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揭露地表真面目-LiDAR空載光達

李柏昱
・2013/07/11 ・1438字 ・閱讀時間約 2 分鐘
LiDAR的觀測結果。左圖為數值地形模型,右圖為數值表面模型,可見樹林與建築。(圖片來源:Flickr用戶Kommunikasjonsavdelingen NTFK)
LiDAR的觀測結果。左圖為數值地形模型,右圖為數值表面模型,可見樹林與建築。(圖片來源:Flickr用戶Kommunikasjonsavdelingen NTFK)

時序進入盛夏,台灣準備迎接2013年的颱風季。過去每次颱風來襲,總會伴隨大量的山崩、土石流以及河床淤積,國土變動幅度相當劇烈。因此,災後進行受災前後地表差異的調查十分重要,需盡快找出受災地點,並進行疏濬河道、邊坡防治等工程,避免下一次更嚴重的災害。

在眾多地表觀測的方式中,遙測空載雷射測距技術(light detection and ranging, LiDAR)又稱光達,擁有觀測迅速、高準確度、能同時觀察地表與地上物體等等的優勢,是近年用來觀測大面積國土變遷、紀錄地形地貌的國際趨勢。

LiDAR使用飛機裝載雷測觀測器具,利用紅外線進行頻率每秒20到40萬次的雷射觀測,藉由雷射反射時間可以計算出觀測儀器與地表的距離,再經過GPS的定位,便可以計算出地表觀測點的高程與位置。

此外,LiDAR最大的優勢便在於透過回波的時間差異,能同時觀測地表上的物體。當雷射光束碰到建築或樹木的頂部,會傳回第1次回波,其餘未被反射的光束繼續行進,直到地表傳回最後一次回波。藉由資料處理,便能將這些地上物的回波排除,獲得地表高程。

利用LiDAR觀測的數據,可以繪製出不同的數值地形模型,一般而言可分為數值高程模型(Digital Elevation Modeling, DEM)、數值地形模型(Digital Terrain Modeling, DTM)、數值表面模型(Digital Surface Modeling, DSM)以及數值建物模型(Digital Building Model, DBM)四種。

DEM與DTM皆為純粹的地表高程,去除所有地面上的建築物與樹木,也就是地表原本的樣子,被樹林遮蔽的河床、山峰都一一顯現;DSM則記錄地表高度,再加上建築物與樹木等地上物的高度;DBM則是地表再加上建築物的高度。

藉由LiDAR繪製出的數值地形模型精確度可達50〜200公分,比一般衛星遙測的40公尺高上許多。

目前全世界約有300多組LiDAR設備,台灣便有7組,雖然LiDAR的觀測成本較高,但它在國土觀測紀錄、地質分析、水土保持、都市計畫、災害防治、森林資源調查等領域應用廣泛,國外甚至用來調查古代文明遺址。

而在台灣,中央地質調查所也透過使用LiDAR觀測大台北地區、蘭陽平原以及海岸山脈,發現大屯火山群中許多未被發現過的火山口與斷層線,對大台北地區的地震風險評估能更為精確。2009年莫拉克過後,LiDAR也用來記錄高雄小林村周圍地形的劇變。

中央地質調查所預定於2013年利用LiDAR觀測全台灣,目前已幾近完成,台灣將成為世界第三個以LiDAR完成國土掃描的國家(第一是荷蘭,第二是瑞典)。這些高精度的觀測資料,將在台灣未來的國土規劃與變更上扮演重要的參考指標,加深我們對於台灣土地的了解,將更有利於長期的國土保育。 (本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威 | 元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院國家科學委員會科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

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李柏昱
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成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。

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曾與乾旱共存 200 年——印度古城 Dholavira 的衰亡給當代社會的啟示

科技大觀園_96
・2021/09/27 ・3515字 ・閱讀時間約 7 分鐘

雖然人類已經演化了將近 200 萬年,但是人類行為的現代性(behavioural modernity),例如抽象思考、深度規劃、語言、音樂和舞蹈等,很可能是在距今 2 萬年前(20,000 B.P.)[1]冰河時期的嚴峻氣候中發展出來,當時的人類正面臨族群瓶頸(population bottleneck),幾乎快要滅絕。

與尼安德塔人和丹尼索瓦人相比,現代人(智人)克服了族群瓶頸,活過了冰河時期,持續演化和蓬勃發展,形成今日的科技與工業世界。到了西元 2020 年,隨著 COVID-19 疫情肆虐和氣候變化日益嚴重,我們開始擔心人類會面臨另一個「瓶頸」:我們能否一直生存下去?

