Виртуальная реконструкция доминантных объектов исторической застройки Белого города Москвы (XVI – XVIII вв.)

Ким Ольга Георгиевна главный архитетор проекта, Центр культурных исследований и экспертиз 109012, Россия, г. Москва, ул. Ильинка, 4, оф. 2А Kim Olga Chief Project Architect, the Center of Cultural Studies and Expert Examinations 109012, Russia, g. Moscow, ul. Il'inka, 4, of. 2A ogkim@mail.ru Другие публикации этого автора     Моор Вячеслав Витальевич временно не работает 299046, Россия, г. Севастополь, пр. Победы, 51, кв. 2 Moor Vyacheslav Temporarily unemployed 299046, Russia, g. Sevastopol', pr. Pobedy, 51, kv. 2 moor_v@mail.ru

Жеребятьев Денис Игоревич кандидат исторических наук старший преподаватель, кафедра исторической информатики, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119192, Россия, г. Москва, Ломоносовский пр., 27, корп. 4, каб. 423Г Zherebyatyev Denis Igorevich PhD in History Senior lecturer, Historical Information Science Department, Lomonosov Moscow State University  119192, Russia, g. Moscow, Lomonosovskii pr., 27, korp. 4, kab. 423G dzher@inbox.ru

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-00-01684(К), 18-00-01641.

Изучение истории городов включает сегодня новые направления исследований, которые связаны с использованием естественнонаучных методов и цифровых технологий. Речь идет прежде всего о создании виртуальных реконструкций утраченной городской застройки и исторического ландшафта города. Как отмечается в п. 27 Рекомендации ЮНЕСКО «Об исторических городских ландшафтах» [https://unesdoc.unesco.org/ark:/48223/pf0000215084_rus.page=68], следует поощрять «использование информационных и коммуникационных технологий для документирования, понимания и представления комплексной многослойной структуры городских районов и их составных компонентов. Сбор и анализ этих данных является важной частью накопления знаний о городских районах».

В данной работе рассмотрен важный этап комплексного проекта «Трехмерная реконструкция городской исторической застройки с использованием технологий виртуальной реальности и геоинформационных систем (на примере исторического ландшафта Белого города Москвы XVI-XVIII вв.)», получившего поддержку РФФИ. Учитывая междисциплинарный характер проекта, его коллектив должен включать специалистов из разных областей: истории, археологии, а также архитекторов, реставраторов, IT-специалистов (имеющих опыт работы с 3D и ГИС- технологиями). Такой состав и был собран для реализации данного проекта, базирующегося на кафедре исторической информатики исторического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

Цифровые технологии используются в нашем проекте для создания трехмерной виртуальной реконструкции исторического ландшафта Белого города и основных (доминантных) элементов исторической городской застройки. В данной работе предлагаются исследовательские подходы к созданию трехмерных реконструкций трех доминантных строений на территории Белого города Москвы. Рассмотрены источниковедческие проблемы, возникающие в ходе создания 3D-моделей строений XVI – XVIII вв., используемые при этом методы и технологии, представлены полученные визуализации.

Из истории Белого города

Белый город – один из основных районов исторического центра Москвы. До настоящего времени он сохраняет характерную радиально-кольцевую структуру плана. Полукольцо кварталов, прорезанное расходящимися лучами улиц-дорог, пролегает с юго-запада на юго-восток между берегами Москвы-реки, окружая Кремль и древний посад – Китай-город (рис.1). Существующие рубежи Белого города сформировались в XVI веке после строительства двух линий каменных укреплений – стен Китай-города (1530-е гг.) и Белого города (1580-1590-е гг.), давших название соответствующим районам. Деревянная крепость с валом на месте будущей белогородской стены упоминается не ранее середины XVI века.

Рис. 1. Белый город на плане Москвы Мериана (1638 г.) выделен жёлтым цветом.

