激光雷达技术助力考古学家发掘历史遗迹

Laser Imaging Helps Archaeologists Dig Up History

约10500年前，夏末秋初时节，现美国俄克拉荷马州西部地区草木茂盛，野牛遍地。对于当时的人类来说，大型哺乳动物是一种重要的食物来源，因此，每年的这个时候，人们都会聚集在比弗（Beaver）河畔，在野牛经过这片区域时进行捕猎。一些捕猎者将野牛群赶到狭窄、没有出口的峡谷里，另一些捕猎者手持长矛，等在峡谷边，猎杀成群的野牛。他们割下上等的牛肉当作食物，留下成堆的尸骨。

今天，漫步美国俄克拉荷马州西部，已经很难找到明显的证据来证明那段曾经的狩猎历史了，因为几乎没有野牛幸存下来，而且泥土和岩石已经将这些峡谷完全覆盖了。但是，借助于高科技的设备，如激光遥感设备，即激光雷达，通过扫描陆地景观，科学家能够发现肉眼难以发现的各种细节特征，为考古学家提供隐藏在地表下的化石和残骸的线索。而这种激光遥感技术的发展主要归功于在太空中寻找和探测行星、卫星和小行星等不同天体的科学家。

在激光雷达进行扫描时，一台或多台激光器发出短脉冲，当激光脉冲碰到云层、树叶、岩石等障碍物时就会被反射回来。“起源，光谱释义，资源识别，安全—风化层探测器”（OSIRIS-REx）项目激光系统的主管、美国国家航空航天局（NASA）戈达德空间飞行中心的科学家乔治·肖解释说：“OSIRIS-Rex项目旨在向小行星发射一枚探测器，以收集小行星样本并将其带回地球。当激光脉冲离开激光器时，系统中的探测器就会开启一个电子时钟。在激光脉冲接触到物体表面时，激光部分发生散射，另外一部分被反射回来，反射回来的激光将被引导到一个光电探测器上，使电子时钟停止。通过该系统能够计算出激光脉冲从发射到返回需要的时间，并根据这些信息获知激光雷达到物体表面的距离。脉冲雷达对小行星表面进行成千上万次甚至几百万、上千万次扫描，最终可以获得小行星表面的高分辨率三维地形图。OSIRIS-Rex上搭载的激光高度计（OLA）将采用2台激光器来扫描目标小行星贝努（Bennu）的表面，并创建三维地图，帮助任务团队选择合适的地点收集小行星样本。理想情况下，任务团队将找到一片没有巨石，但是有小颗粒沙石或砾石的平坦区域。”

事实上，早在1971年的“阿波罗”15号任务中，NASA就已经开始在其航天任务中使用激光雷达了。随着航天技术的发展和太空探索活动的拓展，NASA通过内部开发，以及与商业公司合作两种方式推动了激光雷达技术的持续发展。

加拿大麦克唐纳·黛特威尔联合公司、雷达设计商Teledyne光学技术公司与加拿大航天局签订了合作协议，共同开发OLA。这并不是Teledyne光学技术公司首次参与NASA的航天项目。Teledyne光学技术公司成立40多年来，在美国密西西比州和纽约州均设有办公室，专业从事激光雷达设备的设计和制造业务。2008年，该公司为“凤凰”号火星探测器设计开发的激光雷达设备获得了重要发现。“凤凰”号火星探测器上的地基激光雷达通过测量火星大气中的尘埃和云层对激光的反射情况，积累了火星大气检测的大量资料。Teledyne光学技术公司负责特殊项目的副总裁保罗·拉罗克说：“根据激光雷达显示的结果，科学家研究发现，造成‘凤凰’号火星探测器上方火星大气中出现亮条纹的物体可能是冰晶。”也就是说，Teledyne光学技术公司的激光雷达在火星大气中发现了固态水——雪。

自那时起，Teledyne光学技术公司就开始充分利用为“凤凰”号火星探测器设计激光雷达的相关研究成果，不仅将这些创新技术应用到OLA的研发中，开发出了一款采用新版本高能扫描激光器的产品，还将这些技术应用到商用产品中，扩大了其应用范围。

