Nedestruktivna karakterizacija arheoloških keramičkih artefakata i utvrđivanje njihovog porekla statističkim metodama prepoznavanja oblika

Abstract

Arheološka keramika se može izučavati u kontekstu porekla proizvodnje ili tehnologije izrade, kao i distribucije određenih vrsta posuda ili čitavih grupa. Ovakve studije porekla imaju na raspolaganju čitav arsenal različitih tehnika (kako analitičkih, tako i statističkih) da bi došle do odgovora na postavljena arheološka pitanja. Posebno mesto u dugoj listi analitičkih tehnika pripada nedestruktivnim analizama kao što su IC ili Ramanska spektroskopija, PIXE ili XRD. Među njima se posebno izdvaja, kao najčešće korišćena energetski disperzivna rendgenska fluorescentna (EDXRF) spektrometrija, koja se pokazala efikasna i pogodna za izučavanje porekla arheološke keramike. Tokom poslednjih deset godina, upotreba prenosnih XRF (pXRF), terenskih (fpXRF) ili ručnih (hh)XRF spektrometara značajno je povećana. Takvi instrumenti i tehnike postali su pristupačni za mnoge primene koje generišu brze rezultate što podrazumeva njihovo gotovo trenutno tumačenje i donošenje odluke. Imajući ovo u vidu, kao i činjenicu da su sistematska analitička ispitivanja keramika vinčanske kulture vrlo sporadična, cilj ovog istraživanja bio je da se ispita mogućnost korišćenja informacija o elementranom hemijskom sastavu keramičkih predmeta generisanih pEDXRF spektrometrijskom analizom za klasifikaciju. Kako keramika vinčanske kulture ima važnu ulogu u svetskoj arheologiji, izučavanje njenog porekla, sa što je moguće više aspekata je od velikog značaja. II Posebno pitanje koje se tokom ovih istraživanja nametnulo je da li se metode prepoznavanja oblika mogu uspešno primeniti na podacima dobijenim EDXRF analitičkom metodom. Fokus ove studije je bio na nedestruktivnoj karakterizaciji keramičkih predmeta iskopanih na tri neolitska lokaliteta: Vinča - Belo Brdo kod Beograda, Pločnik kod Prokuplja i Bubanj kod Niša i njihova klasifikacija prema elementarnom sastavu i dobro definisanom poreklu. Trideset tri fragmenta sa lokaliteta Vinča, 27 različitih fragmenata sa lokaliteta Pločnik i 15 ostataka sa lokaliteta Bubanj organizovani su u tri grupe. Osnovna karakteristika grupe bila je dobro definisano poreklo svakog pripadnika (na osnovu arheoloških razmatranja). Ovakav pristup je odabran, jer su u arheometrijskim istraživanjima moguća dva različita pristupa za utvrđivanje porekla proizvodnje: poređenje sa glinom ili sa artefaktima poznatog porekla. U okviru disertacije potpuno je razvijen i testiran postupak donošenja odluke o poreklu čiji je cilj da se klasifikuju nepoznati komadi keramike na osnovu njihovih elementarnog sastava određenog korišćenjem pEDXRF spektrometrije. Dakle, analitička ispitivanja praćena primenom metoda prepoznavanja oblika na dobijene rezultate, iskorišćena su za klasifikaciju (a samim tim i utvrđivanje porekla), ali i ekstrakciju najdiskriminantnijih obeležja. Kako predstavljaju najznačajniji deo postupka utvrđivanja porekla, testirane su mogućnosti dve metode za redukciju dimenzija: jedna od njih je analiza glavnih komponenti (PCA) i druga koja je zasnovana na matricama rasejanja. Pokazano je da je redukcija dimenzija zasnovana na matricama rasejanja efikasniji metod za klasifikaciju. U daljem postupku klasifikacije, projektovana su dva linearna klasifikatora na osnovu željenog izlaza, čime je postignuto da 7 od 8 nepoznatih uzoraka iz skupa za testiranje bude korektno klasifikovano. Na osnovu potvrđenih rezultata, zaključak je da, uprkos ograničenjima koja su tipična za primenjenu analitičku tehniku, elementarni sastav može biti nosilac informacija o poreklu. Uz pomoć III nove, potpuno razvijene procedure, keramički predmeti se mogu klasifikovati na osnovu njihovog elementarnog sastava i poznatog porekla.

Archaeological ceramics can be studied in the context of origin of production or production technologies, as well as the distribution of specific ware types or whole assemblages. The provenience studies have at their disposal an arsenal of different techniques, both analytical and statistical to arrive at answers to archaeological issues. Special place in a long list of analytical techniques belongs to non-destructive analyses performed using IR or Raman spectroscopy, PIXE or XRD, but one that have been most commonly used is energy dispersive X-ray fluorescence (EDXRF) spectrometry proven to be efficient and suitable for archaeological ceramics provenience studies. During the past ten years the use of portable XRF (pXRF), field-portable (fpXRF) or hand-held (hh)XRF spectrometers has increased significantly. Such instruments and techniques become affordable for many applications that generate fast results which imply almost immediate interpretation and decision. Guided by this and the fact that systematic analytical examinations of archaeological ceramics from the Vinča culture are very obscure, the objective of this research was to examine the possibility of using information of ceramic chemical characteristics derived by pEDXRF spectrometry for classification. As the ceramics belonging to the Vinča culture play an important role in global archaeology, it is of great importance to study as many aspects of their provenience as possible. Another question arises whether pattern recognition methods can be applied to the data obtained by EDXRF analytical method. The focus of this study was on non-destructive characterisation of ceramic V findings excavated at three Neolithic sites: Vinča-Belo Brdo near Belgrade, Pločnik near Prokuplje, and Bubanj near Niš, and their classification according to elemental compositions and well-known provenance. Thirty-three pottery sherds from the site of Vinča, 27 different fragments from the site of Pločnik, and 15 pottery sherds from the site of Bubanj were organised in three sample assemblages. The main characteristic of the ceramic assemblages was their well-known provenance (on the basis of archaeological reasons). Such an approach was selected since in archaeometry research, two different approaches can be followed to determine the origin of production: comparison with the clay or with the artefacts of well-known provenance. A fully-developed decision-making procedure is proposed with main goal to classify unknown ceramic findings based on their elemental compositions derived by pEDXRF spectrometry and wellknown provenance. So, analytical examinations were followed by application of pattern recognition methods to the obtained results as part of the decision-making procedure developed and improved to classification (and consequently sourcing) purpose and to extract the most discriminant features. As it is a major part of decision-making procedure, the possibilities of two dimension reduction methods were tested: one of them is principal component analysis (PCA) and the second scattering matrices-based dimension reduction. Scattering matrices-based dimension reduction was found to be the more efficient method for the purpose. Further, two linear classifiers, designed based on the desired output allowed for 7 of 8 unknown samples from the test set to be correctly classified. Based on the validated results, the conclusion is that despite the constraints typical of the applied analytical technique, the elemental composition can be considered as viable information in provenience studies. With a fully-developed procedure, ceramic artefacts can be classified based on their elemental composition and well-known provenance.