位置导航:首页>科技频道>创新中国>正文

新世纪如何考古:从太空开始,用卫星寻宝

发表时间:2016-3-21 10:52:01 来源: 浏览:

   

我跟萨拉·帕卡克(Sarah Parcak)见面是在纽约的一家高档餐厅里。她头上顶着科学家、教授、埃及学专家、人类学家等众多光环,而且还拿到2016年TED大奖的100万美元奖金。

可是她根本无心享用美食,而是把面前那盘价格不菲的沙拉当成了教学材料。在经过一番摆弄后,她把刀叉往旁边一挪,将碗径直推到我面前,开始给我上起课来。

“比方说这是我们的山丘,”她指着这碗沙拉说。“然后——”她掀起腿上的餐巾,顺势盖在这片想象中的地形上,“这就是现代废墟,把它给盖住了。”帕卡克就这样解释着她的工作,看她摆弄起餐具来这样得心应手,显然不是头一回了。

除了上述众多头衔之外,帕卡克还是一名太空考古学家。这意味着她整天都在仔细检视地球卫星图像,寻找埋藏已久的历史文物的线索。

在餐桌上的演示场景中,那个碗就是文物;纸巾就是覆盖物,而这层覆盖物可以是任何东西。她说,“任何东西一旦被掩埋,会有三种东西把它覆盖住:植被,沙土,或是一些现代建筑物。”

亚拉巴马大学伯明翰分校教授帕卡克。图为帕卡克在冰岛。

“我没法透视建筑物,”她补充说,“大家都以为我可以,但这是不可能的。”自从TED把今年的大奖颁给帕卡克,外界对她的关注就一直没有中断过,甚至还上了脱口秀节目。

美国多家全国性新闻机构,比如《纽约时报》和《华尔街日报》,都发表了她的人物传略。而最大的平台也许要数不久前的TED 年会了,她在会上发表了主旨演讲。

在18分钟的演讲中,帕卡克概述了她的“愿望”,也就是说这100万美元奖金打算怎么花。TED以其特有的理想主义情怀,鼓励获奖者敢于梦想,并专注于那些可以“改变世界”的想法。帕卡克做到了。

当被问到100万美元打算怎么花的时候,她毫不犹豫地说:“我想把世界上每一个考古遗址都找出来。”

怎么实现呢?帕卡克想把每一个人都变成太空考古学家,正在看这篇文章的你也不例外。按照她的想法,她要把搜寻遗迹变成一款手机游戏。这一想法已经在生物和化学领域取得了成功。

考古,从太空开始

太空考古学家并不是在太空中工作,他们只是用卫星拍摄的遥感图像来寻找地表以下的东西。通过这种技术来寻找考古遗址的研究人员并不多,但这个群体正在不断壮大,帕卡克就是其中一员。

这个领域诞生于上世纪80年代早期,当时,美国宇航局(NASA)雇佣了它的第一名考古学家汤姆·塞弗(Tom Sever)。在过去十年中,随着卫星图像分辨率的提升,考古发现的数量明显增长[FS:PAGE]。

据TED称,在帕卡克的帮助下,科研人员光是在埃及就发现了17处可能是金字塔的考古遗址、3000多处聚落遗址以及上千处墓冢。用她自己的话说,她比印第安纳·琼斯还要厉害。

“我比他厉害,我画出了塔尼斯(Tanis)遗址的地图,”她说。塔尼斯是座一度失落的埃及古城,因为《夺宝奇兵》电影而出名。帕卡克虽然并不是太空考古的开山祖师,但也许是其中最出名的一个。

按照她多年的同事、美国橡树岭国家实验室资深科学家德文·怀特(Devin White)的说法,帕卡克之所以有这么高的知名度,一方面是因为她的工作能力,而且她也是这种技术的早期传播者,另一方面,她选择了埃及,这一点也很重要。“她这个研究领域目前在全世界都非常受重视。”怀特说。

虽然每一位太空考古学家的工作方式都略有不同,但目标都是一样的:处理卫星图像,提高其辨识度,发现肉眼通常无法识别的东西,比如被埋在地下的金字塔、山丘以及墓冢。

这种技术也会有一定的误导性。“大家都以为我能透视到地下,”帕卡克说。“但其实不行。”她能观察到的只是地面上的细微差异,而这些差异能透露出地表下的信息。

帕卡克解释说,如果你观察谷歌地图的图像,或许也能看出某些隐隐约约的痕迹,这些蛛丝马迹会“出卖”地下埋藏的遗迹。但谷歌地球的照片非常粗略,而帕卡克工作时用到的大部分图像都来自DigitalGlobe,这是一家高分辨率卫星图像提供商。

她可以放大某一区域,对图像进行处理,然后分析肉眼看不到的电磁频谱所透露的信息。

人类的眼睛只能处理可见光,但帕卡克会利用近红外线和短波红外线,它们透露出的信息能让帕卡克梳理出原本容易被人忽视的细节。

虽然帕卡克在全世界很多地方都工作过,但最令她着迷的还是埃及。她对公元前2000年到公元前1700年的中王国时期尤其感兴趣。在寻找新的考古遗址时,帕卡克会选取约6米到15米见方的地块,然后加上滤镜,用不同的电磁频谱来观察每张图像。