В состав обособившегося района оказались включены территории, имевшие разную историю в ранний период становления Москвы. Их принято условно обозначать как западную, северную и восточную части Белого города. Раньше других, не позднее XIV века, была освоена западная часть – Ваганьковский холм в Занеглименье, ближе всего расположенный к Кремлю. Естественными рубежами Занеглименья служили река Неглинная и ручей Черторый. Восточная часть Белого города – Ивановская горка – была отделена от Кремля посадом; в начале XV века здесь сложилась загородная зона с великокняжеским селом и усадьбой. Позже всех, к началу XVI века, была заселена северная часть - долина реки Неглинной.

С момента закрепления внешних рубежей Белого города развитие его территории приобретает общие черты. В XVII-XVIII веках здесь преобладают жилые домовладения, в том числе крупные усадьбы знати. Уже во второй половине XVII века зоны бывших государевых дворов и сел не прослеживаются в новой повладельческой парцелляции кварталов. Доминирующую роль в застройке играли многочисленные культовые сооружения – монастыри, приходские и домовые храмы. Среди них размещалось несколько крупных казенных комплексов, по функциональным причинам вынесенных за пределы городского ядра: Государев Конюшенный двор (на западе), Пушечный двор (на севере) и Соляной Рыбный двор (на востоке)[1. С.11-31].

Характеристика источников

Средневековый Белый город Москвы давно является предметом изучения специалистов разного профиля, в том числе историков градостроительства и архитектуры. Основой для градостроительного анализа, наряду с письменными свидетельствами и данными археологии, остаются общие планы Москвы XVI-XVIII веков, обладающие известной неточностью и неполнотой. Более подробно изучен ряд отдельных объектов – зданий и домовладений. Однако эти исследования носят, как правило, локальный характер.

Восполнить разрыв между двумя уровнями изучения Белого города позволит разработка виртуальной реконструкции исторического городского ландшафта Белого города – работа, которая осуществляется в рамках проекта, поддержанного РФФИ. Задачи проекта: привязать разрозненные сведения об отдельных объектах к общей схеме; воссоздать план исследуемой местности в масштабе и с уровнем проработки, принятыми в современном градостроительстве; создать виртуальные 3D-модели городского ландшафта и ряда отдельных объектов. Эти задачи будут реализованы на примере восточной части Белого города – исторической района, известного как Ивановская горка, Кулишки и Васильевский луг.

Разработка графических реконструкций восточной части Белого города ведется в двух направлениях - планировочном и объемном.

Планировочная реконструкция ориентирована на изучение градостроительных аспектов развития района. Она предполагает восстановление генерального плана территории: улично-дорожной сети, парцелляции строительных кварталов, планировочной структуры домовладений. Разработанный план (2D-документ) должен быть привязан к 3D-модели рельефа. В рамках проекта намечено выполнение реконструкций на три основных этапа: рубеж XV-XVI веков; вторая половина XVII века; середина – третья четверть XVIII века (1750-1770-е гг.)

Реконструкция на период XV-XVI веков, в силу скудости исторической информации, должна опираться на археологические данные. Она может передать лишь самые общие сведения о городской среде: трассировку проездов, расположение храмов, предполагаемые границы селитебных и природных зон. XVII-XVIII века лучше освещены источниками; для исследования этого периода могут также использоваться сведения о существующей градостроительной структуре и сохранившейся застройке.

Для создания полноценной реконструкции требуется привлечение большого числа письменных и графических документов, в первую очередь, связанных с имущественными отношениями и государственным градостроительным регулированием. Эти источники носят массовый характер: в XVII – первой половине XVIII веках регулярно составлялись переписи московских домовладений; в XVIII веке стала обязательной регистрация крепостных актов и получение разрешений на строительство. Для последних составлялись архитектурные планы домовладений, выполненные по правилам картографии с соблюдением масштаба. Документы этого рода отложились в государственных архивах. Они нуждаются в систематизации с привязкой к конкретным домовладениям. Кроме того, исследователями Москвы накоплен большой материал по истории отдельных объектов, в первую очередь, сохранившихся построек; требуется обобщение этих данных. Эта работа составляет одно из направлений исследования.

