600 mét phía trên những cánh rừng ở nước cộng hòa Trung Mỹ Guatemala, một chiếc Cessna 206 mang mã hiệu C-GVSC đang ì ì quần thảo khu vực được chỉ định. Cứ mỗi giây trôi qua, nó đều đặn bắn xuống 200.000 xung laser, xuyên qua những tán thông trước khi chạm tới nền rừng và bị dội ngược trở lại. 

Nghe giống như thử nghiệm của một loại vũ khí hủy diệt mới. Nhưng không, đây chỉ là một phần của nghiên cứu do Tổ chức Nhân chủng học và Môi trường Hoa Kỳ (FARES) thực hiện.

Những tia laser được phát ra từ một thiết bị gọi là LiDAR có bước sóng 1.550 nm. Ở độ dài bằng với sóng ánh sáng đang chạy qua đường truyền cáp quang nhà bạn, nó gần như vô hại với sinh vật.

Các thông số đã được tính toán cẩn thận, đến độ LiDAR chắc chắn không gây tổn hại cho mắt nếu chẳng may liếc phải.

Nhưng công suất của thiết bị vẫn đủ lớn, để chùm sáng tạo ra những tia phản xạ, thứ sẽ quay về cảm biến mà chính chiếc C-GVSC trang bị. Nhờ vào những tia sáng phản xạ này, các nhà khảo cổ ngồi trên máy bay có thể vẽ lại toàn bộ bản đồ của khu vực phía dưới mà không cần xỏ ủng, vào rừng và lập trại. 

Rồi họ chỉ cần áp dụng thêm một thuật toán nữa, để lọc bỏ hết những nhiễu loạn mà tán cây tạo ra. Thế là "bùm", trên ảnh chụp được từ không trung, nó giống như một cú búng tay của Thanos đã xóa sổ tất cả thảm thực vật đang mọc dưới mặt đất.

Những gì còn lại chính là thứ mà suốt 2.000 năm qua cánh rừng rậm ở Guatemala đã cất công che giấu: Tàn tích của nền văn minh Maya cổ đại, siêu thành phố, kim tự tháp khổng lồ, và những con đường dát vàng dưới ánh trăng.

Nếu không có LiDAR, 90% những cấu trúc này sẽ vĩnh viễn bị bỏ quên trong rừng rậm. Giống như những người tí hon bước trên sống lưng của một con khủng long khổng lồ, ngay cả một nhà khảo cổ học kì cựu hàng ngày vẫn đi qua những tàn tích này cũng không thể nhận ra chúng.

Cho tới khi họ nắm trong tay những tia sáng tới từ không trung, thứ được ví như những nhát xẻng đào xuống từ bầu trời, mở ra cái nhìn xuyên qua cả không gian lẫn cả thời gian, tái tạo lại những thành phố từng là biểu tượng cho nền văn minh nhân loại.

Đó là năm 1985, Diane Chase nhớ rằng bà đã cùng chồng, nhà khảo cổ học Arlen Chase đến từ Đại học Nevada, bắt đầu hành trình kéo dài gần một phần tư thập kỷ, lang thang trong những cánh rừng rậm nhiệt đới ở Trung Mỹ.

Mục đích của họ là tìm kiếm Caracol, một thành phố được ghi lại trong truyền thuyết của người Maya cổ đại đã bị thời gian phá hủy và chôn giấu.

Caracol thực ra là một cái tên hiện đại đã được đặt cho nó, trong tiếng Tây Ban Nha có nghĩa là "hình trôn ốc" – ngụ ý những con đường dẫn vào thành phố này rất quanh co và khúc khuỷu. Arlen và Diane đã cùng đoàn khảo cổ của mình phạt từng bụi rậm, dò từng bước chân để vẽ lên chiếc bản đồ kẻ tay đầu tiên kết nối các tàn tích mà họ tìm được.

Thời gian đã đền đáp cho những nỗ lực liên tục. Sau 12 năm, các nhà khảo cổ đã khoanh vùng được một khu vực khoảng 16 cây số vuông với nhiều kiến trúc bao gồm hàng chục lăng mộ, đền thờ và các khu định cư của người dân Caracol.