她寻找的是能透露地下埋藏物的地面特征。一种地标性的线索是地表植被的生长状况。地下埋藏的建筑物往往会阻碍地表植物的生长,形成某种“不毛区”。这个“不毛区”会呈现出地下建筑物的棱廓,用肉眼无法看到,但使用短波红外线摄像却可以。

在埃及这样的地方,植被非常稀疏,卫星图像可以帮助帕卡克区分自然生长物和人造材料,比如许多墓冢所用的泥砖。

她掏出手机,给我看开罗南部的一处遗址。这幅卫星图像的分辨率大概是30厘米,也就是说,你可以从600[FS:PAGE]多公里处的高空分辨出一件平板电脑大小物体。“看这里,”她一边说,一边指着几条模糊不清的竖线。

“如果我不告诉你,你也许可以看出来,也许看不出——每个人的观察方式都略微不同,”她说。话虽如此,但这并不是肉眼会去自然关注的地方。”如果你从上面走过,它就是一片平坦的沙漠,地面上什么都没有。”接着帕卡克翻出处理后的图像。

新图像中,土壤的硬质边缘和变异性都一览无余,就好像在第一张图片上加了一个高对比度的Instagram滤镜。在图像右上角,她之前指出的模糊竖线变得更加清晰;土壤变异度最高的地方,像素会最清晰,因为墓冢泥砖的密度要比沙土的密度更高。“这是一座古墓,”她说,“这样就一清二楚了。”

处理后的卫星图像仿佛是把沙子都拨开了一样,但正如怀特所说,“并不是直接看到地下的遗迹。

这份工作就是寻找那些导致环境出现改变的东西,这种改变是可重复、可探测到的。”怀特说,他和帕卡克都成长于本世纪初,对那时成长起来的太空考古学家来说,当时的卫星技术已足够成熟,从而为这类研究提供了条件。

但并不是说,以前的考古学家没尝试过这种方法,他说。“只要有考古遗址的鸟瞰图,我们都会加以利用。”他说。但早期的卫星图像实在太粗糙,派不上多大的用场;每个像素代表大约6500平方米的区域。“这相当于一整片遗迹——这还只是一个像素而已,” 怀特说。

如今,分辨率已大幅提升,这一技术上的飞跃为帕卡克及其同事的研究工作注入了动能。帕卡克解释说,成功的标准并不在于有多少考古发现,而在于排除干扰,收集信息。

“按照卫星图像进行考古勘察或挖掘时,我们总能有所发现。”她说。有了卫星的帮助,寻找考古遗址的成功率提高了很多,大大减少了人力物力的浪费。“遥感技术并没有取代实地考察的必要性,但在最近的案例中,由于它的存在,我们对古代社会的理解出现了快速而重大的转变。”怀特说。

“大量新发现的遗址,加之对现有遗址的了解得到扩展,旧有的理论、假说、模型以及方法被一一打破。作为一名考古学家,这是一个激动人心的时代。”

卫星寻宝也能众包

尽管技术在进步,但太空考古还是需要大量的人力投入。算法也许能探测到地表的变异,但还不足以辨别这些图形意味着什么。因此,这里就需要人类的介入。

但相比起机器,靠人力来辨别图像的速度会慢很多。帕卡克可以在大约5分钟内扫完46平米左右的卫星图像,但数据再多一点的话,她的团队可能就要花上一个多星期去研究了[FS:PAGE]。

另外,并不是每一个与众不同的地表特征都意味着新的考古发现;有时,“不毛区”就真的是“不毛区”,地下什么都没有。

“你看到的每一个成功都徘徊在一大堆无用功的边缘。” 帕卡克说。也就是说,和大多数科学事业一样,她的工作也是一个系统化的试错过程。

这也需要巨大的时间投入——但帕卡克认为,回报是丰厚的。她估计,单是在尼罗河三角洲一带,目前已发现考古遗址还不到总数的0.001%,至于世界其他地方有待发现的遗址有多少,更可想而知。“考古是一个缓慢而艰辛的过程,”她说,“这种情况必需得到改变。”

帕卡克想加速考古发现的进程,至于具体怎么做,这和她的TED获奖心愿息息相关。她想做一款众包式的大众科学游戏,任何人都可以在卫星图像上寻找考古遗址。她实际上是想把最枯燥乏味的任务——寻找图像中的与众不同之处——外包出去。

“说白了就是让大众去充当并行处理器。”怀特说。这个平台目前还在开发之中,但它的模式已然清晰:用户登录后会拿到一张卡片,上面有一片大约50米见方的区域。卡片不会泄露地点信息,以免给盗墓者可乘之机。

游戏会向玩家提供一幅帮助决策的树状图,在玩家观察画面时提出一些引导性问题,例如:你在图像中看到了什么?

你看到植被了吗?

看到现代建筑了吗?