Наиболее полно представлен источниками хронологически самый поздний этап реконструкции – середина - третья четверть XVIII века. Перепись московских дворов, составленная после пожара 1737 г., зафиксировала все домовладения в данном районе^[2]; крепостные акты позволяют с 1700-х гг. проследить владельцев, размеры и стоимость дворов, то есть получить косвенные данные об их типологии и характере застройки^[3]. Такие сведения выявлены практически для всех домовладений в исследуемом районе. Не менее двух третей владений имеют также архитектурные планы, фиксирующие застройку. Это позволило ставить задачу полной, сплошной реконструкции генерального плана территории на 1750-1770-е гг. Крайняя дата – 1775 г., дата утверждения т.н. Прожектированного плана благоустройства Москвы, ставшего основой классицистической перепланировки города.

Более ранний период реконструкции - вторая половина XVII века - освещен источниками намного хуже. Графические документы этого времени единичны и представляют собой рисунки-схемы, а не масштабные чертежи. Переписи дворов, как правило, не содержат точной топографической привязки владений; актовый материал сохранился фрагментарно. Поэтому реконструкция на данный период не может быть выполнена полностью на всю территорию. Достоверно удастся восстановить лишь планировку отдельных участков, в отношении которых сохранились необходимые сведения. Между ними неизбежно останутся лакуны – зоны, которые на реконструкции будут представлены только самой общей информацией (в основном, данными об улично-дорожной сети).

Второе направление работы по восстановлению исторического облика Белого города - объемная реконструкция – заключается в воссоздании архитектурных характеристик отдельных зданий и сооружений, трансформированных или полностью утраченных. Методика подобных реконструкций широко применяется в исследованиях по истории архитектуры и реставрационной деятельности. Она предполагает разработку архитектурных чертежей – планов, фасадов, разрезов, перспективных видов и пр. Цифровые технологии добавили к этому традиционному набору графических документов 3D-модели.

В реставрационной практике реконструкции чаще всего применяются для воссоздания первоначального облика сохранившихся построек и комплексов, детально изученных при натурных исследованиях. Этот метод помогает наиболее полно включить памятник в историю архитектуры, а также решить практические вопросы реставрации, связанные с восстановлением или разборкой тех или иных элементов. Реконструкции, выполненные на основе натурных исследованиях, наиболее точны. В целом, любая натурная информация, даже если речь идет об археологических данных (фундаментах, фрагментах декора) значительно повышает достоверность архитектурной реконструкции.

В отсутствие натурных данных к объемной реконструкции стоит подходить с большой осторожностью. Для полностью утраченных зданий требуется архивная графика, выполненная с целью именно архитектурной фиксации, либо изображения, полученные с помощью технических средств, таких как фотокамера или камера-обскура. Эти требования усложняют воссоздание облика зданий, разобранных до середины XIX века. Возникает хорошо известная археологами и историкам архитектуры проблема допустимости объемной реконструкции на основе лишь ограниченного круга источников и аналогов, а также соотношения достоверности реконструкции и степени ее проработки (деталировки)^[4].

Эти сложности наглядно проявились в рамках данного проекта. Источники для объемной реконструкции утраченных памятников Москвы XVII-XVIII веков, как правило, малочисленны, хотя и отличаются большим разнообразием. Обязательная графическая фиксация зданий и сооружений в соответствующие исторические периоды отсутствовала. Графические материалы, служащие основой для градостроительных исследований – планы владений - содержат слишком мало данных для воссоздания объема. Для решения задачи может привлекаться историческая видовая графика, текстовые описания, а также аналоги и общие сведения из истории архитектуры – информация о типологии и стилевых характеристиках построек. Однако подобных сведений, как правило, недостаточно для подробной, реалистической архитектурной реконструкции. Саму эту задачу имеет смысл ставить лишь при наличии как минимум одного источника, обладающего достоверностью и полнотой, то есть натурных данных или качественных архивных материалов.