Nhưng càng tìm kiếm Arlen và Diane càng nhận ra những gì họ thấy chỉ mới là phần nổi của tảng băng chìm.

Dưới vai trò là một trung tâm chính trị của Maya, quy mô của thành phố Caracol ít nhất phải gấp 10 lần những tàn tích đã được phát lộ. Cả Arlen và Diane đều nghĩ rằng họ sẽ không thể sống đến ngày toàn bộ thành phố cổ đại này được khám phá.

Nhưng mọi chuyện đã thay đổi vào năm 2008.

Đó là khi Arlen và Diane chuyển công tác đến Đại học Đại học Florida, họ đã gặp một nhà sinh vật học cũng đang làm việc ở đây, người chia sẻ rằng ông đang sử dụng một hệ thống LiDAR để lập bản đồ nghiên cứu các khu rừng và thảm thực vật. 

Người đồng nghiệp đề nghị Arlen và Diane hãy thử công nghệ này cho các nghiên cứu khảo cổ, vì biết đâu, nó cũng có ích. Thế là bộ đôi bắt đầu tìm hiểu.

LiDAR viết tắt từ "Light Detection And Ranging" là một thuật ngữ chỉ công nghệ ứng dụng laser để đo đạc khoảng cách. Nó được phát triển ngay sau khi Theodore Maiman chế tạo ra thiết bị laser đầu tiên vào năm 1960.

Không có gì phải ngạc nhiên, đo khoảng cách là một trong những ứng dụng đầu tiên mà con người nghĩ tới sau khi phát minh ra những chùm tia hẹp, phát xung siêu ngắn và có thể truyền đi rất xa này. 

Nguyên lý hoạt động của LiDAR rất đơn giản:

Bạn phát một tia laser chiếu từ vị trí của bạn tới mục tiêu, sau đó dùng một cảm biến để thu lại ánh sáng phản xạ. Bằng tốc độ ánh sáng và thời gian chênh lệch, bạn có thể tính ra khoảng cách tức thời giữa hai điểm bằng công thức d=c.t/2. Trong đó, d là khoảng cách, c là tốc độ ánh sáng và t là thời gian.

Một hệ thống LiDAR cơ bản nhất mà bạn có thể thấy ngày nay là những chiếc thước laser của thợ xây, có giá chỉ vài trăm ngàn trên Shopee. Cho đến máy đo khoảng cách chuyên dụng có giá vài triệu đến vài chục triệu.

Nếu bạn chưa biết thì camera của những chiếc iPhone 12 Pro trở lên cũng được trang bị hệ thống LiDAR, nhằm giúp lấy nét chính xác, tăng cường khả năng xóa phông và có thể sử dụng như một chiếc thước đo.

Phổ biến trong thế kỷ 21 là vậy, nhưng trở lại thập niên 1960, LiDAR là một công nghệ được xếp vào dạng siêu tiên tiến. Nó chỉ được sử dụng bởi quân đội và các tổ chức nghiên cứu lớn như NASA.

Trong diễn tập và trên chiến trường, lần đầu tiên những người lính đã có thể đo được khoảng cách tới mục tiêu chính xác và tức thời. Cơ quan Hàng không Vũ trụ Mỹ có thể theo dõi vị trí vệ tinh của họ. Và trong sứ mệnh Apollo 15, LiDAR còn giúp NASA vẽ một tấm bản đồ bề m ặt Mặt Trăng.

Với laser, bạn có thể phát ra hàng trăm ngàn xung ánh sáng mỗi giây và thu về hàng trăm ngàn phản xạ tương ứng. Khi đã có vị trí của từng điểm phản xạ được thu thập, một hệ thống LiDAR có thể cho phép lập bản đồ 3D thực địa với độ phân giải lên tới 3 cm trên mỗi pixel ảnh.

Cũng bởi vậy mà ngay từ thập niên 1970, công nghệ này đã được sử dụng trong khảo cổ học để quét và tái tạo các tàn tích, công trình kiến trúc như pháo đài cổ ở Châu Âu, hoặc lập bản đồ các khu vực trống trải.

