深度丨激光雷达如何颠覆了我们对玛雅文明的认知？
Sarah Cascone 2019年8月15日
古玛雅城市蒂卡尔曾是玛雅文明中地图绘制得最好的地区之一，但帕库纳姆激光雷达计划（PACUNAM Lidar Initiative）只用了一个夏天将过去50年时间绘制的地图版面扩大了五倍。图片: 由Tikal Park提供
玛雅文明曾在1000多年前处于文明最为惊艳的时期，但现代科技刚刚才揭开这个古老的墨西哥和中美洲文化的秘密——对这种文明的探索正以前所未有的速度发生着。随着研究人员发现了识别和研究古代遗迹的新方法，近期的一系列新发现正改变着玛雅考古学领域。
2018年，危地马拉考古学家宣布发现了数千座隐藏在杂草丛生的平原上未知的玛雅建筑。但这种发现并不是以电影《夺宝奇兵》一样，通过砍伐丛林前进的方法探索。相反，这些古老遗迹得以被远程识别，要归功于国家航空激光测绘中心的飞机配备了高科技光探测和测距（激光雷达）测绘工具。
激光雷达利用与GPS系统相连的激光脉冲进行地形测量，并绘制出地球表面的三维地图。激光雷达可能在一瞬间就能探测到一个需要数年时间才能徒步绘制的广阔的地理区域。
考古学家马塞洛·卡努托（Marcello Canuto）在接受artnet新闻采访时说：“激光雷达向我们展示了一些可能经过100年研究都无法看到的东西，但现在我们已经掌握了这些需要100年研究才能了解的成果，所以这并不是夸大其词。"卡努托是新奥尔良杜兰大学（Tulane University）人类学教授、中美研究所（Middle American Research Institute）所长，也是危地马拉里程碑式激光雷达计划（LiDAR initiative）的监督委员会成员。该计划由危地马拉的玛雅文化遗产基金会帕库纳姆（Pacunam）于2016年资助。
由激光雷达探测到的位于提卡尔北部新发现的古玛雅遗址。图片：由Luke Auld/Thomas Garrison/Pacunam提供
考古学家很早就意识到激光雷达的巨大潜力。早在2009年，这项技术就凭借扫描位于伯利兹卡拉科尔考古遗址80平方英里的区域发挥了巨大的作用。“我们从2005年开始尝试使用激光雷达。每个人都说我们是疯子，这行不通，"Caracol网站的联合主管阿伦·蔡斯（Arlen Chase）告诉artnet新闻。蔡斯现在是加州克莱蒙特波莫纳学院（Pomona College）的人类学教授，他确信激光雷达是考古学家所祈祷的答案。但当扫描结果最终出来时，“我完全惊呆了，"他说。“它的效果远远超出了我们最疯狂的梦想。"
多年来，Caracol团队一直意识到他们的工作地点是在延伸到丛林深处，但要证明这一点则是另一回事。蔡斯说: “卡拉科尔有200多平方公里。“如果没有激光雷达，想让我们的同事在2009年相信这一点是不可能的。"
这个地图项目展示了这座城市到底有多大，揭示了之前隐藏在丛林下的堤道和其他建筑。卡拉科尔是一个巨大的连续的定居点，这表明玛雅人已经极大地改变了他们的环境景观。“激光雷达正在做出颠覆性的改变，"蔡斯说，“这实际上改变了我们对古玛雅的整个看法。每次它涵盖一个新的领域，“你就会开始看到不同的东西。"
在过去的十年中，该地区的许多考古项目已经开始使用激光雷达，越来越多地揭示了这个失落的文明。但帕库纳姆项目是史无前例的。从来没有人用激光雷达同时扫描过这么大的地理区域。
Tikal的俯瞰图。图片：courtesy of Marcello Canuto
“作为一名遥感考古专家，多年来我一直在使用卫星图像，试图找到茂密丛林树冠下的遗址，"杜兰大学（Tulane University）人类学教授弗朗西斯科·埃斯特拉达-贝利（Francisco Estrada-Belli）在电子邮件中告诉artnet新闻，“当我了解到激光雷达的时候，一开始我很怀疑，因为它看起来只能绘制小区域的地图。然后我们了解到，只要有足够的资金，我们可能在几天内就能绘制出一幅非常大的地图，这比我们一个季度的探险所能筹集到的资金要多得多。"
卡努托和埃斯特拉达-贝利是帕库纳姆启动的开创性激光雷达项目的主要研究人员之一。作为一个与大量危地马拉考古遗址合作的玛雅文化遗产基金会，帕库纳姆是监督这一规模项目的完美组织。
