Poniższy artykuł opracowano w oparciu o stan prawny obowiązujący w momencie powstania tego artykułu.
Redakcja nie gwarantuje aktualności tekstu w okresie późniejszym, jak również nie ponosi odpowiedzialności za ew. stosowanie się do zawartych w nim zaleceń.

Laserem po ziemi

Mogłoby się wydawać, że poznaliśmy już wszystkie zakątki kuli ziemskiej. Co było do odkrycia ujrzało już światło dzienne. Prowadzone wykopaliska i badania ukazały współczesnym, gdzie i w jaki sposób toczyło się życie naszych przodków, zarówno tych przed naszą erą, jak i żyjących nieco bliżej współczesności. Okazuje się jednak, że wciąż możemy być zaskoczeni nowymi odkryciami, które korygują naszą dotychczasową wiedzę. Badania archeologiczne, prowadzone na niemalże wszystkich kontynentach, są żmudne, czaso- i finansożerne, przy tym nie gwarantują ostatecznego sukcesu. Czasem mogą prowadzić do błędnych wniosków, które po wielu latach, dzięki nowym badaniom, muszą być uaktualnione/ zmienione. Zwłaszcza badania w terenach trudno dostępnych, a w takich często zakładano miasta (chociażby ze względów obronnych) wymagają dużo wysiłku. Wiele dawnych miast zostało opuszczonych lub zniszczonych przez ludzi; część obszarów zniszczyła lub przez wielesetleci zmieniła występująca na danym terenie przyroda. Niegdyś gołe wzgórza, teraz porośnięte bujną roślinnością, krzewami, drzewami, kryją - jak się czasem okazuje - pozostałości po murach obronnych, schronach, wieżach itp. Przy braku map, przekazów pisemnych, słownych trudno na takie miejsca trafić. A co można powiedzieć, gdy odkrycia, dotyczą terenów porośniętych przez lasy tropikalne. To dopiero wyzwanie. Nawet gdy natrafimy na budowle lub ich części, niezmiernie trudno jest połączyć je w całość na większym obszarze, kiedy badania prowadzone są „z ziemi", a zdjęcia lotnicze lub satelitarne niewiele wnoszą ze względu na bujną roślinność występującą na danym terenie. Aby zbadać taki teren mamy dwie możliwości: wyciąć roślinność (!!!) lub użyć techniki, która "przeniknie" przez gęsty las. Z pierwszego pomysłu nie skorzystamy, choć egzotyczne drewno w cenie..., a i teren, o którym będzie mowa ma ponad 21.600 km², więc byłoby go całkiem sporo... Użyjemy techniki bardziej wyrafinowanej, bezinwazyjnej, pozwalającej na uzyskanie znakomitych źródeł badawczych i dokonanie nowych odkryć.
 

Obszar, o którym będzie mowa, znajduje się w Gwatemali na terenie rezerwatu biosfery Maya Biosphere Reserve. Rozciąga się od mokradeł do niskich pasm górskich, i ma kilka zbiorników wodnych, w tym jeziora, rzeki, strumienie i cenoty (naturalne studnie krasowe utworzone w skale wapiennej).
 

Do tej pory archeolodzy skupiali się głównie na mieście Tikál, uważanym za prawdopodobną stolicę państwa Majów. Słynące z piramid w stylu talud-tablero[1] miasto zostało założone w III w.n.e. Okres jego największego rozkwitu szacuje się na VII–VIII wiek. W IX wieku zostało opuszczone. Pod koniec XVII w. ruiny ukryte w dżungli zostały odnalezione przez hiszpańskich misjonarzy. Badania prowadzone w XIX i XX wieku pozwoliły na odkrycie wysokich piramid schodkowych z wzniesionymi na nich świątyniami i innych grup budowli połączonych ze sobą drogami procesyjnymi. Wśród nich odkryto liczne kamienne, ustawione pionowo płyty nagrobne z inskrypcjami i płaskorzeźbioną dekoracją upamiętniające kolejnych władców Tikál. W centrum miasta, przy Wielkim Placu znajdują się ruiny dwóch świątyń zwanych Świątynią I i Świątynią II oraz zabudowania Akropolu Północnego i Akropolu Centralnego. Świątynia I o wysokości ponad 46 m (nazywana także Świątynią Wielkiego Jaguara) zlokalizowana została po wschodniej stronie placu. Po stronie zachodniej znajduje się nieco niższa (o wysokości około 36 m) Świątynia II. Czas ich powstania określany jest na około 700 r. Na zachód od tej grupy wznosi się ruina najwyższej, mierzącej ponad 65 m, piramidy ze Świątynią IV zwaną też Świątynią Dwugłowego Węża. Czas jej powstania określa się na około 480 r. W pobliżu Akropolu Centralnego, na jego południowo-zachodnim krańcu znajduje się Plac Zaginionego Świata, na którym wzniesiono platformę do prowadzenia obserwacji astronomicznych oraz plac Siedmiu Świątyń. Przy południowym krańcu drogi procesyjnej znajduje się Świątynia VI, nazywana Świątynią Inskrypcji z uwagi na długi napis umieszczony w centralnej części dachu. Czas jej powstania określany jest na około 766 r. Jak duże to obiekty? Dla porównania, trzy największe egipskie piramidy znajdujące się w Gizie mają odpowiednio 147 m (Cheopsa), 138 m (Chefrena) i 62 m (Mykerinosa) wysokości. Obszar, na którym znajdują się ruiny, zajmuje około 60 km²; powierzchnia całego miasta liczyła około 125 km² (dla porównania Gdańsk - 262 km², Toruń - 116 km²).
 