Những tàn tích Maya bên dưới những cánh rừng nhiệt đới Trung Mỹ - thật không may, phải chờ tới 4 thập kỷ sau đó.

Đây là khoảng thời gian để công nghệ LiDAR có thể được phát triển tới độ nhạy cần thiết, cho phép nó nhìn xuyên được qua những tán rừng và bụi rậm dày đặc, loại bỏ nhiễu xạ từ lá cây và tiết lộ tàn tích mà mặt đất đang che giấu.

 

Arlen và Diane đã chớp lấy thời cơ đó vào năm 2008. Họ đã trở thành những nhà khảo cổ học đầu tiên bỏ bay và chổi ra khỏi túi áo mình, để leo lên một chiếc máy bay cánh bằng và điều khiển hệ thống LiDAR quét xuống bên dưới những cánh rừng ở Trung Mỹ.

Công việc được ví như những nhát xẻng ánh sáng được đào xuống từ bầu trời, cuối cùng đã tiết lộ những điều mà không một nhà khảo cổ nào có thể hình dung được về tàn tích của thành phố Caracol và cả những khu vực khác của nền văn minh Maya rộng lớn.

Đó là lời thú nhận của Diane và Arlen khi họ nhìn vào những dữ liệu đầu tiên mà LiDAR thu thập được ở khu vực Trung Mỹ. "Chúng tôi kinh ngạc đến vô cùng. Không ai mong đợi những hình ảnh này có thể rõ ràng đến thế", Arlen nói.

Tấm bản đồ mà LiDAR tái tạo hoàn toàn trùng khớp với bản đồ thủ công mà bộ đôi Arlen và Diane đã thiết lập. Nhưng điều đáng nói là LiDAR chỉ mất một tuần với vài chuyến bay để hoàn thành công việc mà các nhà khảo cổ đã làm trong suốt 25 năm cất công lặn lội trong rừng rậm.

Một trong những khu vực mà Arlen và Diane tự tin đã nghiên cứu kỹ lưỡng nhất là 3,5 cây số vuông ruộng bậc thang của người dân Caracol. LiDAR bây giờ tiết lộ con số đó là 150 km2 chứ không phải chỉ là 3,5 cây số.

Tấm bản đồ cũng phát lộ ra hàng nghìn tòa nhà, 11 tuyến đường thủy, 60 hang động và tới 1.400 hồ điều hòa trong khu vực. Điều đáng nói là tất cả những tàn tích này đều mới, một số còn nằm ngay trong khu vực mà các nhà khảo cổ trước đây đã khảo sát dưới thực địa.

Điều đó có nghĩa là họ đã bỏ quên chúng, dẫm chân lên chúng, đi bộ qua chúng mỗi ngày mà không hề phát hiện ra.

"Khi đi bộ trong rừng, bạn sẽ có những điểm mù trong tầm nhìn của mình", giáo sư nhân chủng học Marcello Canuto tới từ Đại học Tulane, Hoa Kỳ cho biết. "Giả sử như khi tôi cuốc bộ qua một ngôi đền cao 20 mét, tôi sẽ nhìn thấy nó. Nhưng tôi sẽ không thể nhìn thấy những thứ có quy mô lớn hơn thế, trải rộng trên một không gian hoặc khoảng cách kéo dài, chẳng hạn như một con đường".

Nếu bạn chưa biết, bên cạnh kim tự tháp, quảng trường và những đền thờ, nền văn minh Maya còn nổi tiếng với những hệ thống đường trên cao, được ví như những xa lộ dát vàng dưới ánh trăng.

Những con đường này được người Maya thiết kế để kết nối các khu vực định cư với nhau như những tuyến đường giao lưu, thương mại và trao đổi văn hóa. Chúng được xây từ đá, kết dính bằng xi măng làm từ bùn và đá vôi, tương tự như cách mà họ xây dựng kim tự tháp.

Các khối đá sẽ được xếp chồng lên nhau tới độ cao 3-5 mét, thành hai hàng song song và cách nhau từ 10-40 mét. Sau đó, đất được đổ vào giữa khoảng trống cho tới khi có thể san phẳng. Người Maya sẽ lát một lớp thạch cao trắng và dày lên trên cùng. 

