激光雷达如何探索人眼看不到的世界?

激光雷达如何探索人眼看不到的世界?
地下古城发现于吴哥窟以西。
激光雷达如何探索人眼看不到的世界?
雷达激光发现的地下古城轮廓图。
激光雷达如何探索人眼看不到的世界?
英国将激光雷达搜集的数据绘制成3D影像。

随着科技的发展,新技术在各领域逐步获得应用。如同使用地图探索未知世界的早期探险者,现在人类正以更先进的方式来发现失落的文明,并规划未来城市,激光雷达就像人类的第三只眼,已经在地图应用方面发挥巨大作用。

人类探索世界奥秘的能力在不断增强,步伐也在不断加快。一方面,通过各种先进的技术不断开阔眼界,认识茫茫太空;另一方面,也在不断回望过往,了解自身的历史。

激光雷达:

这是一种利用紫外线、可见光或近红外光进行物体成像的遥感技术。激光能够穿透密林和一定深度的水体,获得林下或水中的三维空间数据,通过点状数据的累积、叠加,能形成有一定清晰度的三维图形。

英国用激光雷达扫描整个国家发现不少历史遗迹

被用于自动驾驶的激光雷达(lidar)技术,也被大量用于搜集城市地理信息,发掘历史遗迹。英国扫描国土的最初目的是防范洪水。

从1998年开始,英国环保部就用激光雷达对英国国土进行扫描,将搜集的数据绘制成3D图像。该项目最初的目的是为了记录海岸线变化,防范洪水,但现在已经被用于城市规划、治理非法倾倒等多种新的用途。

2017年12月份,英国环保部公布了新的规划,计划在2020年前完成对整个国家的扫描,目前的进度是75%。新的规划将覆盖此前没有全部扫描的山林地带,精度也会提高到1米。英国环保局已经开放了该数据库,以半年更新一次的速度补充后续新的数据。

在扫描时,飞机上搭载的激光扫描设备每秒钟发射出100万次脉冲,通过计算发射、反射的时间,来衡量飞机和物体之间的距离,形成点阵,后期处理后形成3D图像。

英国环保部的遥感团队拥有2架飞机Cessna404(G-MIND)、Cessna406(G-LEAF)从事该项目。在激光雷达设备之外,遥感团队还配置了用于拍摄高清图片的航空摄影设备。激光扫描通常是在冬季,这段时间的树叶对于绘制信息的影响最小。

这些激光雷达的数据,至今帮助考古学家发现了至少4条古罗马道路,也就是古罗马时期修建的道路。古罗马时期修建、被用于加强对各地管控的这些道路,通常有5-7米宽,高度在道路中间有0.5米高。虽然规模较大,但由于掩埋在地下、侵蚀严重,很难被发现。

David Ratledge是一名业余考古学家,寻找古罗马道路已经47年。他曾经在2016年发现一条17公里长的古罗马道路,其中英国环保部的激光雷达数据库提供了不少帮助。在此之前,David Ratledge主要依靠的是航拍图片。

“你在寻找的是一条长而直的线或者山脊,”David Ratledge 称:“如果它穿过了很多农田,你可能就找到了一条古罗马道路。”

激光雷达揭开吴哥窟旁的地下古城面纱

2015年,澳大利亚悉尼大学联合法国、英国、日本、匈牙利、美国、印尼、柬埔寨等国家,利用直升机搭载激光雷达设备,对吴哥窟遗址及周边森林区域展开空中扫描,在柬埔寨吴哥窟附近的热带丛林中,发现多处地下城市遗迹,其规模甚至与柬埔寨首都金边相当!取得这一重大发现的,是一种全新的考古方法,即航空三维激光雷达扫描技术。

这座埋藏在地下的城市,建于古代高棉帝国初期,大致相当于中国的唐代。这一发现把吴哥中心古城遗址的范围扩展了近4倍,还将这里的历史向前推进了350年,有望改写东南亚历史!

这座古城被发现于吴哥窟以西40公里,在一片茂密的丛林之下。据推测,该城应建于9世纪初,是高棉帝国的第一座城市,当地人称这座新发现的古城为“摩醯因陀山城”。考古队员进入密林中实地考察,发现这里有雕像、寺庙、运河、道路、洞穴,以及可能是陵墓的土丘等。同样,因柬埔寨中古时代史料极其缺乏,这座古老的城市和吴哥文明一样,充满了神秘色彩!

澳大利亚莫纳什大学名誉教授、柬埔寨历史研究者戴维钱德勒称,这一考古新发现,将帮助人们更多地了解吴哥文明如何繁荣、如何衰败,是在“重写历史”!

取得这一重大考古发现的,是澳大利亚考古学家达米安埃文斯率领的考古团队。他们用激光雷达扫描了大约1900平方公里的区域,终于发现了这座掩藏在热带雨林下的古城遗迹。

激光雷达这一考古“神器”,在肉眼无法看到的丛林地下,“分析”出了一座失落的古城。这一有别于传统考古方式的新技术,无疑为以后的田野考古探查方式带来很多启发!

