他在雨林中發(fā)現(xiàn)了瑪雅的“失落之城”，靠的居然是免費的地圖？

亞利桑那大學(xué)（University of Arizona）的考古學(xué)家野田武（Takeshi Inomata）最近十分興奮。研究瑪雅古文明的他，最近剛剛發(fā)現(xiàn)了一處失落已久的瑪雅遺跡，這對整個瑪雅文明的研究來說都是一個大進展。

而引領(lǐng)他找到這座“失落之城”的藏寶圖，居然是一張完全免費的在線地圖。

野田武利用免費的地圖發(fā)現(xiàn)一處瑪雅遺跡 | uanews.arizona.edu

免費激光雷達地圖中的瑪雅遺址

故事還要從20世紀80年代說起。當時的野田武是一名博士研究生。盡管那時的主流研究，都集中在了瑪雅文明政治經(jīng)濟的鼎盛時期（公元250-900年之間），但是野田武卻對瑪雅文化的起源更感興趣。當他能獨立進行研究的時候，他便迫不及待地要啟動這一項目。

沒有人研究起源是有道理的——文明起源時期的考古證據(jù)缺乏，也沒有成規(guī)模的遺跡，一切都要從零開始。直到2005年，他才和他的妻子、亞利桑那大學(xué)的人類學(xué)家丹妮拉·崔亞丹（Daniela Triadan）開始在危地馬拉的Peten雨林中挖掘古老的塞巴爾（Ceibal）城。在那里，他們發(fā)現(xiàn)了一些已知的最早的瑪雅建筑。

野田武博士和崔亞丹博士認為，最早的瑪雅文明，從一開始就受到了奧爾梅克人的影響，兩者的關(guān)系可以追溯到中美洲文明的起源。而為了進一步探究兩種文化間的關(guān)系，就需要研究塞巴爾古城和奧爾梅克文化中心之間的區(qū)域。

問題就在于，這片區(qū)域過于廣大了，北起墨西哥的韋拉克魯斯，南至危地馬拉，直線距離就有800多公里，絕大部分任何一個考古團隊都沒辦法窮盡。而這片區(qū)域，大部分都是無人涉足的熱帶雨林，在這些地方考古，是一項十分艱險的挑戰(zhàn)，需要負重測量設(shè)備，在叢林中艱辛跋涉，一個遺跡要搜尋幾年才能找到，非常耗時耗力的工作。

野田武很早就開始考慮，是否能夠利用技術(shù)手段，分析現(xiàn)有的地圖信息。一般人可能會想到GPS衛(wèi)星地圖——的確，現(xiàn)在的衛(wèi)星地圖能夠精確到1米，連地上的汽車都能看得清楚。但是對于考古學(xué)家來說，衛(wèi)星地圖的問題是太“平”了。大部分遺跡都被藏匿在雨林里，根本無法辨別。

還有一種比GPS更厲害、更精確的地圖：激光雷達圖（Lidar）。這種地圖能夠提供極其微小的地形地貌信息，但唯一的問題就是：太貴。不到100平方公里見方的商業(yè)激光雷達圖高達6萬多美元，這可不是考古系的研究經(jīng)費能承擔的。

不過，對于野田武而言，事情忽然有了轉(zhuǎn)機：他居然在網(wǎng)上找到了免費的資源！原來，墨西哥政府早就對這塊地方做了測繪，而一切都是公開可查詢的。

從墨西哥國立自治大學(xué)的考古學(xué)家羅德里戈·連多（Rodrigo Liendo）那里收到包含墨西哥南部所有地域的激光雷達地圖時，野田武激動到不知道說什么好。這幅地圖，由墨西哥國家統(tǒng)計與地理研究所(National Institute of Statistics and Geography)于2011年發(fā)布，覆蓋了墨西哥塔巴斯科州(Tabasco)和恰帕斯州(Chiapas) 11500平方公里的土地。其中，塔巴斯科州是奧爾梅克文化圣洛倫索（San Lorenzo）遺址的所在地。