科技與工業世界僅僅 200 年歷史,人類已經讓自己的藍色星球—地球變得無法持續生存。當人類燃燒愈來愈多化石燃料、砍伐森林、破壞野生動物棲息地,造成地球溫度上升了 1.5℃。氣候科學家發出警告,如果再升高 0.5℃,我們將在短短 12 年內看到災難性的後果:極端氣候如氣旋、颱風或乾旱會愈來愈多,洪水泛濫將更頻繁,絕大多數冰蓋將會融化,導致海平面上升,淹沒沿海都市。知名物理學家史蒂芬.霍金就認為:「人類必須在 100 年內殖民另一顆星球,否則將面臨滅絕。」

然而,我們必須認知到,過去人類在這顆星球上克服重重困難生存了數千年,而且還是在科學與技術不先進的時候。如果可以進行一些案例研究,探討過去的時代和地理環境之下,人類如何採用更加持續性的生存方式,將會相當有意義。 

面對氣候危機,印度古文明大城 Dholavira 是如何應對的?(圖/何庭劭繪)

轉向史前時代和考古學

以臺灣為例,過去臺灣有一個歷史悠久、古老(6,000-5,000 B.P.)又先進的人類聚落,就是「大坌坑文化」,當時的原住民祖先已經學會如何製作陶器、種植稻米和小米。

新石器時代的大坌坑文化、河姆渡文化或馬家浜文化,與新石器時代的其他長江三角洲文化幾乎同時間開始各自獨自發展,這些文化持續了數千年。在新石器時代之後,世界各地的人們開始學習冶金技術,首先是製造銅器,再來是鐵器。

在新石器時代之後興起的古文明之一,為青銅器時代的印度河流域文明(Indus valley civilization, IVC, 5200-3300 B.P.),沿著巴基斯坦的印度河流域,穿過印度西北部的平原傳播。

不僅印度與巴基斯坦,在全球不同地區也有一些舊世界文明幾乎同時間繁榮起來,持續了很長一段時間,最後一起衰亡,例如位於美索不達米亞的「阿卡德文明」,還有位於希臘克里特島的「米諾斯文明」,以及位於中國的良渚文化和馬橋文化,再來就是廣泛的長江三角洲文明與黃河流域文明。

印度和巴基斯坦境內青銅器時代印度河流域文明遺址的位置(圖上的點都是),其中 Dholavira 是由考古學家挖掘出來,為印度最大的印度河流域文明城市遺跡之一。

印度河流域文明:延續了2000年的舊世界文明

這些古文明是如何維持了數千年之後走向衰亡,至今仍是考古學調查的謎題。在印度次大陸(Indian subcontinent),印度河流域文明的主要中心包括巴基斯坦的 Harappa 和 Mohenjo-Daro,以及印度的 Dholavira、Lothal 與 Kalibangan。大多數印度河流域文明定居點位於河流系統的氾濫平原,包括印度河區域以及如今不復存在的 Ghaggar-Hakra 河。

在氣候上,雖然印度河流域文明存在的地區受到印度夏季季風影響,但為半乾旱地區,降雨量比印度大陸少得多。最近的研究顯示,4200 B.P. 一場持續了幾世紀的全球乾旱可能導致這些文明的衰亡。因此,這場乾旱事件被科學家標記為「梅加拉亞期」(Meghalayan stage),一個新地質年代的開始。 

印度西北部 Dholavira 遺跡與文物,上方是青銅時代印度河流域文明遺址與石頭建造的城牆,左下是考古文物陶器與印章,右下是軟體動物泥海蜷與印度鉛螺的螺旋外殼,這些動物曾被過去居民食用,留下的外殼是科學家的研究材料。

為了調查印度河流域文明延續了多久,科學家透過碳 14 定年法,分別檢測在印度河流域文明遺址 Dholavira 發現的人類手鐲、魚耳石和食用螺類外殼的年齡。結果發現,Dholavira 遺跡最早開始於 B.P.5500 年,一直持續到 B.P.3800 年,也就是在同一個地點連續居住了約 1,700 年!


Dholavira 遺跡從 B.P.5500 年到 B.P.4400 年,城市擴張非常迅速,當時的人建造了壯觀的核心區域 Bailey,還有中城區和下城區,同期的城市例如 Harappa 或 Mohenjo-Daro 也有類似發現。

大約在 B.P.4300 之後,Dholavira 城市的擴張速度開始放緩甚至停止擴張,在 B.P.4300 到 B.P.4000 之間擴張驟降,建築、工藝和物質文化都顯示出退化,人們無法維持住這個城市,資源短缺。Dholavira 遺址荒廢了幾個世紀,最後在 B.P.3800 年城市終於消逝。

印度古城 Dholavira 為何消失了?

