激光雷達(dá)技術(shù)助力考古學(xué)家發(fā)掘歷史遺跡

激光雷達(dá)技術(shù)助力考古學(xué)家發(fā)掘歷史遺跡

Laser Imaging Helps Archaeologists Dig Up History

約10500年前，夏末秋初時節(jié)，現(xiàn)美國俄克拉荷馬州西部地區(qū)草木茂盛，野牛遍地。對于當(dāng)時的人類來說，大型哺乳動物是一種重要的食物來源，因此，每年的這個時候，人們都會聚集在比弗（Beaver）河畔，在野牛經(jīng)過這片區(qū)域時進(jìn)行捕獵。一些捕獵者將野牛群趕到狹窄、沒有出口的峽谷里，另一些捕獵者手持長矛，等在峽谷邊，獵殺成群的野牛。他們割下上等的牛肉當(dāng)作食物，留下成堆的尸骨。

今天，漫步美國俄克拉荷馬州西部，已經(jīng)很難找到明顯的證據(jù)來證明那段曾經(jīng)的狩獵歷史了，因為幾乎沒有野牛幸存下來，而且泥土和巖石已經(jīng)將這些峽谷完全覆蓋了。但是，借助于高科技的設(shè)備，如激光遙感設(shè)備，即激光雷達(dá)，通過掃描陸地景觀，科學(xué)家能夠發(fā)現(xiàn)肉眼難以發(fā)現(xiàn)的各種細(xì)節(jié)特征，為考古學(xué)家提供隱藏在地表下的化石和殘骸的線索。而這種激光遙感技術(shù)的發(fā)展主要?dú)w功于在太空中尋找和探測行星、衛(wèi)星和小行星等不同天體的科學(xué)家。

在激光雷達(dá)進(jìn)行掃描時，一臺或多臺激光器發(fā)出短脈沖，當(dāng)激光脈沖碰到云層、樹葉、巖石等障礙物時就會被反射回來。“起源，光譜釋義，資源識別，安全—風(fēng)化層探測器”（OSIRIS-REx）項目激光系統(tǒng)的主管、美國國家航空航天局（NASA）戈達(dá)德空間飛行中心的科學(xué)家喬治·肖解釋說：“OSIRIS-Rex項目旨在向小行星發(fā)射一枚探測器，以收集小行星樣本并將其帶回地球。當(dāng)激光脈沖離開激光器時，系統(tǒng)中的探測器就會開啟一個電子時鐘。在激光脈沖接觸到物體表面時，激光部分發(fā)生散射，另外一部分被反射回來，反射回來的激光將被引導(dǎo)到一個光電探測器上，使電子時鐘停止。通過該系統(tǒng)能夠計算出激光脈沖從發(fā)射到返回需要的時間，并根據(jù)這些信息獲知激光雷達(dá)到物體表面的距離。脈沖雷達(dá)對小行星表面進(jìn)行成千上萬次甚至幾百萬、上千萬次掃描，最終可以獲得小行星表面的高分辨率三維地形圖。OSIRIS-Rex上搭載的激光高度計（OLA）將采用2臺激光器來掃描目標(biāo)小行星貝努（Bennu）的表面，并創(chuàng)建三維地圖，幫助任務(wù)團(tuán)隊選擇合適的地點收集小行星樣本。理想情況下，任務(wù)團(tuán)隊將找到一片沒有巨石，但是有小顆粒沙石或礫石的平坦區(qū)域。”

事實上，早在1971年的“阿波羅”15號任務(wù)中，NASA就已經(jīng)開始在其航天任務(wù)中使用激光雷達(dá)了。隨著航天技術(shù)的發(fā)展和太空探索活動的拓展，NASA通過內(nèi)部開發(fā)，以及與商業(yè)公司合作兩種方式推動了激光雷達(dá)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。

加拿大麥克唐納·黛特威爾聯(lián)合公司、雷達(dá)設(shè)計商Teledyne光學(xué)技術(shù)公司與加拿大航天局簽訂了合作協(xié)議，共同開發(fā)OLA。這并不是Teledyne光學(xué)技術(shù)公司首次參與NASA的航天項目。Teledyne光學(xué)技術(shù)公司成立40多年來，在美國密西西比州和紐約州均設(shè)有辦公室，專業(yè)從事激光雷達(dá)設(shè)備的設(shè)計和制造業(yè)務(wù)。2008年，該公司為“鳳凰”號火星探測器設(shè)計開發(fā)的激光雷達(dá)設(shè)備獲得了重要發(fā)現(xiàn)。“鳳凰”號火星探測器上的地基激光雷達(dá)通過測量火星大氣中的塵埃和云層對激光的反射情況，積累了火星大氣檢測的大量資料。Teledyne光學(xué)技術(shù)公司負(fù)責(zé)特殊項目的副總裁保羅·拉羅克說：“根據(jù)激光雷達(dá)顯示的結(jié)果，科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，造成‘鳳凰’號火星探測器上方火星大氣中出現(xiàn)亮條紋的物體可能是冰晶。”也就是說，Teledyne光學(xué)技術(shù)公司的激光雷達(dá)在火星大氣中發(fā)現(xiàn)了固態(tài)水——雪。

自那時起，Teledyne光學(xué)技術(shù)公司就開始充分利用為“鳳凰”號火星探測器設(shè)計激光雷達(dá)的相關(guān)研究成果，不僅將這些創(chuàng)新技術(shù)應(yīng)用到OLA的研發(fā)中，開發(fā)出了一款采用新版本高能掃描激光器的產(chǎn)品，還將這些技術(shù)應(yīng)用到商用產(chǎn)品中，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。

