektronika pomaga już po wyjściu w teren?

Przy badaniach powierzchniowych nie rozstaję się ze smartfonem. Moją niszą jest tak zwany mobilny GIS. Wszystkie wymienione wyżej warstwy, mapy i dane archiwalne mam zawsze ze sobą. Aplikacja pokazuje mi, gdzie dokładnie się znajduję i prowadzi mnie do konkretnego stanowiska jak po sznurku. To takie archeologiczne Google Maps, z tym że z dość wysoką dokładnością.

Gdy jesteśmy na miejscu, telefon także jest nieoceniony. Z poziomu urządzenia mobilnego mogę bowiem dokładnie oznaczyć lokalizację nowego stanowiska, wykonać zdjęcia materiałów widocznych na powierzchni – na przykład ceramiki czy artefaktów – i na różne sposoby udokumentować dane miejsce tak, by łatwo do niego wrócić. Wszystko, co robię, z miejsca trafia do chmury i staje się też dostępne dla innych członków projektu.

Bardzo ciekawy jest także proces masowego poboru danych na danym terenie. Badania powierzchniowe często wymagają niemałej liczby osób i wielu par oczu. Grupa idąca w teren – to archeologowie, ale też wolontariusze czy osoby z lokalnej społeczności – wychodzi w krajobraz, a każda osoba ze smartfonem może niezależnie dodawać do wspólnej bazy to, co właśnie zauważyła.

Odbywa się pewnego rodzaju tłumne zbieranie danych, gdzie każdy może dołożyć cegiełkę od siebie.

Czyli technologia łączy ludzi także w przypadku archeologii.

Powiem więcej, archeologia cyfrowa wręcz wymusza potrzebę współpracy i uważam, że to cudowne. Nie sposób być specjalistą od wszystkiego, a przez dokładne katalogowanie znalezisk możemy spojrzeć na dane miejsce w bardzo szerokim przekroju.

Inaczej dane interpretuje ceramolog, na co innego zwraca uwagę bioarcheolog, do tego własne spojrzenie dodadzą lokalni eksperci. Prowadząc badania w Peru, Egipcie czy Tunezji byłam w ścisłym kontakcie z tamtejszymi ekspertami. Każdy kraj nieco inaczej kategoryzuje dane, a stanowiska prekolumbijskie znacząco różnią się przecież od faraońskich czy rzymskich.

Jak rozumiem archeologia już dawno odeszła od „przyjeżdżam na miejsce sam, badam, co tylko chcę”... i nie daj Boże, zabieram artefakty do swojego kraju.

Dziś standardem jest to, że pracuje z nami równorzędny partner danego kraju, tunezyjski, jordański, egipski i tak dalej. Nie wyobrażam sobie braku takiej współpracy – to byłby powrót do kolonializmu. A metody cyfrowe pomagają nam współpracować nie tylko między specjalizacjami, ale także pomiędzy danymi społecznościami.

A gdy znajdzie się już miejsce, które chcielibyśmy objąć faktycznymi wykopaliskami? Jak technologia może się łączyć z łopatami, kielniami czy pędzlami?

Oprócz łopaty zabieramy ze sobą m.in. drony. Obecnie przy wejściu na konkretne stanowisko praktycznie standardem jest już „zdronowanie” terenu. Chodzi o oblot wyznaczonego obszaru, wykonanie dokładniejszych zdjęć z powietrza, a także mapowanie trójwymiarowe jednostką wyposażoną w LIDAR.

W tym kroku zawiera się fotogrametria, czyli wykonywanie serii dokładnych zdjęć, na podstawie których mapuje się wzajemne położenie obiektów, ich kształt czy rozmiary.

Po angielsku dokładna technika, jaką wykorzystujemy, nazywa się „structure from motion”. Chodzi tu o wykonanie dokładnych fotografii 2D, z których można oszacować trójwymiarowy kształt danych obiektu czy struktury. Ze zdjęć z drona powstaje ortofotomapa i szczegółowy model powierzchni terenu. Podobnie działa technika mapowania LIDAR-em.

Kolejne są geofizyczne metody prospekcji, czyli nieinwazyjne mapowanie tego, co jest umieszczone pod powierzchnią. Prędzej czy później trzeba jednak wbić się w ziemię – by znaleźć artefakty, które pomogą nam w datowaniu, potwierdzić nasze przypuszczenia o działaniach ludzi z przeszłości, dotrzeć do jakże ważnej ceramiki czy monet i przede wszystkim zobaczyć warstwy stratygraficzne. Łopaty i pędzla nie zastąpi nam żadne narzędzie cyfrowe.

