本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
在 Ars Technica，我们注意到 Curt Hopkins 发表的一篇有趣的专题文章，内容是关于物理技术在考古学中的应用——在本例中是 LIDAR（光探测和测距）。文章重点介绍了考古学家克里斯·费舍尔的工作，他一直在使用 LIDAR 系统绘制墨西哥西部的地形图
几年前，费舍尔开始使用坚固的手持电脑和一些 GPS 接收器来绘制最近发现的墨西哥西部城市萨卡普·安加穆科的地图，该城市在公元 1000 年到 1350 年左右有人居住。事实证明，普雷佩查或塔拉斯坎人比他们的同时代人和竞争对手阿兹特克人更难在考古学上确定。但是，初步的数据收集和地理参照使费舍尔能够在一个帝国关键时刻识别出这座城市，并且所花费的时间只是使用卷尺和网格绘图法所需时间的一小部分……去年，LiDAR 使费舍尔能够更详细地创建重要的中美洲首都的完整图像。这包括发现了几个金字塔、祭祀建筑群以及数千座住宅和其他建筑物，而这些建筑物以前无人知晓存在于这座城市中。
Hopkins 的文章启发了 Jen-Luc Piquant 翻出了一篇 2007 年的旧博客文章，并进行了适当的编辑和更新，以适应 2012 年的情况。首先要明确的是：LIDAR 是一种光学遥感技术，它利用与雷达和声纳相同的基本原理——发出脉冲，脉冲从物体上弹回，并分析返回的信号以确定物体与光源的距离——只不过它使用的是光波脉冲而不是无线电波。（是的，我知道，无线电波在技术上只是电磁辐射的另一种形式；在这种情况下，“光”指的是光谱中的可见光和近红外频率。）它与其说是一种替代技术，不如说是一种补充技术——只是我们日益增长的遥感和测绘武器库中的又一个工具。
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LIDAR 仪器向目标发射光脉冲，光谱中未被目标吸收的部分会被反射回来（称为后向散射）到系统，然后系统会检测、存储和分析这些反射回来的光。正是光在散射回来时特性的变化使科学家能够测量目标的特定属性。
蝙蝠使用超声波脉冲来捕猎猎物，发出的一系列脉冲随着它越来越接近目标而变得更加频繁，最终形成一种“进食嗡嗡声”，因为它锁定目标进行捕杀。同样，LIDAR 系统中发射的光脉冲越频繁，收集的信息就越多，目标区域的测绘就越准确。对于机载地形测绘，每秒可以发射多达 33,000 个激光脉冲。
LIDAR 存在已久，在 1958 年第一批激光器出现后不久就被发明出来。但这项技术有点超前于时代，并且沉寂了几十年，直到一大堆其他使能技术出现。早期的激光器太贵了，坦率地说，而且太重、太大，并且需要太多的电力，以至于它们不适合机载应用。
当固态二极管泵浦激光器出现时，情况发生了变化：它们价格低廉、坚固耐用且结构紧凑，并且功耗相对较低。计算技术也需要发展到足够快、足够便宜的程度，才能执行 LIDAR 系统所需的那种高级数据分析。
最值得注意的是，早期的 LIDAR 系统可以进行厘米级的精确测量，但仅限于固定在地面的激光器。这严格限制了它的有效部署，因为一旦有人将激光器放置在移动平台上，一切都变得不确定了。然后出现了全球定位系统 (GPS)，突然之间，确定移动物体相对于地面坐标系的精确位置变得完全可行。LIDAR 终于被重新启用并推向市场。
对于遥感应用，LIDAR 系统安装在配备 GPS 接收器的飞机上（如今几乎在任何车辆中都必不可少）以跟踪其确切位置和高度。它还需要一个高精度惯性测量单元 (IMU) 来跟踪飞机的俯仰和横滚，以便在最终分析中考虑运动。
基本物理学告诉我们，以非常高的速度旋转的物体倾向于在空间中保持其相对位置，因此 IMU 包含几个旋转陀螺仪。通过测量每个陀螺仪在万向节（或笼子）内旋转球形质量时的倾斜角度，并将其与加速度计结合使用以跟踪速度的变化，该系统可以告诉我们目标相对于给定起点移动了多远、多快以及在哪个方向上移动。通常，当组合来自各种仪器的所有数据时，可以给出精确到 6 英寸以内的高程。
一般来说，我们通常只能对与所用电磁辐射波长大小大致相同或更大的特征或物体进行成像。典型雷达系统中使用的无线电波非常擅长探测金属物体——这就是为什么它们对于军事和航空应用如此有用的原因——但岩石或雨滴可能不会产生太多可检测到的反射，从而使它们几乎对雷达不可见。
但是，由于使用的波长比无线电波短得多，LIDAR 系统在检测非常小的物体（例如大气中的颗粒）方面要好得多。事实上，它们已经被用于研究大气条件，特别是各种颗粒的密度，更不用说地质学、地震学，甚至考古学中的各种新兴应用。此外，激光器使用非常窄的光束，因此 LIDAR 可以以比传统雷达更高的分辨率绘制物理特征图。它的“足迹”可以小于 1 米，从而可以绘制森林树冠下或高层建筑之间城市峡谷的地面图。