卡努托解释说：“大多数研究人员对他们自己的特定地点和周围地区感兴趣，激光雷达非常昂贵。如果一个研究人员说，‘嘿，给我50万美元或100万美元来覆盖这整个我没有任何研究许可证的巨大领域'，这是行不通的。帕库纳姆是一个完美的实体，能够在这些不同的区域做激光雷达，然后协调结果。"
根据卡拉科尔的研究结果，以及激光雷达探测到的其他遗址，考古学家希望能够识别出玛雅人建造的新建筑元素。蔡斯说: “这项技术非常棒。我们知道它会发现各种有趣的东西。但没人能预测到这些发现会有多么广泛。"
帕库纳姆激光雷达计划扫描了危地马拉北部的玛雅生物圈保护区，发现了成千上万以前不为人知的古代建筑。图片：由Francisco Estrada-Belli/Pacunam提供
值得注意的是，危地马拉佩滕玛雅生物圈保护区810平方英里的数字景观显示，由于植被过度生长，至少有61000座未经确认的古玛雅建筑肉眼无法看到。例如，专家们误认为无法使用的沼泽地实际上是农田，与运河纵横交错。看到如此多以前不为人知的道路、灌溉系统、防御工事和其他建筑，学者们开始重新评估他们对该地区人口数量的估计——佩滕可能居住着多达1000万甚至1500万人口，而不是500万。
“我们知道玛雅是一个复杂而复杂的文明，" 埃斯特拉达-贝利说，但 “玛雅人建造的城市的规模、密度、复杂性和景观基础设施的数量令人震惊。"
激光雷达数据到达的那天，卡努托和埃斯特拉达-贝利计划参加一个会议。然而，当休斯顿大学的一个团队将2G数据的文件上传到一个共享云上时，他们却无法离开电脑，屏息以待。“这简直是一个接一个的惊喜，" 卡努托回忆说，“我们怎么也不会嫌多。我们从下午2点开始四处寻找。在我们的实验室里，大约有15到20名学生盯着我们得到的这些图像。我记得我告诉学生们，‘记住这一天，因为这是低地玛雅考古学被真正改变的一天。'"
玛雅生物圈保护区，埃尔佩滕。图片：由Geoff Gallice, via Wikimedia Commons提供
去年9月，当卡努托和他的合著者在《科学》杂志上发表了帕库纳姆的发现时，这一消息被媒体广泛报道。但对于那些毕生致力于研究玛雅文明的男男女女来说，这是一个改变游戏规则的事件。
以前，考古学家只能看到他们面前的东西，而激光雷达则可以让他们缩小，一次拍摄大片区域。简而言之，想要复制帕库纳姆激光雷达的步行扫描规模是不可能的。几十年来，通过双脚徒步探索丛林的方式已经让研究人员们感到力不从心——如此一来考古发现也会受到限制——而如今，研究者们突然获得了堆积如山的数据供他们使用。
卡努托解释说：“当你在丛林中时，你周围有5到10米的能见度。有时候你会完全错过一些事情。并不是说，在100米远的地方，什么东西看起来很小，但我能看出来它是什么东西。在100米之外，你根本看不到它，无论它是大是小。除非你离那栋建筑不到10米，否则你根本看不到它。"
对于那些大而平的东西来说尤其如此，比如堤道、露台和道路——这些线性特征乍一看可能会被误认为是景观的自然元素，但激光雷达可以非常准确地识别出来。这些结构的流行似乎推翻了先前认为玛雅社会由互不相连的城邦组成的观点。
激光雷达扫描古玛雅城市蒂卡尔。图片：由Marcello Canuto/PACUNAM提供
卡努托说：“我们将能够以前所未有的方式讨论城市化、人口规模和人口结构变化（激光雷达的发现）提出了社会、政治、经济的复杂性和（玛雅人之间的）融合的概念，而在20年前，我们可能不会那么容易地宣称这一点。"
随着考古学家们开始着手确认通过地面验证提供的数据的准确性，他们绘制浓密丛林地图的努力比以往任何时候都更有针对性。卡努托说: “我们现在知道应该期待什么，而不是盲目地或凭直觉进入森林。激光雷达显示了很多我们以前从未注意到的东西，所以我们想去看看它们到底是什么。"
当然，提前知道玛雅遗址的位置确实会让这部电影失去一些浪漫色彩，卡努托承认——“勇敢的探险家在丛林中寻找失落的城市等所有这些神话。但他坚持认为，这项技术带来的科学可能性足以弥补这一点。