还看到其他东西了吗?

接着进一步细化:

它是圆形还是方形?

是不是盗墓贼留下的坑洞?

帕卡克计划在玩家的卡片上给出示例,告诉他们盗洞是什么样,抑或是古墓和金字塔是什么样。

依据处理方式的不同,玩家的卡片也会呈现出不同的效果。

如果有足够数量的玩家认为他们看到了同样的东西,帕卡克和她的团队会将这类图片归档,作为备选发掘遗址。

至于需要有多少人表达同样的意见,才能让一张图成为有用的数据,他们还在进一步研究中。

帕卡克说,一旦发现一个遗址,她会跟其他考古学家共享这些数据,但前提是他们必须承诺,会通过在线语音、照片、视频直播等渠道, 让参与发现这一遗址的人们也能走进考古现场。

帕卡克所设想的游戏与Fold It、EyeWire以及Galaxy Zoo有着异曲同工之妙,这三款应用分别将与蛋白质折叠、神经元结构以及星系分类有关的研究以游戏方式众包出去。而且它们已经产生了新的科学发现,甚至还登上了《自然》杂志这样的权威科学期刊。

这些游戏都很成功,但可以想见,帕卡克的游戏对大众科学界来说会更加具有吸引力——每一个想成为印第安纳·琼斯或是女侠劳拉的人,[FS:PAGE]都能参与到考古中来。

加之合适的引导界面,进入门槛也大大地降低。为了增加公众对考古的兴趣,帕卡克做出了一系列尝试,其中最新、也是寄予最大希望的一次尝试便是将她的工作变成一种游戏。

考古这种事情,相比网红、明星之流,在老百姓中的传播度毕竟还不够。但幸运的是,帕卡克有着完胜同行的媒体经验。

帕卡克回想起她第一次面对镜头介绍考古学的情景。

当时,她刚刚绘制出塔尼斯古城遗迹的轮廓图,BBC正好在拍摄一部关于塔尼斯的纪录片,于是请她参加了两天的媒体训练营,用她的话来说,她当时“很崩溃”。“他们的态度就好像是,‘你真觉得你很牛?那行,把你的知识说给我听听。’”

她回忆说:“我试了一试,结果发现,假如把这些话说给外行听,只能让他们两眼发直。”虽然考古发现的价值并不为媒体舆论所左右,但帕卡克相信,向世界传递考古知识的重要性丝毫不亚于考古发现本身。

再说,她现在需要公众的帮助,所以重要的不只是让公众理解她所从事的事业,还要引起他们的关注,点燃他们参与进来的热情。

帕卡克恰好就很适合这份工作。作为一名考古学的传播者,她喜欢借用形象化的比喻,以此让更多的人了解这门学科。我问她,太空考古学一词是否准确,她说,别人也提出过类似的疑问。

“于是我试着介绍说,‘我是一名图像分析师,分析对象是拍摄于对流层中段的多频谱、高分辨率的古代地面景观。’”她说。“于是台下睡倒一片。我已经不介意这些了。我就是一名太空考古学家,也是地面景观考古学家,还是埃及学家以及人类学家。很多人都这样,有一大堆头衔。”但她的使命不在于拿到这些头衔。用她的话说,她要“让全世界都对考古学感到兴奋。”

埃及南阿布西尔(South Abusir)卫星图。左图获取于2009年。右图获取于2011年,图中可见盗墓者留下的坑洞。

吃完午餐,帕卡克向我展示了那款游戏的初期试用版。

她说,她最近学到了UX(用户体验)和UI(用户界面)两个词。她还说,她和合作伙伴想让妇孺老幼都参与到游戏中来,并且让玩家在游戏中尽可能地依靠直觉。她说,等着看吧,“说不定加州乡下的某个老奶奶会变成我们的寻宝能手。”

她不指望每个玩家都能成为正儿八经的考古学家,但她确实希望提高这个领域的曝光度,让外界更加重视日益猖獗的盗墓行为的危害。据估计,自中东地区陷入动乱以来,恐怖组织窃取了价值超过3亿美元的文物。

帕卡克说,在中东盗墓活动蜂起的情况下,公众的关注从未像现在[FS:PAGE]这样重要。帕卡克认为,考古学不仅对我们了解过去有着至关重要的作用,对于了解未来更是如此。

研究古代文化不仅仅是发现文物那么简单,它可以帮助我们更加清晰地了解人类曾经的生活方式,进而从历史中吸取教训,以免重蹈覆辙。“我想说,今天的我们如此热衷于走向外太空——移民火星!——我们应该暂时停下,深呼吸,想想历史上所有那些殖民行为,全都没有好的结果。”

毋庸置疑,找到世界上隐藏的所有历史遗迹,这个目标配得上帕卡克拿下的TED大奖。但在从事这一领域近20年后,帕卡克深知,这是一项不可能完成的任务。不过她并未因此气馁。“我这辈子已经花了几千个小时来挖掘小片小片的泥土,”她说,“如果我不是世界上最乐观的人,我也不该干这一行。”