科學家為了找出 Dholavira 古城文明崩解的原因,分析了從 Dholavira 遺址發現的泥海蜷外殼(上圖),從泥海蜷外殼中的氧同位素,來推測當時這些生物的生活環境。

泥海蜷通常生長在紅樹林中,這說明了當時的人類是從附近的紅樹林中採集這些螺類以便食用。而氧同位素的分析,可以揭露這些螺類生長的水域,顯示附近曾經有一條大河,水源則來自季風還有喜馬拉雅山的冰川融化。 然而在B.P.4300到 B.P.4100 之間,季風變得很弱,河流也相當「瘦弱」,在這200年間的全球乾旱中終於枯竭。由於過去的文明是沿著河流發展農業,肥沃的河岸相當重要,因此大乾旱以及河流乾枯相當致命,造成文明隨之崩解。


在印度過去所有的氣候紀錄都顯示,B.P.9000 到 B.P.7000 之間季風相當強勁。在 B.P.7000 之後,季風開始變弱,科學家認為這和太陽輻射的變化有關,這時期的太陽輻射不斷減弱。

有趣的是,雖然季風減弱,但是 Dholavira 城市的人們很自然而然地採取節水措施,他們修建了水庫,懂得集水和省水,與缺水的自然災害抗爭了 1,700 年。不僅如此,Dholavira 的居民還改變了農作物的種植模式,從水稻等高耗水的作物,改種不需要太多水的小米。

當時的人就已經具有如此先進的觀念了,即使在今天,我們擁有強大的科技、衛星測量和通訊,也無法改變某些經常乾旱地區的農作模式。

然而,大自然還是給了古文明重重一擊,面對持續 200 年的全球大乾旱時期,Dholavira 的人們終於無法應付了。

印度河流域文明的 Dholavira 遺跡,當時的人們修建了水庫(左)和輸送水管(右),因為降雨量少,居住區缺水,需要節約用水。

從過去文明的衰亡得到教訓

實際上,印度的 Dholavira 以及其他舊世界文明都是了解氣候變遷如何增加未來乾旱風險的經典案例,這些風險也正是今日聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)所預測的結果。

IPCC 所有報告都顯示,隨著化石燃料用量增加,全球暖化將會加劇,乾旱與洪水氾濫的極端事件會愈來愈頻繁。IPCC 的資料顯示,特別是亞熱帶和中緯度地區的乾旱將會增加,我們已經開始在印度和其他國家看到這種情況。

季風中斷的天數正在增加,而季風低壓(monsoon depression)的數量正在減少,氣旋、颱風和颶風的威力變得更加強大。2020 年的超級氣旋風暴「安攀」(Amfan)摧毀了印度東海岸,造成價值數百萬美元的財產損失和人員傷亡。

全球氣候暖化和都市化,也帶來了像 COVID-19 這樣的未知疾病,蝗蟲等害蟲的攻擊也在增加,從非洲到亞洲,成千上萬的農田遭受摧毀。在舊世界文明中,人類長期持續的定居,並克服一切自然的困難,這些歷史帶給我們兩個重要的教訓:

第一,我們必須儘快學會如何應對氣候變遷導致的季風減少和水資源短缺,尤其是在農業方面。我們必須學會如何成為一個參與式的社會,而非獲利至上的社會。

其次,如果不趕快準備的話,那麼等著我們的就是一場大災難,氣候變遷愈來愈猛烈,乾旱、洪水和海平面上升,都是人類無法控制的。

像臺灣、荷蘭、孟加拉和印度孟買等地,可能就會陷入危險之中。舊世界的文明維持了約 2,000 年,而工業革命後的現代文明只維持了 200 年。1,500 年以後,很難說會發生什麼事,人類是生存還是滅亡?

現在,印度理工學院和臺灣中央研究院地球科學研究所正在利用最新的物理學、質譜分析和年代判定,共同研究臺灣和印度的古文明。目的是為了更詳細了解這些壯觀的遺跡,從經驗中學習,幫助我們在未來建設一個可持續發展的地球。


註解

  1. B.P.(距今),Before Present,考古學的年代標記法,以西元 1950 年為基準,距今 2 萬年(20,000 B.P.)的意思就是比西元 1950 年早了 2 萬年。

科技大觀園_96
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