Vào ban đêm, chính lớp thạch cao này sẽ phản chiếu ánh trăng và biến chúng thành một con đường dát vàng. 

"Vùng Maya không có bất kỳ động vật thồ hàng nào… và chúng tôi không nghĩ rằng họ có các phương tiện lăn bánh trên những con đường đắp cao này như xe ngựa, nhưng chúng chắc chắn được chế tạo để mọi người có thể tương tác, giao tiếp và đi lại", giáo sư Canuto cho biết.

Có điều trải hàng ngàn năm, những con đường đắp cao này thường biến mất trong quá trình phong hóa. Dây leo bám lên chúng, mưa làm xối đất và rễ của những cây cổ thụ vò nát từng khối đá. 

Đường đắp cao chính là loại hình kiến trúc Maya khó được phát hiện nhất trên thực địa. Sẽ rất dễ để bạn đi qua một gò đất rộng 40 mét mà không hề nhận ra đó là một con đường cổ đại: "Suốt nhiều năm, tôi vẫn đi qua đi lại gò đất này mà chưa từng một lần nhận ra nó", giáo sư Canuto nói. "Bởi vậy khi nhìn thấy ảnh LiDAR, tôi đã phải thốt lên "Ôi Chúa ơi, đó là một con đường"".

Trong một khảo sát mới nhất với LiDAR được thực hiện vào năm ngoái, các nhà khảo cổ đã lần đầu tiên phát hiện 177 km đường đắp cao của người Maya trong một lưu vực được gọi là đá vôi Mirador-Calakmul (CKMC) phía bắc Guatemala.

"Đó là hệ thống 'siêu xa lộ' đầu tiên trên thế giới mà chúng tôi biết đến, điều đáng kinh ngạc về những con đường đắp cao là chúng liên kết các thành phố lại với nhau như một mạng nhện… tạo thành một xã hội sớm nhất và đầu tiên ở Tây bán cầu", Richard Hansen, giáo sư về nhân chủng học tại Đại học Bang Idaho nhận định.

Bên cạnh đó, nghiên cứu này còn phát lộ thêm 964 khu định cư của người Maya được chia thành 417 thành phố, thị trấn và làng mạc. Chúng được xác định trong lưu vực rộng khoảng 1.700 cây số vuông và có niên đại từ khoảng những năm 1.000 Trước Công Nguyên.

Hệ thống LiDAR mà nghiên cứu này sử dụng chính là thứ đã được lắp trên chiếc Cessna 206 mang mã hiệu C-GVSCt. Nó cho phép lập bản đồ 3D với độ phân giải lên tới 15 cm/pixel chiều rộng và 30 cm/pixel chiều cao. 

Nhờ vậy, các nhà khảo cổ có thể tính toán được chính xác quy mô của các cấu trúc mà họ đã quét qua, từ nhà cửa, đền thờ, cho đến các kim tự tháp.

Chẳng hạn như Danta, một kim tự tháp nằm ở phía đông khu vực khảo sát cao 72 mét, dài 600 mét và rộng 320 mét. Thể tích của nó lên tới 2.816.016 mét khối, lớn hơn cả kim tự tháp Giza, Ai Cập. Các nhà khảo cổ tính toán Danta được tạo thành từ 205.508 khối đá vôi có kích thước trung bình 1,3x0,45x0,4 mét.

Tất cả những con số chính xác tới hàng đơn vị cho thấy sức mạnh mà LiDAR mang lại. Nhờ đó, các nhà khảo cổ có thể tiếp tục các suy đoán. Họ cho rằng chỉ riêng việc khai thác đá cho kim tự tháp này đã tiêu tốn gần 160 nhân công làm việc liên tục trong 5 năm. 

Thời gian để xây xong nó là từ 6 triệu – 10 triệu ngày công lao động. Con số chứng minh cho sự phát triển của nền văn minh Maya ở thời điểm đó. Những kim tự tháp khổng lồ này là thứ mà không một xã hội cấp thấp nào có thể xây dựng được.

