激光雷達技術助力考古學家發掘歷史遺跡

激光雷達技術助力考古學家發掘歷史遺跡

Laser Imaging Helps Archaeologists Dig Up History

約10500年前，夏末秋初時節，現美國俄克拉荷馬州西部地區草木茂盛，野牛遍地。對于當時的人類來說，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，在野牛經過這片區域時進行捕獵。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，已經很難找到明顯的證據來證明那段曾經的狩獵歷史了，因為幾乎沒有野牛幸存下來，而且泥土和巖石已經將這些峽谷完全覆蓋了。但是，借助于高科技的設備，如激光遙感設備，即激光雷達，通過掃描陸地景觀，科學家能夠發現肉眼難以發現的各種細節特征，為考古學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的發展主要歸功于在太空中尋找和探測行星、衛星和小行星等不同天體的科學家。

在激光雷達進行掃描時，一臺或多臺激光器發出短脈沖，當激光脈沖碰到云層、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—風化層探測器”（OSIRIS-REx）項目激光系統的主管、美國國家航空航天局（NASA）戈達德空間飛行中心的科學家喬治·肖解釋說：“OSIRIS-Rex項目旨在向小行星發射一枚探測器，以收集小行星樣本并將其帶回地球。當激光脈沖離開激光器時，系統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，激光部分發生散射，另外一部分被反射回來，反射回來的激光將被引導到一個光電探測器上，使電子時鐘停止。通過該系統能夠計算出激光脈沖從發射到返回需要的時間，并根據這些信息獲知激光雷達到物體表面的距離。脈沖雷達對小行星表面進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小行星貝努（Bennu）的表面，并創建三維地圖，幫助任務團隊選擇合適的地點收集小行星樣本。理想情況下，任務團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域。”

事實上，早在1971年的“阿波羅”15號任務中，NASA就已經開始在其航天任務中使用激光雷達了。隨著航天技術的發展和太空探索活動的拓展，NASA通過內部開發，以及與商業公司合作兩種方式推動了激光雷達技術的持續發展。

加拿大麥克唐納·黛特威爾聯合公司、雷達設計商Teledyne光學技術公司與加拿大航天局簽訂了合作協議，共同開發OLA。這并不是Teledyne光學技術公司首次參與NASA的航天項目。Teledyne光學技術公司成立40多年來，在美國密西西比州和紐約州均設有辦公室，專業從事激光雷達設備的設計和制造業務。2008年，該公司為“鳳凰”號火星探測器設計開發的激光雷達設備獲得了重要發現。“鳳凰”號火星探測器上的地基激光雷達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光學技術公司負責特殊項目的副總裁保羅·拉羅克說：“根據激光雷達顯示的結果，科學家研究發現，造成‘鳳凰’號火星探測器上方火星大氣中出現亮條紋的物體可能是冰晶。”也就是說，Teledyne光學技術公司的激光雷達在火星大氣中發現了固態水——雪。

自那時起，Teledyne光學技術公司就開始充分利用為“鳳凰”號火星探測器設計激光雷達的相關研究成果，不僅將這些創新技術應用到OLA的研發中，開發出了一款采用新版本高能掃描激光器的產品，還將這些技術應用到商用產品中，擴大了其應用范圍。

高級工程師杰夫·特里普解釋說：“激光雷達如果要在航天任務中應用，其尺寸、重量和功率都是需要特別關注的問題。在地球上使用的激光雷達大多很重，體積也很大，不適合應用于‘鳳凰’號火星探測器。為了滿足航天發射要求，在‘鳳凰’號火星探測器上應用的激光雷達必須足夠輕。最終，這一特殊的激光雷達的重量不足9.1kg，且僅有面包盒那么大，占用的空間很小。激光雷達的緊湊型結構設計和合理的功率設定技術也為Teledyne光學技術公司的商業客戶帶來了利益，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·拉羅克強調：“通過參與太空激光雷達項目獲得的緊湊型激光雷達設計技術，也為我們實現商業激光雷達產品的小型化提供了有力的支撐。”其中，Teledyne光學技術公司開發的一款小型化商用激光雷達幫助考古學家對比弗河畔的野牛獵殺區域進行了掃描，獲得了重要的考古數據。

該考古研究團隊利用西弗吉尼亞大學國家資源分析中心的Optech ALTM-3100C機載激光測繪系統對比弗流域進行了激光掃描。梅格·沃特斯（Meg Watters）是考古學領域遙感和3D成像的專家，作為電視節目“Time Team America”中遙感和可視化組的導演兼主持人采訪了比弗河考古研究團隊。他解釋說：“使用機載激光雷達并不能直接找到野牛的骨骼殘骸，但是能夠發現一些地質特征，為開展考古研究提供線索。”Teledyne光學技術公司的激光雷達不僅能夠提供草地、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發射的脈沖不止被反射一次。該系統發射的每個激光脈沖能夠獲得8次反射結果。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。這些激光反射數據利用Teledyne光學技術公司的軟件進行處理后，研究人員就可以透過雜草，觀察裸露地表上的一些結構和特征，而這些特征在雜草覆蓋的地表上根本就不明顯。梅格·沃特斯和領導比弗河考古研究團隊的考古學家李·比門特能夠從掃描獲得的數據中分辨出預示著沖擊峽谷區域的微小差異圖像，然后在地面上找出這些區域，實地考察地面特征，尋找更多的細節，以確認考古地點選擇的正確性。

一旦他們找到了目標區域，考古學家就會使用工具開展考古發掘活動，尋找那些數千年前在那里生活、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：“在激光雷達的引導下，考古學家對兩個峽谷之間的山地進行了考察，發現了一個獵物處理加工區，捕獵者將一些野牛帶回那里，并屠殺了它們。激光成像雷達在確定重點考察區域方面是非常有用的，幫助我們節省了大量的時間和精力。”

近年來，激光雷達掃描的數據結果已幫助考古學家獲得了數項重大發現，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。該考古團隊的激光雷達測繪任務由位于美國休斯敦的國家機載激光測繪中心幫助完成，采用了Teledyne光學技術公司的“大力神”（Titan）和“雙子座”（Gemini）激光雷達。

盡管考古不是激光雷達最大的市場，因為激光雷達設備及其飛行測繪的價格較高，而考古項目的經費有限，但是，考古學家已經越來越多地在考古活動中使用激光雷達掃描技術來支持其研究工作。

美國新英格蘭州康涅狄格大學在讀博士凱瑟琳·約翰遜與其導師威廉·維梅一起，利用公開發布的美國聯邦政府資助的康涅狄格州激光掃描數據，開展了該區域內地形歷史的研究。利用這些數據，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，以及曾經的農田。她解釋說：“如果沒有這些數據，我們就不得不走出去，親自去丈量這一切，對于這么大的區域來說，這是非常困難的。激光雷達的出現，已經改變了研究人員開展地形研究的方式。” (唐 甜)