本文发表在《大众科学》的前博客网络中，反映了作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
作者：Chris Polashenski 和 Simon Filhol
过去的几天对我们来说非常忙碌。经过大约 8 天的准备工作，我们的飞机在晴朗的天气中抵达。我们的飞行员保罗和克里斯·拉森博士立即开始进行机载激光雷达飞行，并且正如我们将看到的，收集了大量数据。与此同时，我们其他人则在地面上拼命工作，收集可与机载激光雷达进行比较的数据。
整个活动的示意图如图 1 所示。请注意标记为“E”的雪科学家。他正在使用 CRREL 发明的一种名为 MagnaProbe 的设备，该设备可以同时测量雪深和 GPS 位置（图 2）。在高峰期，我们同时使用了 8 台这样的设备，测量不同区域的雪深。尽管如此，尽管做出了如此巨大的努力，“探测器”的努力与激光雷达员的努力相比仍然相形见绌，正如两位正在进行地面激光雷达工作的年轻科学家现在所解释的那样。
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“N”是 SnowStar 2012 活动中科学家们非常重要的概念。对我们来说，一个人的“N”衡量着他的英勇、性格品质以及作为一名科学家的总体价值。“N”是一个人一天收集的数据点数量，而高“N”是勇猛之人的确切标志。
使用自动雪深探测器测量雪深的小组（见图 1 和图 2）正在进行一场激烈的竞争，以每天更高的“N”值来展示他们的勇气。迄今为止，该活动中报告的最高 N 值约为一天 4000 个。一项传奇般的努力，仍然被雪科学家敬畏地谈论着，在非常非常长的一天（并且在海冰上，因此雪很薄）的过程中，产生了接近 11,000 的“N”值。到目前为止，由于野外面积大、雪深较深以及到达每个地点的通勤时间长，本次活动中没有人接近这个数字。
地面扫描激光雷达在不到半秒的时间内收集了令人惊叹的 11,000 个点。因此，我们（地面激光雷达团队）在每个地点平均收集 2000 万到 3000 万个点，并且我们一天内最多完成了四个地点。在雪测量领域，激光雷达对于雪探针来说，就像旧铁路时代炸药和蒸汽钻对于锤子和凿子一样。当我们为所有仍然徒手凿石的约翰·亨利们感到惋惜时，我们毫不犹豫地吹嘘我们的激光雷达如何在任何* 一天都轻易地击败雪探针的“N”值。（*大风、有雾或下雪天除外 - 见图 3）。
说真的，大数据量“N”意味着激光雷达具有真正的前景，可以通过更少的人力、更准确地测量雪，并在更大的区域进行测量，从而彻底改变我们的工作，但我们仍然需要解决系统中的问题。这个项目就是为了解决这个问题——弄清楚我们如何才能更好地测量雪，并将像激光雷达这样的新方法与老式方法进行比较。
激光雷达（代表光探测和测距）是一种使用激光测距仪测量表面的技术。基本上，您向表面发射一个激光脉冲，并使用一个极其精确的秒表，计时它返回到您身边所需的时间。利用光速，我们就可以使用飞行时间来计算脉冲传播的距离，除以二，得到到达表面的距离。
如果我们确切地知道脉冲“发射”的方向，我们就可以使用这个距离来计算雪表面的位置，作为空间中的特定点。通过在略微不同的方向上反复发射激光，可以收集雪表面的许多样本。将所有这些点测量值放在一起，就可以得到激光雷达的产品：雪表面地形的 3D 地图。
我们的激光雷达生成的 3D 表面地图具有非常高的分辨率（每平方米至少几百个点）和超高的精度（在约 1 厘米以内）——覆盖面积相当于几个足球场的大小。除了具有科学价值外，这些 3D 地图玩起来也很棒。 观看此视频，在我们在本次旅行之前在费尔班克斯的一个地点拍摄的扫描图像创建的 3D 世界中飞行。 此外，在本次活动中图 4 中显示的屏幕截图中，请注意激光雷达采集到的小树枝，甚至雪中的雷鸟足迹。
我们正在使用的激光雷达被认为是地面激光雷达，这是对您从地面上的三脚架上使用的激光雷达类型的复杂说法（图 5）。由于激光雷达的工作原理是用激光脉冲击打表面，因此它只能扫描它所能看到的东西。由于激光雷达位于离地面大约一个人眼睛的高度，因此扫描区域内即使是小山丘的背面也可能在激光雷达的视线之外，因此在扫描中会被遗漏。