В отсутствие подобных сведений возможна лишь обобщенная схематическая реконструкция в рамках конкретной исследовательской задачи. Например, реконструированные генеральные планы восточной части Белого города второй половины XVII века и 1750-1770-х гг. будут дополнены объемными моделями зданий. Цель разработки этой обобщенной 3D-модели – «большой сцены» всего района – полноценное воссоздание объемно-планировочной структуры территории, выявление иерархического характера организации городской среды и роли природных факторов – рельефа, водной сети, озеленения. Данные характеристики сложно исследовать на уровне 2D-документа (плана), поэтому обращении к 3D-технологиям оправдано. Однако из-за скудости источников большинство моделей можно выполнить лишь с большой долей условности, с привлечением аналогов. Чрезмерно подробная, фотореалистическая подача таких объектов нанесла бы ущерб достоверности всей реконструкции. Она стала бы дискредитацией моделей, выполненных на основе достоверных данных – так, как это происходит в реставрационной практике, когда произвольные новоделы дискредитируют подлинные памятники и дезориентируют зрителя. Информация об уровне достоверности моделей должна быть важным элементом 3D-реконструкции района.

Реалистические архитектурные 3D-модели выполнены для нескольких объектов, значимых для целей проекта и обладающих достаточной источниковой базой. Речь идет о градостроительных доминантах рассматриваемой территории – культовых сооружениях и крупных усадебных комплексах. Выявленные источники позволяют предложить верифицируемые реконструкции их внешнего облика. Однако и эти модели обладают значительной долей условности. Достоверное воссоздание объемно-планировочной композиции зданий чаще всего сочетается с заимствованными у аналогов, «типовыми» формами утраченного декора. Однако от воссоздания декора нельзя полностью отказаться – он необходим для передачи стилевых характеристик зданий.

Основные методы создания объемных виртуальных реконструкций зависят от типов источников – в ним относятся построение объема по архитектурным чертежам, фотограмметрия, 3D-сканирование. Опыт применения технологии 3D-сканирования для создания реконструкций трансформированных объектов восточной части Белого города приведен в отдельном разделе (см. ниже). Основным инструментом построения 3D-моделей в данном исследовании была программа AcrhiCad.

В настоящей статье представлены 3D-модели трех объектов, существенно различающиеся методикой создания реконструкции.

1. Приходская церковь Владимира в Старых садех – хорошо сохранившийся памятник русской архитектуры XVII века. Отдельные детали его убранства, утраченные к середине XX века, были восстановлены при реставрации. 3D-модель выполнены на основе технологии 3D-сканирования существующего сооружения; лишь одна перестроенная часть сооружения – колокольня – реконструирована с привлечением аналогов.

2. Палаты Щербатовых и домовая церковь Казанской Богоматери в Подколокольном переулке, кон. XVII в., 1757 г. Ядро усадебного комплекса сохранилось частично – жилые палаты существуют и подробно изучены реставраторами, а утраченный домовый храм известен по фотографиям и архивным чертежам. Основой для реконструкции первоначального облика палат стали реставрационные обмеры (чертежи). Опыт воссоздания храма иллюстрирует, какую роль в достоверности реконструкции играет наличие объективных натурных данных.

3. Собор Усекновения главы Иоанна Предтечи московского Ивановского монастыря, XVI-XVIII вв. Полностью утраченный объект известен, в первую очередь, по видовой литографии и обмерному плану, выполненным в середине XIX века одними из первых исследователей древнерусского зодчества – А. А. Мартыновым и И. М. Снегиревым. В сочетании с другими источниками, графическими и текстовыми, эти уникальные изображения стали основанием для гипотетической реконструкции облика собора на разные исторические периоды: от древнего первоначального ядра до сложного комплекса середины XVIII века.

Методы 3D-реконструкции: технология лазерного сканирования и аэрофотосъёмки

В рамках сотрудничества кафедры исторической информатики исторического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, коммерческой компании «Кубарта» и настоятеля храма Владимира в Старых Садех было проведено 3D-сканирование фасадов храма Владимира в Старых Садех. Для сканирования применялся лазерный сканер Leica BLK 360 с дальностью работы 60 метров. Поле зрения на 300 ° по вертикали и на 360 ° по горизонтали и большое количество точек съёмки 3D-сканирования (73,7 млн. точек) в ходе работы позволило зафиксировать не только точный облик здания, но и большой объём окружающего пространства территории храма, особенности рельефа. Съёмка фасадов храма проводилась с уровня земли с разных точек обзора и с разных ярусов колокольни (рис.2).