野田武博士在地圖上清楚地看到了無數(shù)考古遺址的輪廓。到目前為止，他已經(jīng)用它鑒別了27個先前不為人知的瑪雅儀式中心的遺址，其中包含了一種考古學(xué)家從未見過的建筑類型。這些遺跡里，有些平臺長達1.6公里。

野田武博士說：“如果你走在平臺上面，你不會意識到你正走在古城遺跡之上，因為它太大了，看起來就像自然景觀的一部分，而現(xiàn)在，我們可以更好地看到整個社會的面貌”。

野田武發(fā)現(xiàn)的瑪雅遺跡 La Carmelita | Nacional Center for Airborne Laser Mapping

遺跡在現(xiàn)實中是這樣，看不出來與其它地方有什么不同 | 野田武

這些遺址可能有助于了解瑪雅文明的起源，正是野田武最感興趣的研究。目前，野田武團隊正在激光雷達地圖上發(fā)現(xiàn)的最大的宗教遺跡中心進行發(fā)掘，希望在那里了解更多的關(guān)于古瑪雅最早宗教儀式的信息。而墨西哥政府正不斷為這張免費地圖擴容，覆蓋新的區(qū)域。

Lidar，考古學(xué)家們的好朋友

激光雷達在考古領(lǐng)域的應(yīng)用，從21世紀初便開始了。尤其對于隱藏在茂密植被下的遺跡而言，激光雷達技術(shù)為考古學(xué)家們省去了不少在叢林中的艱苦跋涉和測繪?，F(xiàn)在，考古學(xué)家們利用激光雷達技術(shù)，只需要找到目標，再舒舒服服地坐飛機過去，幾天就可以搞定測繪工作。

波莫納學(xué)院(Pomona College)的考古學(xué)家阿倫·蔡斯(Arlen Chase)是激光雷達的早期使用者之一。他使用激光雷達技術(shù)，于2009年繪制了位于伯利茲的瑪雅城市卡拉科爾(Caracol)的地圖。他的兒子阿德里安·蔡斯(Adrian Chase)目前在亞利桑那州立大學(xué)攻讀博士學(xué)位，研究課題是用激光雷達比較卡拉科爾4000多戶人家的居住面積，以此推斷當時的社會不平等程度（和現(xiàn)在一樣，富裕的居民擁有更大的房子）。

在激光雷達出現(xiàn)之前，這樣的批量分析幾乎是不可能的。2013年，悉尼大學(xué)（University of Sydney）的考古學(xué)家達米安·埃文斯（Damian Evans）團隊就利用激光雷達技術(shù)，在森林里發(fā)現(xiàn)了柬埔寨沉寂1200年的Mahendraparvata古城。

激光雷達是什么呢？

Lidar是“光探測和測距”（Light Detection and Ranging）的簡稱，是一種利用脈沖激光形式的光，來測量可變距離的遙感方法。激光雷達儀器主要由激光、掃描儀和專用全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）接收器組成，現(xiàn)在很多都是用飛機和直升機作為搭載完成。

2015年，野田武團隊在休斯頓大學(xué)（University of Houston）國家航空激光測繪中心(NCALM)的工作人員的幫助下，在短短6天時間內(nèi)，就完成了塞巴爾古城周圍470平方千米區(qū)域的測繪和激光雷達數(shù)據(jù)收集。

他們將激光雷達設(shè)備放置在小型飛機上，盤旋在距雨林700米的高空。當特定波長的激光從機載發(fā)射器出發(fā)后，一些激光穿透雨林濃密的冠層，抵達目標時，光束被它所遇到的表面反射，返回接收傳感器，其間記錄的時間，用來計算目標與激光發(fā)射器之間的距離，并據(jù)此記錄地面的三維形態(tài)。這就類似一道初中物理題——已知光速和光源到某一點的往返時間，計算光源與目標位置的距離。

針對不同植被密度以及海拔高度的區(qū)域，工作人員還要相應(yīng)地調(diào)整飛行高度以及發(fā)射激光的頻率，對于塞巴爾城中心區(qū)域，分別從700米、600米和400米高度，打出不同頻率的脈沖“組合拳”，穿透層層樹林，為這個地方提供了極其細微的考古特征。