Na terenie rezerwatu znajdują się również inne miasta, jak El Tintal, Nakbe i Wakna. Dotychczasowe badania prowadziły do wniosków, że populacja Majów wynosiła około 5 milionów. W wyniku nowych badań szacuje się, że liczba ta mogła sięgać 20 milionów, co odpowiada połowie ludności ówczesnej Europy. Populacja Majów obejmowała przy tym obszar o powierzchni porównywalnej do terytorium Włoch.
 

Na podstawie czego uzyskano całkiem nowe liczby, tak różne od poprzednich?
Otóż do badań na terenie dżungli użyto (na dotąd niespotykaną skalę, jak na badania archeologiczne) urządzenia do laserowego skanowania gruntu o skrótowej nazwie LiDAR. Dzięki niemu w lutym br. archeolodzy z Gwatemali, Stanów Zjednoczonych i Europy ogłosili odkrycie w rezerwacie około 60.000 pojedynczych kamiennych budowli Majów. Obejmują one cztery główne ceremonialne centra z placami i piramidami. Inne budowle tworzą sieć dróg i mostów, skomplikowane systemy nawadniające i tarasowe, a także mury obronne i twierdze. Uzyskane obrazy świadczą o tym, że cały badany region usłany był osadami. Całość tworzyła Megalopolis - wielkoprzestrzenny układ osadniczy, który powstał w wyniku łączenia się rozległych, peryferyjnych stref pojedynczej zabudowy i związanych z nią usług rozwijających się wokół aglomeracji i dużych miast. Tym samym musiano zweryfikować dotychczasowy pogląd, że budowane w dużej odległości od siebie miasta Majów były samowystarczalne.[2]

 

Rysunek przedstawiający artystyczne wyobrażenie jak wyglądały miasta cywilizacji Majów w czasach świetności Autor nieznany. Źródło: Getty Images

 

Koordynatorem i sponsorem prac jest Fundacja PACUNAM, której głównym celem jest ochrona lasów tropikalnych, fauny i flory występującej na terenie rezerwatu biosfery Majów. Aby sprostać powyższemu, do badań wykorzystano technologię pozwalającą na wykonanie lotniczych pomiarów geodezyjnych. Pomiarów dokonano na powierzchni ponad 2.100 km². Dla porównania nasz największy park narodowy - Biebrzański Park Narodowy zajmuje powierzchnię około 592 km², a Kampinoski Park Narodowy około 385 km².
 