高級工程師杰夫·特里普解釋說：“激光雷達(dá)如果要在航天任務(wù)中應(yīng)用，其尺寸、重量和功率都是需要特別關(guān)注的問題。在地球上使用的激光雷達(dá)大多很重，體積也很大，不適合應(yīng)用于‘鳳凰’號火星探測器。為了滿足航天發(fā)射要求，在‘鳳凰’號火星探測器上應(yīng)用的激光雷達(dá)必須足夠輕。最終，這一特殊的激光雷達(dá)的重量不足9.1kg，且僅有面包盒那么大，占用的空間很小。激光雷達(dá)的緊湊型結(jié)構(gòu)設(shè)計和合理的功率設(shè)定技術(shù)也為Teledyne光學(xué)技術(shù)公司的商業(yè)客戶帶來了利益，因為這些客戶也希望能夠使用尺寸更小、功率更低的精密儀器。”

保羅·拉羅克強(qiáng)調(diào)：“通過參與太空激光雷達(dá)項目獲得的緊湊型激光雷達(dá)設(shè)計技術(shù)，也為我們實現(xiàn)商業(yè)激光雷達(dá)產(chǎn)品的小型化提供了有力的支撐。”其中，Teledyne光學(xué)技術(shù)公司開發(fā)的一款小型化商用激光雷達(dá)幫助考古學(xué)家對比弗河畔的野牛獵殺區(qū)域進(jìn)行了掃描，獲得了重要的考古數(shù)據(jù)。

該考古研究團(tuán)隊利用西弗吉尼亞大學(xué)國家資源分析中心的Optech ALTM-3100C機(jī)載激光測繪系統(tǒng)對比弗流域進(jìn)行了激光掃描。梅格·沃特斯（Meg Watters）是考古學(xué)領(lǐng)域遙感和3D成像的專家，作為電視節(jié)目“Time Team America”中遙感和可視化組的導(dǎo)演兼主持人采訪了比弗河考古研究團(tuán)隊。他解釋說：“使用機(jī)載激光雷達(dá)并不能直接找到野牛的骨骼殘骸，但是能夠發(fā)現(xiàn)一些地質(zhì)特征，為開展考古研究提供線索。”Teledyne光學(xué)技術(shù)公司的激光雷達(dá)不僅能夠提供草地、灌木和樹木等植被覆蓋的地表的三維模型，也能夠移除植被，繪制裸露地表的模型。這是因為該公司的激光雷達(dá)發(fā)射的脈沖不止被反射一次。該系統(tǒng)發(fā)射的每個激光脈沖能夠獲得8次反射結(jié)果。例如，一次脈沖可能會碰到樹梢，然后遇到樹枝，然后是樹下的地面。這些激光反射數(shù)據(jù)利用Teledyne光學(xué)技術(shù)公司的軟件進(jìn)行處理后，研究人員就可以透過雜草，觀察裸露地表上的一些結(jié)構(gòu)和特征，而這些特征在雜草覆蓋的地表上根本就不明顯。梅格·沃特斯和領(lǐng)導(dǎo)比弗河考古研究團(tuán)隊的考古學(xué)家李·比門特能夠從掃描獲得的數(shù)據(jù)中分辨出預(yù)示著沖擊峽谷區(qū)域的微小差異圖像，然后在地面上找出這些區(qū)域，實地考察地面特征，尋找更多的細(xì)節(jié)，以確認(rèn)考古地點選擇的正確性。

一旦他們找到了目標(biāo)區(qū)域，考古學(xué)家就會使用工具開展考古發(fā)掘活動，尋找那些數(shù)千年前在那里生活、狩獵和死亡的人們，以及動物的骨頭和其它文物。李·比門特說：“在激光雷達(dá)的引導(dǎo)下，考古學(xué)家對兩個峽谷之間的山地進(jìn)行了考察，發(fā)現(xiàn)了一個獵物處理加工區(qū)，捕獵者將一些野牛帶回那里，并屠殺了它們。激光成像雷達(dá)在確定重點考察區(qū)域方面是非常有用的，幫助我們節(jié)省了大量的時間和精力。”

近年來，激光雷達(dá)掃描的數(shù)據(jù)結(jié)果已幫助考古學(xué)家獲得了數(shù)項重大發(fā)現(xiàn)，如確定了拉丁美洲洪都拉斯傳說中遺失的“黃金白城”的地址等。該考古團(tuán)隊的激光雷達(dá)測繪任務(wù)由位于美國休斯敦的國家機(jī)載激光測繪中心幫助完成，采用了Teledyne光學(xué)技術(shù)公司的“大力神”（Titan）和“雙子座”（Gemini）激光雷達(dá)。

盡管考古不是激光雷達(dá)最大的市場，因為激光雷達(dá)設(shè)備及其飛行測繪的價格較高，而考古項目的經(jīng)費(fèi)有限，但是，考古學(xué)家已經(jīng)越來越多地在考古活動中使用激光雷達(dá)掃描技術(shù)來支持其研究工作。

美國新英格蘭州康涅狄格大學(xué)在讀博士凱瑟琳·約翰遜與其導(dǎo)師威廉·維梅一起，利用公開發(fā)布的美國聯(lián)邦政府資助的康涅狄格州激光掃描數(shù)據(jù)，開展了該區(qū)域內(nèi)地形歷史的研究。利用這些數(shù)據(jù)，凱瑟琳·約翰能夠剝離地面植被，識別出殘存的石墻、建筑地基、廢棄的道路，以及曾經(jīng)的農(nóng)田。她解釋說：“如果沒有這些數(shù)據(jù)，我們就不得不走出去，親自去丈量這一切，對于這么大的區(qū)域來說，這是非常困難的。激光雷達(dá)的出現(xiàn)，已經(jīng)改變了研究人員開展地形研究的方式。” (唐 甜)