• 激光雷達,揭開土地上的“神秘面紗”

               人類在地球上渺小而又頑強地繁衍著,在這廣袤的大地上,我們的祖先是如何生活的呢?他們種植糧食、搭建房屋、組成部落、建立城市,留下了存在過的痕跡。

      通過對古跡的勘探,我們能夠推測古人的生活方式、社會文化以及技術發展水平。不過,歷經千百年的時光,尋找古人留下的遺跡可不是一件容易的事情。

      因為滄海桑田,原本的建筑可能已經被深埋在地底下,不論是廣袤的植被還是茂密的森林,它們都能輕易阻擋我們對地下世界的探索。不過,激光雷達技術的出現卻能幫助我們揭開土地上的“面紗”,讓我們看見大地最原始的“面貌”。


    激光雷達,勘探遺跡的利器

      20世紀初,英國探險家珀西·福斯特(Percy Fawceet)多次深入亞馬遜地區,尋找曾經存在于那片土地上的古文明,卻在尋找遺跡的行動中,永遠迷失在亞馬遜的密林中。于是,亞馬遜地區的歷史遺跡就同那一支探險隊一起從人們的視野中消失了。

      不過,最近《自然》雜志上刊登了一篇論文,科學家們利用激光雷達,終于得到了亞馬遜河流域森林中,古代城市遺跡的面貌圖。讓我們先看看遺跡長什么樣:

     

     圖片來源:參考文獻1

      圖中顯示的這些建筑是由卡薩拉貝社區于公元500-1400年間建造的,是以前的房屋、梯田、圍墻等人造事物的痕跡。這張圖片是直升機搭載激光雷達在森林上空進行勘探并經過后期圖像處理得到的。

      不過也許你會發現,這張圖似乎和平時的航拍圖片有些不一樣,其實最大的區別就在于——樹林不見了。

     

     

      左:航拍相機獲取的森林圖片

      右:同一地點激光雷達探測得到的圖片

      圖片來源:參考文獻1

      沒有了樹林的遮蔽,古建筑遺存下的痕跡變得一覽無余??脊殴ぷ饕簿妥兊庙樌嗔?,想想激光雷達出現之前,為了勘探森林中的遺跡,還要先學會野外生存,實地考察時還要在熱帶森林里上躥下跳(考古學家:我太難了)。

      現在有了激光雷達,考古學家們就可以避開樹木的干擾,更清晰的觀察古建筑遺址了。那么,排除樹木干擾的地形圖是怎樣繪制出來的呢?

     

      主動成像,照亮幽暗角落

      茂密的森林,樹葉遮擋了大部分的陽光,很少有陽光能夠照射到樹林下的地面,從天上觀察的時候,普通的相機幾乎沒辦法獲得地面的影像,葉子的縫隙處多是黑漆漆的陰影。

      相機是一種被動的成像裝備,相機接收外界事物發出或者反射的光線后,才能形成照片;激光雷達則是主動的探測器,它自己會發出激光去探測外界的形貌。

     

      對于森林這種復雜形貌,依然有不少激光光線能夠到達樹林下的地面,激光雷達探測得到的點云數據會被送入計算機,計算機識別哪些數據點是森林的,哪些是地面的,接著濾除森林的點云數據,剩下的就是地面的形貌數據啦。


    激光雷達獲得的原始點云數據

    圖片來源:answers.usgs.gov


    計算機對點云進行分類(黑色點為植被的數據點,彩色點為地表的數據點)

    圖片來源:參考文獻2

     

    濾除植被點云后獲得的地形表面裸土圖像,又稱為數字高程模型(DEM)

    圖片來源:answers.usgs.gov

      激光雷達在地形繪制方面的“超能力”,讓全世界的考古學家都喜歡上了它。2016年,pacaunam計劃對位于危地馬拉的瑪雅生物圈保護區進行了大規模的激光雷達調查,調查發現了六萬余座古建筑,一百多公里的堤道,這一結果表明該區域存在過由數百萬人口構成的瑪雅文明。

      良渚古城的勘測考察工作也用到了這項技術,激光雷達掃描良渚古城遺址,濾除地面的植被后,古城的水利設施,外郭等結構都顯現了出來。

     

      不僅能發現過去,還能預警未來

      除了利用激光雷達探測遺跡,激光雷達對地形地貌的清晰呈現也讓它在預防山體滑坡中發揮了作用。

      山體滑坡是常見的地質災害之一,每年都有人因為山體滑坡損失財產甚至失去生命。了解山體滑坡的產生機制,觀察山體滑坡的發生前兆,建立相應的滑坡預測系統,是減輕山體滑坡危害的重要手段。

      利用激光雷達測繪得到的高精度數字高程模型(HRDEM)是幫助地質學家分析山體滑坡機理,建立預警模型的得力幫手。

      研究山體滑坡,需要大量的滑坡數據作為研究素材??茖W家們利用遙感衛星、激光雷達、航空相機等觀測手段建立了滑坡清單地圖。

      地圖標示出了各個地區以往滑坡的位置,滑坡的形貌,還包含該地區的降雨、土壤類型,地震震動程度等信息。利用滑坡清單地圖,人們可以計算各區發生滑坡的可能性。 

      

    基于激光雷達測繪得到的滑坡清單地圖,不同顏色的區域代表不同類型的山體滑坡右下角小地圖中的紅色色塊代表深層滑坡,藍色色塊代表淺層滑坡。

    圖片來源:參考文獻3

            山體滑坡發生之前,滑坡底部會形成一定高度的隆起,坡面會產生裂紋。由于植被的覆蓋,沒辦法憑肉眼或攝像機觀測這些征兆,但借助激光雷達就可以很好的解決這個問題。

      在山體滑坡高發的地方部署搭載激光雷達的無人機群,對坡面的表面形貌進行不間斷的掃描觀測,觀測數據將有效提高我們預測山體滑坡的能力與準確性。

      想要探尋某塊土地過去發生的活動遺跡不是一件簡單的事情,隨著時間的流逝,不論是人類活動還是地殼變化留下的痕跡都會逐漸被大自然淹沒。但是,激光雷達卻給了我們重新認識“過去”的機會,讓我們從“過去”的遺跡中尋找到對未來的啟發。


      參考文獻:

      [1] Erickson C L . An artificial landscape-scale fishery in the Bolivian Amazon.[J]. Nature, 2000, 408(6809):190-3.

      [2] Vanvalkenburgh P ,  Cushman K C . Lasers Without Lost Cities: Using Drone Lidar to Capture Architectural Complexity at Kuelap, Amazonas, Peru[J]. Journal of Field Archaeology, 2020, 45(supplement 1).

      [3]Gorum, Tolga. Landslide recognition and mapping in a mixed forest environment from airborne LiDAR data.

      [4]M, J, Lato, et al. Reducing Landslide Risk Using Airborne Lidar Scanning Data[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2019, 145(9).

      [5]https://www.usgs.gov/faqs/what-difference-between-lidar-data-and-digital-elevation-model-dem

      [6]http://m.app.cctv.com/video/detail/aa9c36ee6d92b0a7a7a98d2f86eb447c/index.shtml

      出品:科普中國

      作者:海里的咸魚

      監制:中國科普博覽

     
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