ジャングル考古学の最も強力な補助手段 - LiDAR

人類は地球上で小さいながらも粘り強く増殖しています。私たちの祖先はこの広大な土地でどのように暮らしていたのでしょうか?彼らは食物を栽培し、家を建て、部族を形成し、都市を築き、自分たちの存在の痕跡を残しました。

古代遺跡の調査を通じて、古代人の生活様式、社会文化、技術の発展レベルを推測することができます。しかし、何千年も経った後では、古代人が残した遺物を見つけるのは簡単なことではありません。

世の中の大きな変化により、元々の建物は地中深くに埋もれてしまったのかもしれません。広大な植生であろうと、深い森であろうと、地下世界の探索は簡単に妨げられます。しかし、LIDAR技術の出現により、私たちは陸地の「ベール」を脱ぎ捨て、地球の最も本来の「顔」を見ることができるようになりました。

遺跡探索に強力なツール、LiDAR

20 世紀初頭、イギリスの探検家パーシー・フォーシートは、かつてその地に存在した古代文明を求めて何度もアマゾンの奥地を旅しました。しかし、彼は遺物を探している間にアマゾンの密林で永遠に行方不明になってしまった。その結果、アマゾン地域の歴史的遺跡は、その探検隊とともに人々の前から消え去った。

しかし、最近ネイチャー誌に論文が掲載され、科学者らがライダーを使ってアマゾン川の森林にある古代都市遺跡の地図をようやく入手したという。まずは遺跡がどのような様子か見てみましょう。

（画像出典：参考1）

写真に写っている建造物は、西暦 500 年から 1400 年の間にカサラベ族によって建てられたもので、家屋、テラス、壁など、以前に人工的に作られたものの痕跡です。この写真は、LIDAR を搭載したヘリコプターを使用して森林を探索し、その後画像処理を行って取得されました。

しかし、この写真は通常の航空写真とは少し違うように見えるかもしれません。実際、最大の違いは木々がなくなったことです。

左：航空カメラで撮影した森林の画像

右：同じ場所でLiDAR検出によって得られた画像

（画像出典：参考1）

森に覆われていないため、古代の建物の痕跡がはっきりと見えるようになります。考古学的な作業がずっとスムーズになりました。考えてみてください。LIDARが登場する前は、森の中の遺跡を探索するには、まず野生で生き残る方法を学ばなければなりませんでしたし、現地調査では熱帯林の中を飛び跳ねなければなりませんでした（考古学者：私にとってはとても大変です）。

現在、LIDAR により、考古学者は木々の干渉を避け、古代の建築遺跡をより鮮明に観察できるようになりました。では、木々の干渉を排除した地形図はどのように描かれるのでしょうか?

アクティブイメージングが暗い隅を照らす

密林では、葉が日光のほとんどを遮り、木の下の地面に届く日光はごくわずかです。上空から観察する場合、通常のカメラでは地上の様子はほとんど撮影できず、葉の隙間は暗い影になっていることがほとんどです。

カメラは、外部の物体から放射または反射された光を受け取った後にのみ写真を撮ることができる受動的な画像装置です。 LIDAR はレーザーを放射して外界の形状を検出するアクティブ検出器です。

森林のような複雑な地形でも、樹木の下の地面まで届くレーザービームは多数あります。 LIDAR検出によって得られた点群データはコンピュータに送信されます。コンピューターは、どのデータ ポイントが森林からのものなのか、どのデータ ポイントが地面からのものなのかを識別し、森林のポイント クラウド データをフィルター処理します。残るのは地上地形データです。

LiDARで取得した生の点群データ

(画像出典: answers.usgs.gov)

コンピュータはポイントクラウドを分類します（黒い点は植生データポイント、色の付いた点は表面データポイントです）

（画像出典：参考資料2）

植生点群を除去した後に得られる地形表面の裸地画像は、デジタル標高モデル (DEM) とも呼ばれます。

(画像出典: answers.usgs.gov)

