2014年9月12日 星期五

哆啦A夢(小叮噹)的百寶箱-閒談未來與現在的地質學家不可忽視的新技術I

大家都看過哆啦A夢嗎?這是一個以前被稱為小叮噹的日本長壽卡通漫畫,主角是一隻來自於遙遠的距今天約一百年後的機器貓。被派來協助世修的祖父-大雄解決他人生上遇到的問題。由於一百年後的科技進步,機器貓可以從他身上的四次元口袋裏,變出許多的法寶,幫助懦弱的大雄跟他的朋友解決許多的難題。如果你聽過小叮噹這個名詞,那各位的年紀肯定是跟費雪不相上下的喔!費雪小的時候,對於這個機器貓哆啦A夢卡通非常有興趣,(當然,直到現在還是一樣啦!)。因為他總是可以變出一些很有創意的新科技。不過談到這,大家應該會問,費雪今天天南地北是要談漫畫和卡通嗎?

~~不不不~~其實,費雪是要從這來談談,一些未來科技的運用可能性。哆啦A夢有一次,因為大雄抱怨和他的朋友在街上玩,老是被趕,而且還有車經過太危險,因此從口袋裏掏出了立體照相機,這是甚麼個法寶?簡單的來說,就是一台可以照了以後,完全複製景物的照相機。所以大雄就複製了整條街道,和同伴在其中過癮的玩。這個原創於二三十年前漫畫中的幻想法寶,從今天看來卻如此的有創意,並已經被初步實現。最近最夯的科技,被談的最多的,就是3D掃描和3D列印,ㄟ~組合起來這不就是立體照相機?雖然目前還需要一些進一步的改良,但是費雪真的相信,立體照相機的時代,是真的不遠了。

圖一、小叮噹裏的立體相機原理與使用方法

當然,費雪更有興趣的是,這些技術,可以或如何被用在地質科學的研究、調查的進步,或地球科學教育上?先來談談3D(三維)掃描吧,這是用光學技術,判斷物體的表面凹凸,用來建立物體的三維模型。技術上可以分為主動式跟被動式的掃描,主動式可以用發射器發射電磁波、光波(包含紅外線、多波道光、雷射光)、甚至是接觸式感測器,去測量物體表面起伏,距離一個固定參考座標位置的距離,然後把資料重建成立體模型。而被動式的是在多角度拍攝照片,然後運用類似人眼平行視覺立體成像的原理,建立三維的模型。那這些技術怎麼應用到地質科學的研究與教育上?舉例來說,費雪常常和同儕聊到,從事地質調查真的是看天吃飯,而好的地質露頭卻可遇不可求。尤其是在台灣,有時候你發現了一個好的露頭,想趁若有一段連續好天氣,帶來更多專家一起商量一下,卻可能轉眼在一個颱風之後,露頭被崩落土石掩埋就不見了。更多的是,因為開路或開發挖出來一個新鮮的露頭,下次施工單位就在上面噴漿、作工程而看不到了。如果這時有立體照相機,就可以把露頭細節保存起來。隨時可以再叫出來或列印出來,針對細節再作深入研究。有時候,像是地層或地質構造的露頭往往僅限於二維的平面,我們也可以在不同位置,多拍幾張照片,然後根據空間關係結合成一個三維立體模型,就可以知道這些構造與地層在空間的延續關係了!
圖二、3D固定式主動雷射掃描儀器與操作

另外,有些地區很大,或是地形崎嶇,光靠地質學家的人力很難到達或詳細踏勘。那我們可以在遠距用主動式3D掃描(可以是固定在陸地上,或裝載於飛機、衛星、甚至是無人載具上的發射器與接收器),先快速利用反射光波的特徵,運用電腦程式智慧判斷判斷底下的材質或構造,建立初步的地層或地質構造模型,地質學家再重點踏勘驗證。可以減少不少人力的浪費,並且能快速建立三維立體地質圖模型。

圖片三、費雪跟學者合作拍攝的基隆嶼3D飛行影片擷取畫面

這種天馬行空的想法,很多人曾經嗤之以鼻,告訴費雪說不太可能吧?地質學發展幾百年了,地質學家到現在不是還依賴紙本地質圖?不過,費雪還是想試試看,所以現在正在跟資訊工程的人合作,嘗試可不可以做到運用無人載具的照片建立3D模型,再運用光影,讓電腦程式自動初步判釋節理的分佈,統計計算節理在三維空間的分布位態。如果成功,嗯~就可以不只是”唬爛地質學”的天南地北閒聊幻想了。更進一步來說,費雪嘗試預言,根據這樣的作法發展下去,十到二十年內的未來地質圖,可能會發展到不是像現在的攜帶式展開紙片地圖。而是”三維立體地質圖”。使用的人,在野外帶上一個類似眼鏡的裝置,裝置上有GPS定位,觀察者看到哪裏,就呈現跟據地形做出來的投影斷面地質分佈以及相關資訊。所以,以後地質圖的製作會更立體、更精緻,也需要更多懂新科技的地質學家,投入基本的建模型工作,當然未來地質學的高端應用研究,也會需要更多懂得運用新科技的研究人員投入。有人說:“人類因為有夢想才偉大”,但是費雪要加上一些補充:科學家因為有幻想,未來才有無限的可能;失去了幻想,是身為科學家的最大危機!
新科技很多,費雪今天只談一個立體照相機前半部的3D掃描技術,就談不完了,下次再談3D列印機的運用與可能性。