Tu trzeba zaznaczyć, że wykopaliska są metodą niszczącą dane stanowisko. Zanim w ruch pójdą więc klasyczne narzędzia, musimy być gotowi na to, że bezpowrotnie zmienimy obraz danego miejsca, który będzie później nie do odtworzenia. Pozostanie tylko w naszej dokumentacji.

Technologia pomaga nam też więc bardzo dokładnie wyznaczyć to, co musimy poruszyć. Od dawna nie prowadzi się wykopalisk lekką ręką – obecnie każde wzruszenie gruntu ma odpowiadać na postawione wcześniej pytania badawcze. Nowoczesne metody sprawiają, że jesteśmy jak snajperzy – precyzyjnie celujemy tylko w to, co jest nam absolutnie niezbędne.

A jak w cyfrowy sposób dokumentować to, co odnajdziemy w czasie wykopalisk?

W tradycyjnej archeologii standardem był rysunek. Szkicowało się poszczególne warstwy, rozmieszczenie obiektów. Bardzo klasycznie – z ołówkiem, kredkami, papierem milimetrowym.

Obecnie rysowanie zastępowane jest fotogrametrią i skanowaniem laserowym. Metoda działania jest podobna jak przy początkowych zdjęciach i skanach LIDAR-em z powietrza, tylko że jest wykorzystywana na bliskie odległości.

Wielką zaletą metod cyfrowych jest to, że pracujemy w trzech wymiarach. Oprócz tego, że różne warstwy jesteśmy w stanie wyświetlić na sobie, we wzajemnej relacji, to potem już przy pracach biurowych możemy wrócić do danego stanowiska w formie cyfrowej. To, co zniszczyliśmy w fizycznym świecie „żyje dalej” w komputerze.

Czyli tego samego obrazowania laserowego używa się do zwiadu z powietrza, ale też do klasyfikacji pojedynczych przedmiotów?

W przypadku LIDAR-u cały czas jest to urządzenie wysyłające wiązkę lasera w danym kierunku i mierzące czas powrotu promienia do punktu początkowego. Zmienia się jednak skala. Samolot używa dość potężnego emitera, dron wykorzystuje mniejszą jednostkę lasera do dokładniejszych pomiarów przy wolniejszych przelotach bliżej ziemi.

„Ręcznym LIDAR-em” może być dzisiaj między innymi… iPhone. Smartfony oferują już bowiem odpowiednie czujniki w standardzie. Do dziś pamiętam, jak podczas ekspedycji w Tunezji odkryłam nigdzie wcześniej nieopublikowaną, nieznaną inskrypcję. To były góry, miejsce odludne, byliśmy w trakcie wspinaczki.

Wystarczyło wyciągnąć telefon i spędzić 10 minut na zeskanowaniu telefonem artefaktu. I już mamy skan 3D, z odwzorowaną teksturą, najdrobniejszymi szczegółami, a nawet kolorami.

W przypadku skorup ceramicznych istnieje nawet dedykowane narzędzie Profiler, również wykorzystujące laser. Pozwala ono na dokładnie skany i odtworzenie profilu danej ceramiki, przyporządkowanie danych fragmentów. To kopalnia informacji dla ceramologów, którzy z miejsca otrzymują bardzo dużo danych o typologii danego znaleziska.

Znacznie przyspiesza to proces rysowania artefaktów ceramicznych na potrzeby publikacji naukowych czy głębszych analiz.

Jak więc nowoczesny archeolog podchodzi do dalszej interpretacji znalezisk i artefaktów archeologicznych? Popularnym trendem wydaje się tu sztuczna inteligencja.

Rzeczywiście – systemy AI znajdują wiele zastosowań w nadaniu sensu dużym zbiorom danych. Dzieje się to w wielu dziedzinach nauki, a więc także w archeologii.

W jednym z zastosowań sztucznej inteligencji wykorzystano dostępne skany tabliczek klinowych z zasobów muzealnych. O ile pamiętam, te wykonywane były w innym celu, lecz grupa naukowców postanowiła wykorzystać ten materiał do stworzenia AI interpretującego treść zapisów.

System wytrenowano na tych tabliczkach, które rozumiemy i już zinterpretowaliśmy. Następnie AI zajęło się tymi zapiskami, które pozostawały tajemnicą i przewidywała możliwe tłumaczenia, nieznanego jeszcze pisma. Istnieje podobny projekt, który próbuje odtworzyć greckie inskrypcje nawet wtedy, gdy tablice są niekompletne czy urwane.