在英国，剑桥大学正在与英国环境署合作，利用 LIDAR 成像技术制作大片乡村地区的地形图。它最初是作为评估洪水风险的一种方式，但后来一个名为 英国遗产 的组织与环境署签订合同，对 巨石阵 进行 LIDAR 调查——巨石阵是欧洲所有景观中研究最多的景观之一，也是世界遗产地。请观看下面基于 LIDAR 数据的 巨石阵 精彩视频飞行演示 LIDAR。这有多酷？事实证明，LIDAR 非常适合记录被多年耕作夷平的陆地特征：WHS 调查揭示了巨石阵遗址内和周围的几个先前未记录的堤岸。
LIDAR 系统不止一种，每种系统都适用于特定的应用类型。如果您只想测量从仪器到固体目标的距离，测距仪 LIDAR 应该可以很好地满足您的需求。如果是移动目标，并且您想弄清楚它的移动速度有多快，您可能需要使用多普勒 LIDAR，顾名思义，它依赖于 多普勒频移 效应来确定物体的速度。
如果您是一位气象学家，有兴趣测量大气中特定化学物质等的浓度——臭氧、水蒸气和污染物——或者如果您想绘制浅河床的水下地图，那么您最好使用差分吸收 LIDAR。特别是水下成像在使用红外线和近红外线（陆地测绘的首选）时可能很困难，因为水会吸收这些波长；在很大程度上，只有可见光谱的蓝绿色端才能穿透水。
难怪在过去十年中，LIDAR 系统涌现出如此多的应用。在地质学和地震学中，它们被用于探测断层——最著名的是，定位华盛顿州西雅图的断层——并测量俄勒冈州圣海伦斯火山偶尔喷出的火山灰柱——这表明其内部压力是否正在达到临界爆发点。机载 LIDAR 用于监测冰川融化和其他海岸变化，而在林业中，LIDAR 用于研究树冠高度和测量生物量，更不用说使测量过程快得多。
LIDAR 也被用于搜索和救援，最著名的是在 2001 年 9 月 11 日的恐怖袭击事件之后。在世界贸易中心倒塌后的几天里，一架小型飞机多次飞越曼哈顿的归零地（以及华盛顿特区的受损五角大楼），对碎片进行 LIDAR 读数——由一家名为 EarthData 的公司提供。该公司使用收集到的数据制作了这些地点的地形图像。这反过来又通过识别可能移动或倒塌的不稳定区域，帮助救援人员在通常危险的地形中导航。
这些地图还使建筑和公用事业工人能够找到地基支撑结构、电梯井、地下室存储区等等。随着工人深入世界贸易中心的地下室残骸，LIDAR 测绘显示地下墙壁的完整性可能受到损害的位置，从而使这些区域更容易发生洪水。这些地图甚至能够测量碎片的体积以及起重机有效移除碎片所需的伸展范围。
LIDAR 不仅仅是关于绘制位置和高程；它还关于整合特征识别的其他方面，以使地图制作更加自动化。几年前，来自瑞典和意大利的科学家联手使用 LIDAR 对隆德大教堂建造中使用的各种类型的石头进行成像。这座大教堂位于瑞典，是一座令人印象深刻的 12 世纪建筑，是北欧最大的罗马式建筑。（您是否印象深刻可能取决于您对罗马式时期的喜爱程度。）他们不仅可以“看到”所用石头之间的差异，而且还可以从远处分辨出哪些墙壁上长有苔藓和地衣。
随着强度记录被纳入 LIDAR 系统，科学家应该能够进一步改进这种类型的分析。强度记录不仅可以测量 LIDAR 和目标之间的距离，还可以根据返回信号的强度确定景观的特征。这是因为每个反射面都会吸收一些波长并反射另一些波长。例如，混凝土块几乎反射每个波长，并且吸收的很少，因此返回信号非常强。然而，绿叶植被会吸收更多的光，因此返回的信号较弱。这些数据也可以转换为视觉图像。
因此，光和激光正日益成为考古测绘中重要的工具。创新还在不断涌现。2007 年《旧金山纪事报》的一篇文章 介绍了退休的土木工程师本·卡西拉，他发明了“一种类似相机的设备，该设备使用激光扫描三维物体（例如考古遗址）以创建精确到几毫米的数字蓝图。”
他的设备的核心是一个激光器，它可以发射足够功率的光，从远处物体上反弹并返回到传感器，传感器能够定时信号和响应之间的时间间隔。通过这种方式，“激光通过在不同角度进行数百万次测量来绘制物体表面图。”
卡西拉的系统——他于 2001 年将其出售给瑞士公司徕卡地理系统——已被用于研究印加帝国之前的秘鲁遗址、被掩埋的罗马城市庞贝古城以及科罗拉多州西南部已灭绝的阿纳萨齐人的悬崖住所。一旦创建并存储了这些数字蓝图，就可以更容易地在虚拟框架中重建这些遗址和建筑物的部分——也许有一天会在第二人生中实现。
卡西拉已经使用他的测绘工具创建了他扫描的古代楣梁的小型复制品。《纪事报》的文章这样写道：“想想考古学上相当于著名绘画的再版，一个抓住历史片段的机会。”的确。这就是 LIDAR 的未来所在。
图像:
（顶部）三张图像说明了科学家可以可视化 LiDAR 信息的三种方式。顶部的图像是未经过滤的 LiDAR 反馈，第二张图像经过过滤以显示地面表面和史前特征，最后一张图像经过更多过滤以显示仍然存在的古代结构。图片来源：克里斯·费舍尔。来源。
（中间）根据 NOAA 航班收集的数据于 2001 年 9 月 27 日渲染的归零地 LIDAR 图像。图片来源：NOAA/美国陆军 JPSD。
（底部）危地马拉古代玛雅城市蒂卡尔大广场中一座神庙的激光扫描图，由卡西拉家庭基金会提供。来源。