激光雷达不仅揭示了未知建筑的建造地点，也揭示了玛雅人留下的空白区域。卡努托说，这似乎并不重要，但想想纽约吧：“要了解曼哈顿的本质，关键是要知道在这座被称为中央公园的城市里有一个很大的空地。"
由激光雷达扫描丛林绘制的危地马拉北部古玛雅城市的地形图。图片：由the American Association for the Advancement of Science提供
蔡斯说：“每个人都想要激光雷达扫描，但最初的问题是成本，以及说服人们投资。"Caracol的最初项目由NASA资助，耗资17.1万美元。“对于一个玛雅考古项目来说，这是一大笔钱，但与我们试图在地面上绘制地图所投入的人力相比，这是非常经济的，而且要全面得多。"
以危地马拉的蒂卡尔市为例，它是最著名的古玛雅遗址之一，也是帕库南激光雷达计划的一部分。卡努托说，在20世纪60年代、70年代和80年代，考古学家在那里绘制了“最大、最著名的玛雅城市地图之一"。“让我们慷慨一点，也许在过去的半个世纪里，有30平方公里（11.5平方英里）的地图在蒂卡尔及其周围。在蒂卡尔附近，我们使用的激光雷达覆盖了150平方公里（58平方英里）。我们在只用一个夏天就把蒂卡尔周围的面积扩大了五倍。"
“我们不再谈论一个小数据集，我们希望它能代表一个更大的现象。我们现在有一个具有统计代表性的大数据集。“我们做的激光雷达越多，就越有代表性。"
世界各地的其他考古学家也从中受益，尤其是在东南亚的吴哥瓦特，他们在2016年进行了激光雷达扫描。蔡斯说: “这不仅仅是玛雅的现象。这是一个全球性的现象。"知道这些古代遗址的确切位置也有助于保护它们继续前进。埃斯特拉达-贝利（Estrada-Belli）说，对激光雷达的发现进行调查后， “我们还了解了掠夺者多年来在危地马拉造成的破坏程度。确切地说，已经有数以十万计的抢掠坑。"
用于激光雷达分析的可视化：（A）Red Relief Image Map（RRIM）；（B）Sky-View Factor （SVF）；（C）Simple Local Relief Model （SLRM）；（D） Prismatic Openness。图片: 由Marcello Canuto提供
蔡斯和卡努托都将激光雷达的影响比作碳-14年代测定法。碳-14年代测定法使考古学家首次能够准确地测定文物的年代，确定它们的确切年龄，而不仅仅是相对于其他物体的年龄。放射性碳年代测定法适用于考古时间线，激光雷达则适用于物理空间。
但激光雷达并不是近几十年来考古学发生巨大变化的唯一途径。利用三维扫描技术对伪影进行分析也是其中之一。埃斯特拉达-贝利（Estrada-Belli）说：“就像激光雷达一样，三维扫描技术是记录文物的一种新的事实上的标准。"由于无人驾驶飞机的出现，人们可以用新的、以前无法到达的角度来拍摄、记录和绘制地图。科学家可以通过测试骨骼来确定人和动物吃了什么，或者通过化学残留物分析来确定在一个特定的地点他们可能发生了什么活动。
“所有这些技术现在都是军火库的重要组成部分，" 卡努托说，他对自己现在拥有的工具与30年前相比大为惊叹。“它们通常来自其他科学领域，我们只是把它们应用到玛雅考古研究中。"
1985年，十几岁的卡努托第一次挖掘时发现了一根肋骨，这是当时已知的最古老的玛雅文字。用了两年的时间，一位铭文学家分析了象形文字，并破译了古代的文字。骨头必须被拍照，标记要复制在图纸上，图像要寄给专家，这个过程需要几个月的时间。
如今，多亏了数码摄影和互联网，考古学家们可以在数小时内找到这些问题的答案。卡努托说: “尽管我身处瓜塔马拉丛林的中央，卫星技术让我能够对刚刚钻出地面的物体进行实时解码。我们的假设是，我们将能够破译我们可能找到的任何文本。在1985年，这一切不可想象。"
“有些人可能会后悔，我们没有像上世纪六七十年代那样被孤立在丛林中，" 他补充说，“但有时这种孤立对你的智力发展不是很好。"尽管激光雷达产生了巨大的影响，但考古学家仍有很多谜团需要解开。卡努托说：“激光雷达不能给我们提供的是深度，也就是地下的东西，所以还有很多发现要做。谁知道接下来会出现什么技术呢！"
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