Giáo sư Canuto chính là người đã thực hiện một trong những khảo sát LiDAR lớn nhất tại khu vực Trung Mỹ. Năm 2018, ông cùng nhóm của mình đã sử dụng những tia laser để quét qua những khu rừng tươi tốt ở Peten, Guatemala.

Trong một khu vực có diện tích 2.000 cây số vuông, ảnh từ LiDAR đã tiết lộ hơn 61.000 công trình kiến trúc ẩn giấu dưới lớp màn xanh dày đặc cây cối, cây dây leo và cỏ dại. Những kim tự tháp khổng lồ, những con đường dát vàng và cả những pháo đài cổ đại tiếp tục là minh chứng không thể chối cãi cho quy mô của nền văn minh Maya cổ đại.

Nếu như các phát hiện lẻ tẻ trên khảo sát thực địa trước đây gợi ý rằng Maya là một nền văn minh tuy phát triển, nhưng xã hội của họ phân bố khá rải rác và dân số chỉ đạt tới mức cực thịnh ở khoảng 5 triệu người, thì LiDAR bây giờ đã kể một câu chuyện hoàn toàn khác.

"Với dữ liệu mới này, không hề vô lý khi nghĩ rằng phải có từ 10-15 triệu người Maya từng ở đó – họ sống được cả bên dưới những vùng trũng thấp, có nhiều đầm lầy mà nhiều người trước đây nghĩ rằng họ không thể ở được", Francisco Estrada-Belli, một nhà khảo cổ tại Đại học Tulane cho biết.

Nhờ vào hệ thống đường trên cao, ruộng bậc thang, cùng hàng chục ngàn hồ chứa và điều tiết nước, người Maya đã có thể cải tạo những vùng đất trũng thấp và kiến thiết một nền văn minh sánh ngang với Hy Lạp và Trung Quốc cổ đại.

"Mô hình cũ ám chỉ Maya chỉ là một xã hội phi đô thị, có dân số thấp và đạt tới một mức độ phức tạp, hội nhập chính trị xã hội thấp. Nhưng bây giờ, chúng ta có thể nói điều đó là phi lý", giáo sư Canuto nói.

"Người Phương Tây có quan niệm rằng các nền văn minh phức tạp không thể phát triển ở vùng nhiệt đới, nhiệt đới chỉ là nơi mà các nền văn minh chết đi. Với bằng chứng mới dựa trên các khảo sát LiDAR ở Trung Mỹ và Angkor Wat [Campuchia], giờ đây, chúng ta cũng phải xem xét lại mệnh đề đó. Các xã hội phức tạp vẫn có thể hình thành ở vùng nhiệt đới và sau đó phát triển rộng ra các vùng lân cận".

Nhưng LiDAR đã thay đổi cái nhìn của các nhà khảo cổ không chỉ về nền văn minh Maya, mà cả cách thức các nghiên cứu khảo cổ được thực hiện. 15 năm trước khi Arlen và Diane quét những tia laser đầu tiên xuống rừng rậm Trung Mỹ, hầu hết các nghiên cứu khảo cổ chỉ được bắt đầu từ một trong hai cách:

Hoặc là từ một khảo sát thực địa trên mặt đất, trong đó các nhà nghiên cứu sẽ đánh dấu bất kỳ khu vực hoặc đối tượng tiềm năng nào mà họ nghĩ cần điều tra thêm. Hoặc là từ một khảo sát toàn cảnh bằng máy bay hoặc máy bay không người lái. Cả hai cách tiếp cận đều bị cản trở bởi những cánh rừng nhiệt đới rậm rạp.

LiDAR bây giờ đã xóa bỏ rào cản đó. Estrada-Belli cho biết: "Công nghệ này đang cách mạng hóa ngành khảo cổ học theo cách mà Kính viễn vọng Không gian Hubble đã cách mạng hóa ngành thiên văn học".