这种科技考古手段,很适合大尺度、大区域范围内的考古探查。实地调查获得的信息往往是局部性的,而激光扫描地面一次性所得的信息更为海量,是传统考古手段所不能比的。

当然,科技考古有优点也有缺点,它能提升现代考古的能力,但并不能取代传统考古方法。比如,激光雷达考古能绘出文物、遗迹的三维形象,但对考古对象的材料、质感等信息难以把握。

并且,科技手段发现文化遗存线索后,还需要传统考古手段进行细节内容的完善,比如历史文献资料和田野考古验证等。

用激光雷达技术再探玛雅

吴哥窟附近地下古城的发现,不是国际考古学界开展的唯一一个激光雷达项目。类似的还有美国佛罗里达大学开展的玛雅新古城考古。

研究人员利用激光雷达技术,对中美洲危地马拉丛林地区进行了扫描,出人意料地揭示了6万处以往不为人知的结构。这意味着,这里曾经是一片规模巨大的都市,可能有数百万人以此为家。远远超过了以往人们的想象。考古学者调查发现,在都市周围有一片2100平方公里的丛林区域,其中包含新发现的宫殿、桥梁、防御工事、住所以及其他人造建筑。这些在数个世纪以来都未曾有人光顾。最让人惊奇的是考古学家发现了高速路,连接着几乎所有的城市中心,以及城市中心的采石场。这些构造被有意建高,以便在雨天容易使用。而路的宽度表明当时的交通十分繁忙,贸易活动发达。

另外,研究人员还找到了复杂的灌溉和梯田系统,这说明当时庞大的人口有发达的农业来予以供养。运河、堤坝和水库使丛林的雨水得到控制,防御工事则表明战争是一个重要而持续的问题。

伊塔卡大学考古学家托马斯·加里森介绍说:“激光雷达图像清楚地表明,整个地区曾是一个定居系统,其规模和人口密度以前被严重低估。”随着数字技术的进步,其在研究中的作用也越来越大。特别是激光雷达,在考古学研究中越来越受欢迎。激光可以穿透树叶和水,研究人员可以用它来创建3D地图。

洪都拉斯丛林中发现“白城”遗迹

据美国《国家地理》杂志报道,受玛雅新发现考古方法的影响,洪都拉斯“白城文明”的寻找也采用了激光雷达技术。2012年,考古学家发现隐藏在洪都拉斯东部地区雨林中的金字塔和纪念碑,揭开一千多年前文明的遗迹。

“白城”又称“黄金白城”,是洪都拉斯传说中一座用白色石头建成的、拥有巨大财富的城市。1000多年前曾繁盛一时,后来消失于丛林中。

中世纪的西班牙征服者和现代的探险家及宝藏搜寻者,都在苦苦寻找白城,但一直无果。

据悉,使用激光雷达扫描技术后,在洪都拉斯一处丛林中,已发现一些林下遗迹,后续的寻找还在进行中。洪都拉斯总统已下令派部队进驻该地区,防止文物遭抢……

雷达激光在其他领域方面的应用

2015年,美国州议会就委托华盛顿地质调查局自然资源部开始这项激光雷达描绘计划,这些看似抽象艺术的画面,其实是地理学家们用不同的激光雷达绘制出的那些隐藏在美国华盛顿州易发生山体滑坡的高危地区。这些地质图,将山体滑坡地区、火山、冰川、河流,还有易发生海啸洪水的地区都清晰地展现出来。

巴黎启动激光雷达探测大气悬浮颗粒

法国巴黎启动了一项利用激光雷达系统测定空气悬浮颗粒的计划。巴黎希望通过这一计划掌握城市污染颗粒的总量及活动特点,从而精确掌握其对人体的影响。

巴黎市将与法国环境气候科学实验室合作实施这一计划。这项技术仅用光线和雷达就能测定大气中的悬浮颗粒数据,目前这项技术已应用于部分欧美国家的城市空气检测中。

按照计划,激光雷达系统将被放在一辆卡车上,汽车在巴黎市内各地区收集悬浮颗粒物的数据,从而让科学家了解道路上的悬浮颗粒物主要是什么,而楼梯上、房屋里的颗粒物又是哪些。科学家还会根据不同时段,对颗粒物的变化进行分析,从而为大气污染治理决策提供参考。

这样做的好处是,几乎可以不破坏现场。过去人们分析颗粒物时,往往会干扰现场特征,因此获得的信息不太准确。

纽约用激光雷达搜集信息绘制三维地图

纽约城市长期规划和可持续发展办公室选择用激光雷达搜集信息绘制纽约三维地图。目前的洪水平面地图是由美国联邦应急管理局于上世纪80年代根据航拍图像和地面勘查制作的。随着城市日益拥挤,这份地图已不够精准,需要更新。

据当地政府官员表示,这些激光雷达技术收集的信息还可以用来解决其他问题,例如,城市里是否还存在一些湿地,有多少平方米屋顶,又有多少斜面屋顶。屋顶统计可以被用于建立太阳能在线地图,协助评估城市的太阳能容量,甚至可以让纽约人检查他们居住和工作的建筑是否适合安装太阳能电池板。