为了填补这些遗漏，我们将激光雷达设置在感兴趣区域周围的不同位置，首先扫描山丘的一侧，然后扫描另一侧，并将扫描结果叠加以构建完整的表面。为了准确地叠加扫描，我们在场地周围设置了目标，并使用扫描仪从每个位置定位它们（图 6）。然后旋转和移动在每个地点收集的数据，直到所有目标对齐，这使我们能够非常精确地将从不同视点收集的扫描结果连接到单个表面地图中。
我们想要获得的关键雪测量值之一就是它的深度。然而，激光雷达不测量雪深，只测量表面位置。为了计算雪深，我们必须在雪融化后的 6 月份回来，重新用激光雷达扫描相同的位置，以创建第二个表面。从雪表面减去地面表面将为我们提供一个雪深地图，其中包含非常大的“N”值和可能与雪探针一样好或更好的精度，但这仅在我们能够返回到完全相同的位置时才成立。精确的 GPS 定位对于这个过程至关重要。
尽管有了这个新工具，西蒙和我还是工作了相当长的一段时间（图 7）。在我看来，这证明科学家实际上并没有那么聪明。在此之前，我们有一个工具，在经过大量辛勤工作后，一天可以收集 11,000 个点。现在我们有了一个每秒钟收集 30,000 个点的设备，我们不是让它运行几秒钟然后休息一周，而是仍然整天扫描到深夜，所有这一切都是为了追求更大的“N”值。
激光雷达扫描的工作还不错。在数据收集过程中，每个扫描位置都有大约 20 分钟的时间，扫描仪以光速获取数据，但我们实际上无事可做，只能尽量不挡道，也不阻挡扫描仪的视野。有些人可能会认为在苔原上这段空闲时间只不过是保暖的好方法。相反，这是我们最喜欢的过程的一部分。
西蒙指出：“你必须想象自己身处这个巨大的白色景观的中间，周围几乎没有山丘，背景中有一座令人惊叹的山脉，几群驯鹿在吃草，雷鸟从灌木丛飞到灌木丛，几只狼在巡逻，我们称之为雅克·阿尔弗雷德·道尔顿叔叔（原因很多，我们在这里不会提及……）的一只孤独的麝牛，以及两位年轻的雪科学家，一位是美国人，另一位是法国人。”
在这种情况下，我们通常会选择以下三种选择之一：欣赏周围的自然风光（图 9-13）并探索我们最喜欢的元素（当然是雪）的奇妙之处，讨论和争论各种话题，偏爱我们各自遗产之间的文化矛盾，最后让我们的想象力创造小游戏或热身舞（图 8）。不知不觉中，工作又召唤我们，我们移到不同的地点位置。”
尽管我们对我们的地面激光雷达扫描仪收集大数据量“N”的能力大吹大擂，但还有另一种类型的激光雷达，它使我们的结果相形见绌。机载激光雷达！如果它能够正常工作，那么它就是所有雪测量的地毯式轰炸。机载激光雷达装置在飞机腹部向下飞行，并在飞机飞行时连续运行，一天内收集的回波次数是地面最好工作量的 10 到 100 倍。
然而，有一个权衡：机载激光雷达的精度较低；约 10 厘米，而不是约 1 厘米。尽管如此，昨天地面激光雷达团队的“N”值在短短 4 个小时内就被这个设备击败了，因为机载团队在午餐前返回了超过 3 亿个点，而我们一整天只有 6500 万个点。让我们更加嫉妒的是，机载团队还可以用一架绝对令人惊叹的 1000 马力涡轮动力单水獭飞机（图 14）来代替我们已经很棒的雪地摩托。
数据收集优势的争夺将持续几天，但目前我们都很兴奋地说，好天气和出色的团队正在为这次旅行中的每个人带来“大数据量”N。更好的是，我们协调不同团队（图 17）的努力进展顺利。我们使用多种不同技术在相同区域收集大量雪测量数据集的目标正在真正实现（图 18）。当我们回家后，我们将有一些强大的数据处理工作要做！
关于作者
Chris Polashenski 自 2005 年以来一直致力于更好地了解北极的冰雪。他于 2011 年 6 月获得博士学位，现在在美国陆军寒冷地区实验室担任研究员，开发研究冰雪的新方法。他是宾夕法尼亚州人，但目前与他的伴侣诺拉、鸡、兔子和一只名叫 Tracks 的自由奔放的比格犬住在新罕布什尔州的汉诺威。可以通过 christopher.m.polashenski@usace.army.mil 联系他。
Simon Filhol 以前曾在挪威、斯瓦尔巴群岛和阿拉斯加的其他地区在北极工作过。他来自法国沙莫尼，目前正在阿拉斯加大学费尔班克斯分校攻读地质学和地球物理学博士学位，导师是 Matthew Sturm。可以通过 svfilhol@alaska.edu 联系他。
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