Đến thời điểm này, nó đang được sử dụng bởi các nhà khảo cổ học trên khắp thế giới. Ở Canada, LiDAR đã giúp tái hiện lại cuộc bao vây pháo đài Beauséjour vào năm 1755, nhờ các cấu trúc mà nó phát hiện không thể được nhìn thấy bằng mắt thường hoặc ảnh chụp trên không.

Tại Honduras, LiDAR đã giúp các nhà khảo cổ phát hiện ra thành phố huyền thoại La Ciudad Blanca, hay còn gọi là "thành phố của Thần Khỉ". Ở Campuchia, công nghệ này đã giúp làm nổi bật những thay đổi do con người gây ra xung quanh khu vực đền thời Angkor Wat.

Có tầm quét rộng, độ phân giải cao và khả năng tiếp cận mọi loại địa hình, thứ duy nhất ngăn cản LiDAR đến tay các nhà khảo cổ học chỉ là mức giá tương đối đắt đỏ của nó. Tại thời điểm Arlen và Diane thực hiện những khảo sát của mình, họ phải chi 350 USD cho mỗi km2 trên bản đồ LiDAR.

Trái với suy nghĩ của nhiều người rằng công nghệ phát triển sẽ giúp chi phí giảm đi, mỗi một km vuông bản đồ LiDAR năm 2019 vẫn có giá lên tới gần 800 USD. Và đó đã là giá mua sỉ, một tấm bản đồ LiDAR 90 km vuông được giảm giá sâu vẫn có giá lên tới 62.000 USD (tương đương 1,5 tỷ VNĐ).

Mức giá gia tăng đến từ việc công nghệ LiDAR đã liên tục được cải tiến, để đạt tới độ phân giải và khả năng đâm xuyên lớn hơn. Chẳng hạn, một công nghệ LiDAR thế hệ mới được gọi là Geiger cho phép lấy một lúc 205 triệu mẫu mỗi giây.

Mỗi mét vuông địa hình có thể được quét hàng nghìn lần chỉ trong một lần máy bay bay qua. Nó cho phép các nhà khảo cổ nhìn thấy những chi tiết ẩn dưới tán cây mà công nghệ LiDAR cũ không thể nhìn thấy.

Mặc dù vậy, vẫn có những cơ hội tiếp cận LiDAR giá rẻ. Trong khi giá các loại bản đồ LiDAR chất lượng cao đang tăng, thì công nghệ LiDAR cũng được cải tiến để có thể thu nhỏ và tích hợp vào máy bay không người lái.

Ví dụ, một thiết bị DJI Phantom IV RTK tích hợp camera LiDAR hiện chỉ có giá hơn 5.000 USD. Đây là một giải pháp giá rẻ để tiếp cận công nghệ này với các nghiên cứu thực địa trên phạm vi hẹp.

Nhưng ngay cả khi phải chi hàng trăm USD cho mỗi km vuông bản đồ LiDAR, các nhà khảo cổ vẫn thấy đó là một mức giá tối ưu hơn nhiều so với khảo sát thực địa. 

Arlen và Diane cho biết để thực hiện các cuộc khai quật trong rừng rậm, họ đã tốn hàng đống tiền cho việc đi lại, sinh hoạt, thuê nhân công, dựng trại… Đó là chưa kể tới hàng ngàn rủi ro mà họ phải đối mặt trong những chuyến thực địa vào rừng rậm, và khoảng thời gian mà họ tiết kiệm được.

"Một dự án khảo cổ có thể mất 10 năm để khai quật, điều tra hoặc lập bản đồ một địa điểm. Bạn có thể lập bản đồ 20 hoặc 30 km vuông trong khoảng thời gian một thập kỷ, với điều kiện bạn thực sự giỏi", giáo sư Canuto nói. 

"Nhưng bây giờ, với LiDAR, đột nhiên bạn nhận được dữ liệu chính xác trên 300 km vuông trong vòng sáu tháng. Đây thực sự là một công nghệ tuyệt vời, nó giống một món quà từ Chúa dành cho các nhà khảo cổ học".

Tham khảo Nytimes, BBC, Theguadian, Natgeo, Arstechnica, Gislouge, Geoilenergy, Nytimes, Natgeo, Howstuffworks, Caracol, NPR, Inverse,