Pora wyjaśnić co to takiego i jak działa LiDAR. Akronim LiDAR (po angielsku Light Detection and Ranging) jest technologią pozyskiwania informacji o powierzchni terenu. Działa na podobnej zasadzie jak radar, lecz skanuje powierzchnię światłem. Z lecącego samolotu lub helikoptera dokonuje się pomiaru odległości do punktów powierzchni terenu. Jeżeli gęstość terenowych punktów pomiarowych jest dostatecznie duża, to w efekcie uzyskuje się niemalże ciagłą, przestrzenną reprezentację powierzchni terenu. Z dalmierzem synchronicznie współpracuje system GPS określający pozycję samolotu, z której wysłano impuls, oraz inercyjny system nawigacyjny określający aktualne nachylenia kątowe platformy, na której zamontowana jest optyczna głowica skanująca. Integracja danych z tych trzech systemów pomiarowych daje położenie, z którego wykonano pomiar odległości, samą odległość i jej kierunek w przestrzeni. Pozwala to określić współrzędne punktu terenowego X, Y, Z, w który w danym momencie był wycelowany laser. Laser wysyła poprzez specjalny układ optyczny bardzo krótkie i dokładnie odmierzone, silne impulsy światła o konkretnej długości fali i w określonym kierunku. Światło to ulega po drodze rozproszeniu, które jest obserwowane za pomocą teleskopu, znajdującego się w tym samym urządzeniu, a następnie rejestrowane jest za pomocą czułego detektora (fotodiody lub fotopowielacza, a także kamer CCD i CMOS), który bada natężenie zaobserwowanego rozproszonego światła. Lotniczy skaner laserowy pozyskuje bardzo duże ilości danych tworzących chmurę punktów. Stanowi ona dokładną reprezentację powierzchni terenu oraz dobrze przenika przez roślinność, aby dotrzeć do gruntu. Chmura punktów używana jest przy tworzeniu NMT - Numerycznego Modelu Terenu[3] i NMPT - Numerycznego Modelu Pokrycia Terenu oraz wysokościowych profili terenów. Wymiar dokładności określa w dużej mierze gęstość punktów na 1 m². Dla szczegółowych modeli, np. linii energetycznych, architektury miejskiej gęstość ta wynosi 12-20 pkt/m². Dla dokładnego obliczenia mas ziemnych, wiernego odwzorowania szczegółów terenów zurbanizowanych gęstość wynosi 6-12 pkt/m². Z kolei dla podstawowych potrzeb, dla uzyskania ogólnego i precezyjnego modelu gęstość wynosi 2-6 pkt/m². Dzięki laserowemu pomiarowi jesteśmy w stanie osiągnąć gęstość do 50 pkt/m². Proces pomiarowy jest całkowicie zautomatyzowany. Sam pomiar to dopiero część pracy, którą należy wykonać, pozostałą obróbkę dokonuje się już na ziemi, wykorzystując specjalistyczne oprogramowanie, które oddzieli punkty powierzchni ziemi od punktów obrazujących obiekty pokrycia terenu. W skrócie „wyczyści” mapę z niepotrzebnych elementów, np. roślinności (drzew, krzewów).
 

Technologia laserowego pomiaru ma, jak to zwykle bywa, swoje zalety, jak i wady.
 

Do wad należy zaliczyć brak odbić impulsu lasera od powierzchni wody, trudność w wyznaczaniu linii szkieletowych, linii nieciągłości terenu, krawędzi elewacji budynków i dachów. Wynika to po części z niedoskonałości oprogramowania do analizy surowych danych, dlatego prawidłowość działania algorytmów automatycznej klasyfikacji, filtracji i ekstrakcji jest dodatkowym przedmiotem licznie prowadzonych badań naukowych nad poprawieniem skuteczności algorytmów. Poprawa działania oprogramowania niewątpliwie przyczyni się do oszczędności czasu w procesie usuwania błędów, zwłaszcza dla terenów o dużej powierzchni, eliminując żmudny ręczny proces weryfikacyjny błędnie zinterpretowanych punktów.
 

Z kolei do najistotniejszych zalet technologii laserowego pomiaru zaliczymy: niezależność od warunków pogodowych (podstawa chmur wyższa od wysokości lotu, przy czym negatywny wpływ wywierają jedynie ulewne deszcze i mgła), niezależność od warunków oświetleniowych (skanowanie w nocy), przenikanie przez warstwę roślinności, dużą gęstość punktów przestrzennych, wysoką dokładność wyznaczenia współrzędnej Z, krótki czas otrzymania produktu końcowego i relatywnie niskie koszty stosowania technologii dla dużych obszarów.
Dla opisywanego powyżej skanowanego obszaru o powierzchni 2100 km² proces skanowania trwał 4 dni, zaś obróbka w ten sposób otrzymanych danych 3 tygodnie. Dla porównania, w ciągu 25 lat naziemnej "walki" z dżunglą udało się nanieść na mapę jedynie 23 km².
 

Gdzie, poza archeologią, znajdzie zastosowanie LiDAR? Nas budowlańców zainteresuje możliwość inwentaryzacji, projektowania przebiegu linii energetycznych, dróg, torów, rurociągów, wałów przeciwpowodziowych i innych wydłużonych obiektów infrastruktury, realizowanie zadań planistycznych i urbanistycznych, budowa przestrzennego modelu aglomeracji miejskich. Obrazowanie obszarów kopalń odkrywkowych, wyznaczanie pojemności zbiorników, pomiar mas ziemnych (hałdy, wysypiska, itp.), pomiar terenów podmokłych.
W meteorologii LiDAR służy do badania składników i rozkładu przestrzennego chmur, wyznaczania przejrzystości, wilgotności i gęstości powietrza, badania koncentracji zanieczyszczeń w atmosferze i detekcji bądź teledetekcji ich składu, wykrywania obszarów o odmiennej temperaturze, pomiaru ruchów powietrza na dużych odległościach oraz obserwacji aerozoli.
Wykorzystamy go do oceny zniszczeń po kataklizmach; możemy generować modele terenu dla terenów leśnych (np. zarządzanie drzewostanem: wysokość drzew, średnica korony, gęstość zalesienia, oszacowanie biomasy, określanie granic lasu, itp.).
 