Рис.2. Процесс работы по лазерному 3D-сканированию храма Святого Владимира в Старых Садех сотрудниками компании «Кубарта»^[5]

Результаты 3D-сканирования передавались синхронно на планшет и записывались на устройство. В результате работы было получено два облака точек: храм с территорией и окружающей застройкой и отдельно здание храма (рис.3).

Рис.3. Облако точек храма Святого Владимира в Старых Садех и окружающей застройки в программе Cloud Compare

Несмотря на достаточно большое количество положительных сторон применения лазерного сканирования для оцифровки современного состояния здания, имеется недостаток, который требует привлечения дополнительных технических решений, таких как аэрофотосъёмка и технологии фотограмметрии. В труднодоступных местах съёмки, где невозможно проводить съёмку, в особенности на крыше собора, аппарат фиксирует пустоту (рис.4). Еще отличительной особенностью используемого лазерного сканера Leica BLK 360 стало наличие небольшого количества шумов, возникающих на облаке точек начиная с 50-55 метров дистанции от лазерного сканера. В нашем случае это те труднодоступные места крыша собора и купола, где нельзя было произвести съёмку. Ручная обработка 3D-сканов облака точек позволила устранить все участки с взвесью (неточным отображением геометрии).

Рис.4. Пример пустых участков данных лазерного сканирования храма Святого Владимира в Старых Садех в программе Cloud Compare

Учитывая все отмеченные тонкости, возникшие на этапе получения облака точек храма с лазерного сканера Leica BLK 360, было принято решение провести комбинированную съёмку храма также и на беспилотном летательном аппарате (БПЛА) DJI Phantom 4 Standart с последующим построением облака точек по материалам аэрофотосъёмки, совмещением двух облаков точек между собой и созданием 3D-модели современного состояния храма в программе Agisoft Metashape.

Съёмка с БПЛА DJI Phantom 4 Standart территории храма Владимира в Старых Садех для задач фотограмметрии имеет ряд особенностей, связанных не только с условиями съёмки с воздуха (сильные колебания коптера при ветре, возможная расфокусировка при некорректных настройках камеры и т.п.), но и со временем съёмки. Идеальное время для оцифровки объекта и пространства с помощью технологий фотограмметрии – это раннее утро или время ближе к вечеру, когда свет ровный и отсутствуют жёсткие тени. Второй фактор, который положительно может оказать влияние при съёмке материала – это облачная погода.

Рис.5. Фотографии изразцов с фасадов храма Владимира в Старых Садех

При массовой обработке материала съёмки важно учитывать, что во время полета коптера свет может неоднократно меняться и поэтому стандартные значения автонастройки яркости могут не подойти и для отдельных кадров или групп нужно выставлять собственные настройки яркости.

Было сделано несколько облетов храма и произведено около 600 снимков всего объекта, отдельных его частей и элементов декоративного орнамента включая отдельную детальную съёмку изразцов. Пакетная обработка фотографий была проведена в программе Adobe Lightroom.

Отдельная работа проводилась с изразцами, расположенными на фасадах храма Владимира в Старых Садях. В программе Adobe Photoshop c аэрофотоснимков были откадрированы все декоративные изразцы (более 40 изображений) для последующего размещения на 3D-модели в программе ArchiCAD (рис. 5).

Обработанные фотографии были загружены в программу Agisoft Metashape и построено облако точек всего здания с прилежащей территорией. Далее производилась обработка облака точек и удаление взвесей (рис.6).

По результатам работы полученные облака точек были сохранены в рабочий формат для импорта в программу ArchiCAD с целью последующей виртуальной реконструкции первоначального облика храма Владимира в Старых Садех.

Рис.6. Визуализация облака точек полученного в программе Agisoft Metashape в редакторе Cloud Compare

Облако точек, полученное с квадрокоптера по храму Владимир в Старых Садех, было опубликовано в онлайн доступе на сайте Pointbox.xyz с возможностью удобной работы с ним^[6]. Облако можно встроить по embed c