密密麻麻的數(shù)據(jù)并不能直觀地表現(xiàn)出遺跡的形態(tài)，此時，就需要數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）來幫忙了。

DEM是通過地形高程數(shù)據(jù)，即放置在飛機上由激光掃描所得到的的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對地面地形的數(shù)字化模擬，是一種實體的表現(xiàn)方法。數(shù)據(jù)跑完之后，研究團隊就得到了一個水平分辨率為0.5米，去除植被后的模型，一座失落的古遺跡，就這樣出現(xiàn)在了屏幕上。

Lidar數(shù)據(jù)經(jīng)過DEM后的裸地模型

Lidar給人類的終極禮物

激光雷達技術(shù)不僅為考古學(xué)家提供了分析古代世界的新方法，也能讓人類看待當下和未來視角發(fā)生的變化——我們能不能用激光掃描，繪制出地球上所有土地的詳細地圖呢？

科羅拉多州立大學(xué)（Colorado State University）的考古學(xué)家克里斯·費希爾（Chris Fisher）教授正在推動這件事，建立一個“地球檔案館”。這一項目的靈感，來源于非盈利組織CyArk，該組織正在使用激光雷達技術(shù)以3D方式記錄文化遺跡和遺址。

不過，激光雷達可以記錄的東西，可遠不僅僅是這些。

激光雷達可應(yīng)用的范圍十分靈活，依據(jù)不同的用途，激光測距的光學(xué)參數(shù)也會有所調(diào)整，例如，測量地形時，通常使用波長為1047 nm、1064 nm、1550nm等的近紅外激光；而測量海底和河床的海拔高度時，則采用透水性較好的藍綠激光波段，如532 nm。

因此，激光雷達不僅可以掃描陸地，對于冰蓋、沿海、深海等水域環(huán)境的地理空間信息也可以輕松得到，構(gòu)建整個地球的3D地圖不是夢。而且，數(shù)據(jù)的分辨率已經(jīng)高到十分驚人?！拔覀兛梢钥吹降孛嫔洗蠹s20厘米的東西，大約是一塊建筑用磚塊的大小。”

激光雷達在陸地和冰蓋上都能工作良好，而這對于受海平面上升威脅的沿海地區(qū)，以及亞馬孫河流域的記錄，具有重要的現(xiàn)實意義。

除此之外，激光雷達還可以揭示森林的年齡和復(fù)雜性，用于重建景觀，并跟蹤其經(jīng)年累月的變化。對于層次豐富且差異分布的生態(tài)系統(tǒng)（如森林）而言，激光雷達技術(shù)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的耗時耗力的野外調(diào)查法，估算森林的地上生物量。而對于白茫茫的極地而言，激光雷達可以監(jiān)測冰蓋厚度，定量分析極地冰川的降雪累積程度，從而得到冰川消融與全球溫度變化之間的關(guān)系。

費希爾教授推動這個項目的目的，是為了應(yīng)對氣候危機。在受威脅的文化遺產(chǎn)——考古遺址、景觀，還有生態(tài)遺產(chǎn)——植物、動物，以及這些地方的整個景觀、地質(zhì)、水文等發(fā)生根本性變化之前，將一切記錄下來，作為送給后代的終極禮物。

對我們而言，激光雷達就像一只眼睛，它既能看到遠古，也能記錄未來；能以細微精度兼顧廣袤大地，并建立起過去和未來的橋梁。而這正是科學(xué)存在的意義。

參考文獻

[1] https://www.nytimes.com/2019/10/08/science/archaeology-lidar-maya.html

[2] https://www.theguardian.com/science/2019/oct/11/ultimate-gift-to-future-generations-plan-to-laser-map-all-land-on-earth

[3] https://oceanservice.noaa.gov/facts/lidar.html

[4] https://doi.org/10.1371/journal.pone.0221943

[5] https://academic.oup.com/bioscience/article-pdf/52/1/19/26891841/52-1-19.pdf

[6] https://www.pnas.org/content/pnas/110/31/12595.full.pdf

[7] http://cdmd.cnki.com.cn/Article/CDMD-85402-1015543026.htm

[8] http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZNTB201826009.htm

作者：Vivian

編輯：李子李子短信、Cloud