A wracając do miasta Tikál. Po zastosowaniu laserowego skanowania terenu wykazano, że w jego centrum stała jeszcze jedna, dziś niewidoczna piramida. Do niedawna archeolodzy uważali, że miejsce, w którym się znajdowała, to zwyczajny pagórek, będący naturalną cechą rzeźby terenu. Dowiedziono również, że starożytne miasto było trzy- lub nawet czterokrotnie większe niż początkowo uważano. Na jego obrzeżach urządzenie do skanowania laserowego wykryło pozostałości rozległych budowli obronnych i fortyfikacji. Naukowcy ustalili również, że kultury zamieszkujące ten teren znacznie zmieniły krajobraz, kształtując go na własne potrzeby. Między innymi przekształcając podmokłe doliny w pola uprawne. Osuszone tereny następnie nawadniano. Natrafiono także na pozostałości tarasów uprawnych, które pokrywały w zasadzie każde wzgórze w okolicy. Świadczy to o tym, że cały region został podporządkowany potrzebom mieszkańców miasta i okolicznych osad.
Na wykonanej mapie widać nie tylko piramidy, ale także rozległe tereny, po których przebiegały groble i drogi wiodące do innych miast. Czyli wówczas dżungla była całkowicie „ujarzmiona”.
Przed naukowcami jeszcze wiele do zrobienia, bo cyfrowe mapy opracowano na razie dla zaledwie 1/10 badanego terenu rezerwatu biosfery Majów. Któż wie, co pod koronami drzew jeszcze drzemie…
 

I w Polsce możemy znaleźć przykłady zastosowania laserowej technologii skanowania terenu, chociażby przeprowadzonych przez naukowców z Politechniki Wrocławskiej badań zamków i grodów księstwa biskupów wrocławskich.
 

Również i my, do tej pory nie obcujący ze zdjęciami satelitarnymi (może poza GooleMaps i GoogleEarth), możemy skorzystać z darmowych, powszechnie dostępnych zasobów polskiego Geoportalu, gdzie analizując dostępne na nim skany, zostaniemy odkrywcami dawnych budynków, fortów, dróg itp. Wystarczy tylko wejść na http://geoportal.gov.pl i kliknąć w okienko „Ortofotomapa”.
Następnie wybieramy interesujący nas fragment mapy oraz tak zwany tryb pełny (ikona dużego oka).
Na nowym pasku zadań klikamy w ikonę WMS[4], a w zakładce „Serwisy predefiniowane”, zaznaczamy opcję WMTS[5]. Następnie rozwijamy „Usługi Krajowe WMTS” i wybieramy „ISOK Cieniowanie”. Klikamy na „Połącz” i „Dodaj”. Na liście warstw po prawej odznaczamy wszystko poza „Usługa przeglądania cieniowanej rzeźby terenu dla NMT o rozdzielczości 1 m…”.
Szukamy?
Szukamy!

 

 

 

 

[1] Styl talud-tablero – jego cechą charakterystyczną jest wykorzystanie w konstrukcji piramidy pionowych płaszczyzn ściennych zwieńczonych platformami naprzemiennie z formacjami pochyłych płyt.

[2] patrz – Exclusive: Laser Scans Reveal Maya "Megalopolis" Below Guatemalan Jungle (https://news.nationalgeographic.com/2018/02/maya-laser-lidar-guatemala-pacunam/)

[3] Numeryczny Model Terenu (NMT) – numeryczna, dyskretna (punktowa) reprezentacja wysokości topograficznej powierzchni terenu wraz z algorytmem interpolacyjnym umożliwiającym odtworzenie jej kształtu w określonym obszarze.

[4] Web Map Service (WMS) – stworzony przez Open Geospatial Consortium standard udostępniania map w postaci rastrowej za pomocą interfejsu http.

[5] Web Map Tile Service (WMTS) – międzynarodowy standard udostępniania danych przestrzennych w Internecie w postaci rastrowych, predefiniowanych fragmentów mapy tzw. kafli.