无人机洞穴扫描技术：科幻照进现实

编译：郭皓存

校对：王婧彧 王茸

编排：崔郁

无人机洞穴扫描技术

科幻照进现实

电影《普罗米修斯》中的“普罗米修斯”号飞船。

Credit: 20thCentury Fox

六年前，2012年9月2日，开学前的最后一个周日，科幻电影《普罗米修斯》在中国的各大影院上映。在电影里面，人类乘坐“普罗米修斯”号飞船于2093年抵达LV-223星球，开始探索“造物者”们留下的地下洞穴。进到未知而黑暗的洞穴后，两颗小球从一位飞船组员的手中一跃而起，开始自动为整个洞穴建立3D模型。

《普罗米修斯》电影片段。

科幻电影里的这一幕时隔仅仅6年就在地球上成为了现实。

2019年3月19日，美国加州硅谷山景城。SETI协会（寻找地外文明协会，The Search for Extra-terrestrial Intelligence Institute）和天械科技公司（Astrobotic Technology, Inc.）联合发表声明，宣布搭载了LiDAR激光雷达技术的无人机成功为冰岛的一个熔岩洞进行了全自动3D建模。

这次建模的对象是冰岛北部米湖区域的Lofthellir熔岩管冰洞，研究团队用无人机成功记录了此熔岩洞的形状、大小、岩石掉落历史和冰柱的形成。Lofthellir翻译成中文是空气洞，形成于3500年前的一次火山喷发，常年温度低于冰点的它有着永不融化的天然冰雕和壮丽的熔岩地形，吸引很多游客前来观赏。

视频截图：位于冰岛北部的米湖区域。这里的地质环境和月球/火星相近，所以曾经被拿来测试月球/火星探索技术。“阿波罗计划”的宇航员们50年前曾在同一个区域进行过地质实地训练。

Credit: NASA/Astrobotic/SETI Institute/Lee et al. 2019

本次研究团队的负责人，SETI协会的行星科学家——李天龙博士(Dr. Pascal Lee)说：“我们这次选择去冰岛的这个熔岩管冰洞，是因为它的这种多冰环境让危险和机遇并存。它可以使我们为将来探索月球/火星上的熔岩洞做好准备。而目前我们很看好的一种探索方法就是使用无人机。”

无人机用LiDAR激光雷达技术扫描洞穴生成的3D模型，图中显示了模型中位于Lofthellir熔岩洞“天窗”(Skylight)入口附近的部分。（上：此区域的鸟瞰图；下：熔岩洞入口附近的3D模型；中：鸟瞰图和3D模型的合成图）

月球和火星的表面环境非常极端，时刻接受着强烈的宇宙辐射、巨大的日夜温差、和来自微陨石的撞击洗礼。幸运的是，它们的表面都有不少天然洞穴开口，这让我们可以接触到被保护起来的地下环境。将来这些洞穴也可以当作天然保护罩，用来储存物资或为探索者们提供短期/长期居住。

其中，在月球北极附近或火星巨型火山侧边发现的洞穴还有可能藏有珍贵的、没有被表面极端环境洗礼过的冰，它们是科学家研究月球和火星水历史的关键。这些洞穴所在的位置足够寒冷，使它们可以通过一种叫“冷阱”(cold-trapping)的过程留存住冰。火星的水历史可以为我们寻找火星生命提供重要线索。如果方便获取的话，这些冰同时也会为人类探索者提供宝贵的水资源。水不仅可以用来提供生命支持，还可以被分解成氢和氧作为火箭燃料使用。

这些月球和火星上的洞穴开口多数都是在火山地形，或是被陨石/彗星撞击过的地区发现的。火山活动或者猛烈撞击时产生的高温熔化了岩石，形成了这些洞穴。而这次科学家测试无人机洞穴扫描技术的地球洞穴属于熔岩管地形，和月球/火星上的洞穴相似。熔岩管是当岩浆表面冷却硬化，内部却继续流动时形成的。顾名思义，它是一种管状的地下洞穴结构。

