本文發表在《大眾科學》的前部落格網路中，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
作者：Chris Polashenski 和 Simon Filhol
過去的幾天對我們來說非常忙碌。經過大約 8 天的準備工作，我們的飛機在晴朗的天氣中抵達。我們的飛行員保羅和克里斯·拉森博士立即開始進行機載雷射雷達飛行，並且正如我們將看到的，收集了大量資料。與此同時，我們其他人則在地面上拼命工作，收集可與機載雷射雷達進行比較的資料。
整個活動的示意圖如圖 1 所示。請注意標記為“E”的雪科學家。他正在使用 CRREL 發明的一種名為 MagnaProbe 的裝置，該裝置可以同時測量雪深和 GPS 位置（圖 2）。在高峰期，我們同時使用了 8 臺這樣的裝置，測量不同區域的雪深。儘管如此，儘管做出瞭如此巨大的努力，“探測器”的努力與雷射雷達員的努力相比仍然相形見絀，正如兩位正在進行地面雷射雷達工作的年輕科學家現在所解釋的那樣。
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“N”是 SnowStar 2012 活動中科學家們非常重要的概念。對我們來說，一個人的“N”衡量著他的英勇、性格品質以及作為一名科學家的總體價值。“N”是一個人一天收集的資料點數量，而高“N”是勇猛之人的確切標誌。
使用自動雪深探測器測量雪深的小組（見圖 1 和圖 2）正在進行一場激烈的競爭，以每天更高的“N”值來展示他們的勇氣。迄今為止，該活動中報告的最高 N 值約為一天 4000 個。一項傳奇般的努力，仍然被雪科學家敬畏地談論著，在非常非常長的一天（並且在海冰上，因此雪很薄）的過程中，產生了接近 11,000 的“N”值。到目前為止，由於野外面積大、雪深較深以及到達每個地點的通勤時間長，本次活動中沒有人接近這個數字。
地面掃描雷射雷達在不到半秒的時間內收集了令人驚歎的 11,000 個點。因此，我們（地面雷射雷達團隊）在每個地點平均收集 2000 萬到 3000 萬個點，並且我們一天內最多完成了四個地點。在雪測量領域，雷射雷達對於雪探針來說，就像舊鐵路時代炸藥和蒸汽鑽對於錘子和鑿子一樣。當我們為所有仍然徒手鑿石的約翰·亨利們感到惋惜時，我們毫不猶豫地吹噓我們的雷射雷達如何在任何* 一天都輕易地擊敗雪探針的“N”值。（*大風、有霧或下雪天除外 - 見圖 3）。
說真的，大資料量“N”意味著雷射雷達具有真正的前景，可以透過更少的人力、更準確地測量雪，並在更大的區域進行測量，從而徹底改變我們的工作，但我們仍然需要解決系統中的問題。這個專案就是為了解決這個問題——弄清楚我們如何才能更好地測量雪，並將像雷射雷達這樣的新方法與老式方法進行比較。
雷射雷達（代表光探測和測距）是一種使用雷射測距儀測量表面的技術。基本上，您向表面發射一個雷射脈衝，並使用一個極其精確的秒錶，計時它返回到您身邊所需的時間。利用光速，我們就可以使用飛行時間來計算脈衝傳播的距離，除以二，得到到達表面的距離。
如果我們確切地知道脈衝“發射”的方向，我們就可以使用這個距離來計算雪表面的位置，作為空間中的特定點。透過在略微不同的方向上反覆發射雷射，可以收集雪表面的許多樣本。將所有這些點測量值放在一起，就可以得到雷射雷達的產品：雪表面地形的 3D 地圖。
我們的雷射雷達生成的 3D 表面地圖具有非常高的解析度（每平方米至少幾百個點）和超高的精度（在約 1 釐米以內）——覆蓋面積相當於幾個足球場的大小。除了具有科學價值外，這些 3D 地圖玩起來也很棒。 觀看此影片，在我們在本次旅行之前在費爾班克斯的一個地點拍攝的掃描影像建立的 3D 世界中飛行。 此外，在本次活動中圖 4 中顯示的螢幕截圖中，請注意雷射雷達採集到的小樹枝，甚至雪中的雷鳥足跡。
我們正在使用的雷射雷達被認為是地面雷射雷達，這是對您從地面上的三腳架上使用的雷射雷達型別的複雜說法（圖 5）。由於雷射雷達的工作原理是用雷射脈衝擊打表面，因此它只能掃描它所能看到的東西。由於雷射雷達位於離地面大約一個人眼睛的高度，因此掃描區域內即使是小山丘的背面也可能在雷射雷達的視線之外，因此在掃描中會被遺漏。