Sztuczna inteligencja jest też dobra w analizie danych trójwymiarowych – tu znów wracamy do niezastąpionego LIDAR-u. Na podstawie wcześniej oznaczonych stanowisk oraz skanów i modeli powierzchni terenu AI jest w stanie przewidywać, gdzie z dużym prawdopodobieństwem może znajdować się więcej artefaktów czy ruin, bo występują tam podobne warunki.

Jeszcze inną metodą badawczą wspartą AI jest Agent Based Modeling – Modelowanie Agentowe. Pozwala ona na odtworzenie procesów postępowania ludzi w przeszłości. Na podstawie znanych nam danych – obecnych stanowisk, rzeźby krajobrazu, możliwego dostępu do zasobów – tworzymy środowisko dla grupy agentów, czyli „wirtualnych ludzi”. AI symuluje, jak mogli oni żyć: gdzie chodzili, osiedlali się, tworzyli narzędzia i tak dalej.

Taka symulacja może odtworzyć setki tysięcy lat teoretycznego życia dawnych ludzi. A na koniec będziemy z pewnym prawdopodobieństwem wiedzieć, gdzie najpewniej znajdziemy pozostałości ich bytowania, albo otworzyć sposoby zachowania na zaprogramowane warunki.

Jeden z naukowców z Holandii przeprowadził w ten sposób niezwykle ciekawe badanie. Na podstawie znanych okoliczności, danych archeologicznych i środowiskowych z Europy Zachodniej stworzył grupę wirtualnych neandertalczyków. Zaskakujące było to, jak jego teoretyczna społeczność zmieniła ten sam krajobraz w porównaniu z neandertalczykami, którzy faktycznie żyli na tych terenach.

Sztucznej inteligencji nie można jeszcze zaufać w stu procentach. Jest ona jednak narzędziem, które pozwala uwolnić naukowców od najbardziej żmudnych prac. Czy to tłumaczenia dziesiątek tablic klinowych przez lata, czy szukania kolejnych miejsc potencjalnych stanowisk. Dzięki temu możemy skupić się na kluczowych zadaniach takich jak interpretacja wyników. AI to rewolucja industrialna dla archeologii.

Jak wygląda dziś publikacja wyników badań archeologicznych?

Artykuły naukowe wyłącznie w formie pisanej są coraz bardziej ograniczające. Ogrom danych cyfrowych, jakie zbieramy i porządkujemy, aż prosi się o publikację internetową. W sieci każdy czytelnik lub inni archeologowie mogą mieć wgląd w nasze dane, zobaczyć na własne oczy modele 3D, odwzorowania, skany.

Dużym trendem jest też zasada FAIR data – publikacja surowych danych, które następnie są dostępne dla szerszej społeczności naukowej. Dzięki temu wyniki naszych badań mogą być niezależnie zweryfikowane, a analizy wykonane powtórnie przez niezależnych ekspertów. Jednocześnie raz zebrane dane mogą być potem wykorzystane w innych badaniach.

Archeologia cyfrowa niezależnie może być też doskonałym narzędziem do popularyzacji nauki. Na podstawie danych trójwymiarowych można stworzyć między innymi angażujące Story Maps, czy bardzo dobrze i interaktywnie pokazać historię i zmiany danego regionu na przestrzeni wieków. Popularne ostatnio graficzne AI może zaś pomóc nam w tworzeniu materiałów promujących treści popularnonaukowe. Robimy tak z okładkami na blogu Archeowieści.pl.

Wyobraża sobie Pani jechać dziś na wykopaliska „starej szkoły”? Bez technik cyfrowych i elektroniki?

Na sam koniec i tak użyjemy laptopa i edytora tekstu do napisania artykułu czy raportu, więc zupełnie bez elektroniki się nie da. Odpowiedź jest prosta – nie wyobrażam sobie dziś archeologii bez technologii.

Narzędzi cyfrowych trzeba używać, bo tym sposobem sami ułatwiamy sobie pracę. Po drugie – w ten sposób zachowujemy i dokumentujemy informacje, które w nieunikniony sposób niszczymy w procesie badań. W końcu zdobytą wiedzą dzielimy się z innymi naukowcami na całym świecie.

Globalna współpraca sprawia zaś, że obecnie powstaje zupełnie nowa jakość w archeologii, która nie jest już samotnym bastionem, a staje się nauką na wskroś interdyscyplinarną.

Nauka to polska specjalność
Wielkie postacie polskiej nauki

Przeczytaj inne artykuły poświęcone polskiej nauce



Projekt współfinansowany ze środków Ministerstwa Edukacji i Nauki w ramach programu „Społeczna Odpowiedzialność Nauki”