LiDAR は地形マッピングにおける「超能力」を備えているため、世界中の考古学者の間で人気を博しています。 2016年、プロジェクト・パカウナムはグアテマラのマヤ生物圏保護区で大規模なLiDAR調査を実施し、6万以上の古代建築物と100キロメートルを超える土手道を発見しました。この結果は、この地域に数百万人の人口を擁するマヤ文明が存在していたことを示唆している。

この技術は良渚古城の調査・研究にも使われました。レーザーレーダーが良渚古城の遺跡をスキャンし、地上の植生を取り除いた後、古城の水利施設や外壁などの構造物が明らかになった。

過去を発見できるだけでなく、未来を警告することもできる

LiDAR は遺跡の発見に使用できるだけでなく、地形を明確に表示できるため、土砂崩れの防止にも役立ちます。

地滑りはよくある地質災害の一つです。毎年、土砂崩れにより人々が財産を失ったり、命を失ったりしています。地すべりのメカニズムを理解し、地すべりの前兆を観察し、それに応じた地すべり予測システムを確立することは、地すべりの危険を軽減するための重要な手段です。

LIDAR マッピングによって取得される高精度デジタル標高モデル (HRDEM) は、地質学者が地滑りのメカニズムを分析し、早期警戒モデルを確立するための強力な支援となります。

地すべりを研究するには、研究材料として大量の地すべりデータが必要です。科学者たちは、リモートセンシング衛星、ライダー、航空カメラ、その他の観測方法を使用して、地滑り目録マップを作成した。

この地図には、さまざまな地域で過去に発生した土砂崩れの場所や地形のほか、その地域の降雨量、土壌の種類、地震の振動レベルなどの情報も示されています。地すべり目録マップを使用すると、さまざまな地域で地すべりが発生する確率を計算できます。

LIDARマッピングに基づいて得られた地すべり目録マップ。異なる色の領域は、異なるタイプの地滑りを表します。右下の小さな地図の赤いブロックは深い地滑りを表し、青いブロックは浅い地滑りを表します。

（画像出典：参考文献3）

土砂崩れが発生する前には、土砂崩れの底にある一定の高さの隆起が形成され、斜面の表面に亀裂が生じます。植生に覆われているため、肉眼やカメラでこれらの標識を観察することは不可能ですが、この問題はLIDARの助けを借りてうまく解決できます。

地滑りが発生しやすい地域に、ライダーを搭載したドローンの群れを配備し、斜面の表面形状を中断することなくスキャンして観察します。観測データは、土砂崩れを予測する能力と精度を効果的に向上させるでしょう。

ある土地における過去の活動の痕跡を調査するのは簡単な作業ではありません。時間が経つにつれ、人間の活動や地殻変動によって残された痕跡は、徐々に自然に埋もれていきます。しかし、LIDAR は私たちに「過去」を再理解し、「過去」の遺物から未来へのインスピレーションを得る機会を与えてくれます。

編集者：王婷婷

参考文献:

[1] エリックソンCL.ボリビアのアマゾンにおける人工的な景観規模の漁業。[J]ネイチャー、2000、408（6809）：190-3。

[2] Vanvalkenburgh P、Cushman KC。レーザーのない失われた都市：ドローンLIDARを使用してペルーのアマゾナス州クエラップの建築の複雑さを捉える[J]。フィールド考古学ジャーナル、2020年、45（補足1）。

[3]ゴルム、トルガ。航空 LiDAR データによる混合林環境における地滑りの認識とマッピング。

[4]M、J、Lato、et al.航空機搭載LIDARスキャンデータを使用した地滑りリスクの軽減[J]。土木・地質環境工学ジャーナル、2019年、145(9)。

[5]https://www.usgs.gov/faqs/what-difference-between-lidar-data-and-digital-elevation-model-dem

[6]http://m.app.cctv.com/video/detail/aa9c36ee6d92b0a7a7a98d2f86eb447c/index.shtml

制作：中国科学普及協会

製造：海からの塩漬け魚

プロデューサー: 中国科学博覧会