為了填補這些遺漏，我們將雷射雷達設定在感興趣區域周圍的不同位置，首先掃描山丘的一側，然後掃描另一側，並將掃描結果疊加以構建完整的表面。為了準確地疊加掃描，我們在場地周圍設定了目標，並使用掃描器從每個位置定位它們（圖 6）。然後旋轉和移動在每個地點收集的資料，直到所有目標對齊，這使我們能夠非常精確地將從不同視點收集的掃描結果連線到單個表面地圖中。
我們想要獲得的關鍵雪測量值之一就是它的深度。然而，雷射雷達不測量雪深，只測量表面位置。為了計算雪深，我們必須在雪融化後的 6 月份回來，重新用雷射雷達掃描相同的位置，以建立第二個表面。從雪表面減去地面表面將為我們提供一個雪深地圖，其中包含非常大的“N”值和可能與雪探針一樣好或更好的精度，但這僅在我們能夠返回到完全相同的位置時才成立。精確的 GPS 定位對於這個過程至關重要。
儘管有了這個新工具，西蒙和我還是工作了相當長的一段時間（圖 7）。在我看來，這證明科學家實際上並沒有那麼聰明。在此之前，我們有一個工具，在經過大量辛勤工作後，一天可以收集 11,000 個點。現在我們有了一個每秒鐘收集 30,000 個點的裝置，我們不是讓它執行幾秒鐘然後休息一週，而是仍然整天掃描到深夜，所有這一切都是為了追求更大的“N”值。
雷射雷達掃描的工作還不錯。在資料收集過程中，每個掃描位置都有大約 20 分鐘的時間，掃描器以光速獲取資料，但我們實際上無事可做，只能儘量不擋道，也不阻擋掃描器的視野。有些人可能會認為在苔原上這段空閒時間只不過是保暖的好方法。相反，這是我們最喜歡的過程的一部分。
西蒙指出：“你必須想象自己身處這個巨大的白色景觀的中間，周圍幾乎沒有山丘，背景中有一座令人驚歎的山脈，幾群馴鹿在吃草，雷鳥從灌木叢飛到灌木叢，幾隻狼在巡邏，我們稱之為雅克·阿爾弗雷德·道爾頓叔叔（原因很多，我們在這裡不會提及……）的一隻孤獨的麝牛，以及兩位年輕的雪科學家，一位是美國人，另一位是法國人。”
在這種情況下，我們通常會選擇以下三種選擇之一：欣賞周圍的自然風光（圖 9-13）並探索我們最喜歡的元素（當然是雪）的奇妙之處，討論和爭論各種話題，偏愛我們各自遺產之間的文化矛盾，最後讓我們的想象力創造小遊戲或熱身舞（圖 8）。不知不覺中，工作又召喚我們，我們移到不同的地點位置。”
儘管我們對我們的地面雷射雷達掃描器收集大資料量“N”的能力大吹大擂，但還有另一種型別的雷射雷達，它使我們的結果相形見絀。機載雷射雷達！如果它能夠正常工作，那麼它就是所有雪測量的地毯式轟炸。機載雷射雷達裝置在飛機腹部向下飛行，並在飛機飛行時連續執行，一天內收集的回波次數是地面最好工作量的 10 到 100 倍。
然而，有一個權衡：機載雷射雷達的精度較低；約 10 釐米，而不是約 1 釐米。儘管如此，昨天地面雷射雷達團隊的“N”值在短短 4 個小時內就被這個裝置擊敗了，因為機載團隊在午餐前返回了超過 3 億個點，而我們一整天只有 6500 萬個點。讓我們更加嫉妒的是，機載團隊還可以用一架絕對令人驚歎的 1000 馬力渦輪動力單水獺飛機（圖 14）來代替我們已經很棒的雪地摩托。
資料收集優勢的爭奪將持續幾天，但目前我們都很興奮地說，好天氣和出色的團隊正在為這次旅行中的每個人帶來“大資料量”N。更好的是，我們協調不同團隊（圖 17）的努力進展順利。我們使用多種不同技術在相同區域收集大量雪測量資料集的目標正在真正實現（圖 18）。當我們回家後，我們將有一些強大的資料處理工作要做！
關於作者
Chris Polashenski 自 2005 年以來一直致力於更好地瞭解北極的冰雪。他於 2011 年 6 月獲得博士學位，現在在美國陸軍寒冷地區實驗室擔任研究員，開發研究冰雪的新方法。他是賓夕法尼亞州人，但目前與他的伴侶諾拉、雞、兔子和一隻名叫 Tracks 的自由奔放的比格犬住在新罕布什爾州的漢諾威。可以透過 christopher.m.polashenski@usace.army.mil 聯絡他。
Simon Filhol 以前曾在挪威、斯瓦爾巴群島和阿拉斯加的其他地區在北極工作過。他來自法國沙莫尼，目前正在阿拉斯加大學費爾班克斯分校攻讀地質學和地球物理學博士學位，導師是 Matthew Sturm。可以透過 svfilhol@alaska.edu 聯絡他。
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