高级工程师杰夫·特里普解释说：“激光雷达如果要在航天任务中应用，其尺寸、重量和功率都是需要特别关注的问题。在地球上使用的激光雷达大多很重，体积也很大，不适合应用于‘凤凰’号火星探测器。为了满足航天发射要求，在‘凤凰’号火星探测器上应用的激光雷达必须足够轻。最终，这一特殊的激光雷达的重量不足9.1kg，且仅有面包盒那么大，占用的空间很小。激光雷达的紧凑型结构设计和合理的功率设定技术也为Teledyne光学技术公司的商业客户带来了利益，因为这些客户也希望能够使用尺寸更小、功率更低的精密仪器。”

保罗·拉罗克强调：“通过参与太空激光雷达项目获得的紧凑型激光雷达设计技术，也为我们实现商业激光雷达产品的小型化提供了有力的支撑。”其中，Teledyne光学技术公司开发的一款小型化商用激光雷达帮助考古学家对比弗河畔的野牛猎杀区域进行了扫描，获得了重要的考古数据。

该考古研究团队利用西弗吉尼亚大学国家资源分析中心的Optech ALTM-3100C机载激光测绘系统对比弗流域进行了激光扫描。梅格·沃特斯（Meg Watters）是考古学领域遥感和3D成像的专家，作为电视节目“Time Team America”中遥感和可视化组的导演兼主持人采访了比弗河考古研究团队。他解释说：“使用机载激光雷达并不能直接找到野牛的骨骼残骸，但是能够发现一些地质特征，为开展考古研究提供线索。”Teledyne光学技术公司的激光雷达不仅能够提供草地、灌木和树木等植被覆盖的地表的三维模型，也能够移除植被，绘制裸露地表的模型。这是因为该公司的激光雷达发射的脉冲不止被反射一次。该系统发射的每个激光脉冲能够获得8次反射结果。例如，一次脉冲可能会碰到树梢，然后遇到树枝，然后是树下的地面。这些激光反射数据利用Teledyne光学技术公司的软件进行处理后，研究人员就可以透过杂草，观察裸露地表上的一些结构和特征，而这些特征在杂草覆盖的地表上根本就不明显。梅格·沃特斯和领导比弗河考古研究团队的考古学家李·比门特能够从扫描获得的数据中分辨出预示着冲击峡谷区域的微小差异图像，然后在地面上找出这些区域，实地考察地面特征，寻找更多的细节，以确认考古地点选择的正确性。

一旦他们找到了目标区域，考古学家就会使用工具开展考古发掘活动，寻找那些数千年前在那里生活、狩猎和死亡的人们，以及动物的骨头和其它文物。李·比门特说：“在激光雷达的引导下，考古学家对两个峡谷之间的山地进行了考察，发现了一个猎物处理加工区，捕猎者将一些野牛带回那里，并屠杀了它们。激光成像雷达在确定重点考察区域方面是非常有用的，帮助我们节省了大量的时间和精力。”

近年来，激光雷达扫描的数据结果已帮助考古学家获得了数项重大发现，如确定了拉丁美洲洪都拉斯传说中遗失的“黄金白城”的地址等。该考古团队的激光雷达测绘任务由位于美国休斯敦的国家机载激光测绘中心帮助完成，采用了Teledyne光学技术公司的“大力神”（Titan）和“双子座”（Gemini）激光雷达。

尽管考古不是激光雷达最大的市场，因为激光雷达设备及其飞行测绘的价格较高，而考古项目的经费有限，但是，考古学家已经越来越多地在考古活动中使用激光雷达扫描技术来支持其研究工作。

美国新英格兰州康涅狄格大学在读博士凯瑟琳·约翰逊与其导师威廉·维梅一起，利用公开发布的美国联邦政府资助的康涅狄格州激光扫描数据，开展了该区域内地形历史的研究。利用这些数据，凯瑟琳·约翰能够剥离地面植被，识别出残存的石墙、建筑地基、废弃的道路，以及曾经的农田。她解释说：“如果没有这些数据，我们就不得不走出去，亲自去丈量这一切，对于这么大的区域来说，这是非常困难的。激光雷达的出现，已经改变了研究人员开展地形研究的方式。” (唐 甜)