照片左下角是由天械科技公司研发的无人机，它搭载了LiDAR激光雷达技术。照片中它正停在冰面上，等待开始它的洞穴扫描任务。

Credit: NASA/Astrobotic/SETI Institute/Dubai Future Foundation/Lee et al. 2019

“小型的全方向航天器是探索地球、月球、火星熔岩管的理想工具。它不需要和熔岩管崎岖不平的岩壁做直接接触，所以行动上自然不受到岩壁形状的限制。灵活的无人机可以在很短的时间内进入、扫描、离开洞穴，把数据发回地球并同时充电或补充燃料。它们还可以被用来采集样本。”安德鲁霍希勒(Andrew Horchler)博士说道。他是天械科技公司的未来任务与技术总监，天械科技公司负责开发此次任务用到的无人机LiDAR洞穴扫描技术。

地球上的无人机都是用螺旋桨提供动力移动和飞行。但由于月球上没有大气，而火星高海拔洞穴空气稀薄，未来探索时的无人机需要使用喷射式推进器提供动力，这会是科学家将来需要考虑的问题。而这次任务主要着重于验证无人机在无光、无GPS、无事先输入地图的情况下自主扫描含冰岩洞的可行性。

这次任务使用的软件系统——AstroNav，是天械科技公司和NASA签订的研究合同的一部分。它使得无人机可以全自动地探索地下环境。AstroNav兼容立体视觉技术和LiDAR激光雷达技术，让无人机可以实时地在无GPS的陌生环境下快速移动。

这种整合多个/多种传感器的技术在探索复杂地形时是非常必要的。LiDAR激光雷达技术适合在地底黑暗环境中使用，而基于光学相机的立体视觉则更适用于光线充足的开放式区域。假如无人机可以在飞行途中自由地在两种技术中切换，那它就可以不依靠人类从而自行进出洞穴进行探索。

“天械科技公司的无人机和LiDAR激光雷达技术在本次任务中表现良好，让我们可以在短短几分钟内获取到Lofthellir熔岩管冰洞的3D地图。从它的形状、大小，到岩石瀑布、冰柱、微冰川的分布，我们现在可以说是对它了如指掌。”李博士说道。

由搭载了LiDAR激光雷达技术的无人机扫描洞穴制作而成的Lofthellir熔岩管冰洞主腔室3D地图。图中颜色为标高（指该位置与平均海平面之间的垂直距离），从低到高依次为紫蓝绿黄红。图中文字为知名的天然冰雕或天然石雕。

这是人类第一次用无人机结合LiDAR激光雷达技术扫描冰洞或熔岩洞。霍希勒博士表示：“我们还有很长的一条路要走才能开发出一套可以在月球或火星上运行的系统，但这次探索含冰熔岩管是非常重要的第一步。”（小编注：本次任务的数据采集实际上发生在2018年10月11日。早在2017年12月澳洲的一家名为Emesent的公司已经成功在干燥的矿洞里用无人机结合LiDAR技术进行探勘。但矿洞属于人造洞穴，较为平整，而本次任务是天然洞穴且为含冰环境，勘探难度较高，用到的技术也不一样。）

在月球和火星上的洞穴毫无置疑是未来人类或机器人探索任务的目标。而Lofthellir熔岩管冰洞毫无疑问会在其中起到很重要的作用，因为50年前“阿波罗计划”的宇航员正是在它所在的区域进行地质实地训练的。“Lofthellir熔岩管冰洞当时还没有被发现，但随着我们为重返月球和踏上火星做准备，新一代的宇航员完全可以回来这个区域进行训练。我个人绝对推荐把Lofthellir放入他们的课表里。”李博士打趣道。

这次研究的结果发表于第50届月球和行星科学会议（2019年3月18日至22日在德克萨斯州休斯顿召开)，你可以在这里阅读他们的英文原论文：https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2019/pdf/3118.pdf

左：月球静海上一个直径80米的坑洞。

Credit: NASA/LRO

右：艺术概念图，喷射式飞行器探索月球上的一个坑洞。

Credit: Pascal Lee

来自SETI的演示视频。1:07无人机起飞，1:53无人机降落于冰面。

资料来源

1.https://www.seti.org/press-release/drone-maps-icy-lava-tube-iceland-preparation-cave-exploration-moon-and-mars

2.https://techcrunch.com/2018/11/05/subterranean-drone-mapping-startup-emesent-raises-2-5m-to-autonomously-delve-the-deep/amp/

3.https://orbit.spacenation.org/iceland-apollo-astronauts/

4.https://guidetoiceland.is/travel-iceland/drive/lofthellir

责任编辑：王婧彧

牧夫新媒体编辑部

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影像来源:Taha Ghouchkanlu(TWAN)