据悉,新的雷达激光技术越来越多地被美国沿海地区采纳。这些数据将主要用于建造最新的区域地图,表示哪些地方最容易积水,哪里最适合安装太阳能电池板,哪些社区最需要绿化。

纽约州气象站

启用激光雷达系统

美国纽约州气象网站Mesonet已经采用Windcube 100S 3D扫描型激光多普勒测风雷达系统。该雷达系统将应用于全州所有气象站,为美国国家气象局提供实时的观测报告。观测数据还将提供给国土安全与紧急事务部,便于他们做出更好的短期预报和应急管理决策。此次协议由奥尔巴尼大学计划统筹。

该系统能捕获风速、风向和气溶胶浓度,以及边界层和云高度分布。这些观测结果提供了高空间和时间分辨率的详尽的大气3D图。

自动驾驶轮椅

现身日本和新加坡

2017年,自动驾驶轮椅现身日本和新加坡,它们都安装了激光雷达,前者由新加坡-麻省理工技术研究联盟(SMART)共同打造,去年9月份开始在新加坡樟宜综合医院崭露头角,无需护士陪护,它就能载着病人在医院的大厅里来回穿梭。

SMART未来城市移动出行小组负责人Daniela Rus表示,这款自动驾驶轮椅研发开始于去年1月份。现在一共生产了4把测试轮椅,其中两把在新加坡,另外两把则在麻省理工。SMART轮椅搭载了3台激光雷达,机载电脑用到的数据就是激光雷达绘制的地图。随后,系统中的定位算法会在地图中定位轮椅的位置。为了保持平衡,这款轮椅一共有6个轮子,它不但能急转弯,还体型紧凑,能轻松通过普通门框。

“我们访问了几个社区的老年人后深刻感受到,进入老年后人的生活质量与是否能轻松出行息息相关。我们做这款产品就是想让腿脚不便的人重新获得身体上的自由。”Rus说。

第二款自动驾驶轮椅出品方为松下和Whill,后者此前就推出过Model A高科技智能电动轮椅,它的续航可达24公里。眼下,该产品已经在日本和美国上架销售。

松下计划今年在羽田机场部署5把ModelM自动驾驶轮椅进行技术测试。与SMART自动驾驶轮椅类似,Model M也用到2个激光雷达。同时,它还用到松下医用机器人Hospi的相关技术。

虽然自动驾驶轮椅好用,但想大规模商用依然挑战多多,市场上的智能轮椅销售情况都比较惨,昂贵的售价是主要原因。

激光雷达如何探索

人眼看不到的世界?

激光雷达是一种光学遥感技术,使用光检测和测距感测器发送镭射脉冲绘制详细3D地图,这几年激光雷达已愈来愈火热,因为这种技术推动自动驾驶车辆发展,让自驾车可自动感应和导航,但这项技术应用远不只在运输产业,激光雷达可帮助机器看到并影响人们对物理世界的看法。

例如,安装在直升机上飞越山谷,激光雷达能将镭射脉冲穿透茂密的森林拍摄,进而帮助找到这些古老的遗址。利用这些数据,研究人员可以发现非自然的考古特征,由此找到人类的活动遗迹。

分类与制图可追溯到数千年前的大自然绘画,如描绘巴比伦和埃及财产边界的古城地图。在过去几千年,对地球、地理和数学日益增长的理解已产生愈来愈复杂的地图,从15世纪希腊的第一张地图,到2005年推出的Google Earth,地图的绘制发生巨大变化,而激光雷达可能是开创下一代地图技术的先锋。

使用激光雷达制图并不是一个全新概念,1971年NASA在阿波罗任务期间使用激光雷达研究月球表面就是早期应用之一,但随着时间的推移,这项技术已变得更先进。现在激光雷达技术绘制的3D地图,不仅具备更详尽的细节,且绘制速度更快,使用激光雷达可在几天甚至几小时内测量完毕,而使用传统方法则需要几周,甚至几年时间来测绘。

使用激光雷达技术的地图绘制系统不仅用作探索,还可以为城市规划、建筑、环境工作、救灾和无人机送货等各个产业提供深远的利益。譬如解决气候变化应用,激光雷达绘图可帮助科学家了解森林正在减少的速度、海洋的上升速度、冰帽的萎缩速度等等。

在遭受诸如龙卷风、飓风和地震之类的自然灾害后,科学家可利用激光雷达绘制受灾地区并确定脆弱性区域,定位倾倒树木和电线电塔位置,而不需让救难人员处于危险中。如2012年台风桑迪侵袭纽约,救灾人员即在火车上安装激光雷达,驶进台风期间遭洪水淹没的纽约地铁隧道,侦测结构性损坏的区域。

如同使用地图探索未知世界的早期探险者,现在人类正以更先进的方式来发现失落的文明,并规划未来城市,激光雷达就像人类的第三只眼,已经在地图应用方面发挥巨大作用。

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