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机载激光雷达在三维可视化历史中的应用

让加拿大堡垒焕然一新

借乔纳森·福勒,凯文·科布里 • 2021年8月5日

本文是GIM数据可视化主题周的一部分。

机载激光雷达和三维建模技术已成为考古学家在深入了解关键历史遗址的过程中可利用的最新——也是最有价值的——地理空间工具。能够准确地想象堡垒、战场或定居点在关键时刻是如何出现的，这就创造了一种叙事，揭示了重要事件的发展方式。同样重要的是，三维可视化使研究人员能够计划在何处进行额外的实地工作，包括挖掘和地球物理调查。

加拿大新斯科舍省的安妮堡就是这样一个历史遗址，它位于北美最古老、最有趣的欧洲定居点之一。1605年，在英国人在今天的弗吉尼亚州建立詹姆斯敦的两年前，法国探险家在一个他们命名为阿卡迪亚的地区建立了一个毛皮交易站。定居点不断扩大，大约一个世纪后，法国开始建造一座沃邦式或星形的堡垒来保护定居者。

皮埃尔·保罗·德·拉巴特（Pierre-Paul de Labat）的“皇家阿卡迪堡平面图”（1706）的细节，地理参考并覆盖在激光雷达模型上。（图片由国家档案馆提供）。

这座今天被称为安妮堡的建筑，在1710年最终落入英国之前，经受了无数敌人的致命袭击达数年之久。在英国统治下，这座堡垒后来在阿卡迪亚驱逐出境的悲剧事件中扮演了关键角色，许多法国定居者被迫离开该地区。一些人最终来到了路易斯安那州，在那里“阿卡迪亚人”的发音错误导致他们被称为“卡津人”。

地理空间在考古学中日益重要的作用

考虑到它的年代，安妮堡保存得相对完好。1921年，它被指定为加拿大第一个国家历史遗址，今天它是一个公园。作为一个研究和教学项目，哈利法克斯圣玛丽大学（SMU）的人类学系决定使用最先进的可视化技术使堡垒和附近的城镇恢复生机。

在过去十年中，地理信息系统技术在考古学和人类学制图方面的应用急剧增加，但定期使用先进的遥感工具和可视化方法的速度要慢得多。许多数据集和软件包的成本是学术界广泛采用的一个障碍。然而，圣玛丽大学正在积极寻找将这些重要工具交给科学家和学生的方法。这一点至关重要，因为受雇于私营部门的考古学家越来越多地发现，熟悉地理空间数据集和软件是一项工作要求。

约翰·汉密尔顿（John Hamilton）的《安纳波利斯皇家建筑总体规划》（1753）的细节，地理参考并覆盖在激光雷达模型上。（图片由国会图书馆提供）

定位主数据集

对于安妮堡项目，第一步是获取该地区的机载激光雷达数据。在新斯科舍省，由于该省的开放数据倡议，这项任务比听起来容易，在该倡议中，原始数据通过在线高程浏览器门户免费提供。加拿大各地的开放数据政策使各行各业的纳税人都能访问政府资助的大量数据集，包括激光雷达、正射影像、地图和航空照片。

关于机载激光雷达，新斯科舍省的大部分地区已经覆盖并可用。RIEGL VQ1560i和Q780传感器在0.4m脉冲间隔下捕获的数据集由SMU研究人员为安妮堡地区获取。激光雷达数据被加载到Surfer中，Surfer是科罗拉多州Golden软件公司的一个表面测绘软件包。这种易于学习的产品通常用于油气勘探、矿产开采和环境咨询的三维可视化，现在正成为考古学家最喜欢的三维地形图绘制产品。它的经济性和可访问性使其成为SMU人类学的主要地理空间教学工具。

在Surfer中过滤激光雷达点云，通过移除建筑物和植被创建地表的裸地球数字高程模型（DEM）。这些现代特征虽然在某些应用中很有趣，但往往会掩盖考古景观。研究人员在软件中使用了一个简单的功能来放大DEM中的Z值，以增强地形，并使堡垒的城墙和其他随着时间侵蚀的土方工程更加锋利。应用于DEM的另一个增强功能是山体阴影浮雕功能，该功能允许科学家改变堡垒上的照明方向和角度，使其在可视化中具有最引人注目的外观。

将古董地图准备为三维覆盖

这项工作的下一阶段可以归因于精明的研究和运气。安妮堡在1700年代对法国和英国非常重要，以至于绘制了几张地图。与其他地方相比，冲突地点往往受到制图人员更多的关注，这一地点的情况当然如此。安妮堡及其相关城镇作为法国和英国的驻军和行政中心，发挥着不同的作用。驻扎在该要塞的军事工程师因此使这里成为殖民地地图绘制得最好的地方之一——这对致力于绘制丢失的住宅、花园、果园、码头、磨坊、教堂和墓地的现代考古学家来说是一个福音。

值得注意的是，从法国国家档案馆获得了1706年手稿地图的数字化版本。似乎命运还没有受到足够的诱惑，一张1753年的英国地图位于美国国会图书馆。两者都已经数字化，并可在线获取。

然而，在与DEM合并之前，地图必须进行地理参考。这一过程是在另一个软件包中进行的，该软件包使用了SMU科学家从1:10000比例尺的底图中获得的一系列固定控制点，该底图也是在省级数据门户网站上免费获得的。控制点是使用历史时期绘制的景观中的特征选择的，此后这些特征从未移动或被删除。堡垒的堡垒提供了方便的控制点，邻近的安纳波利斯皇家镇的街道交叉口也是如此。