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科研人员利用eBee无人机对格陵兰岛冰川进行研究

2018-05-24 来源:  浏览:    关键词:

绘制极地地区地图是一项具有挑战性但又至关重要的任务,有助于科学家和研究人员更好地了解地球及其气候是如何变化的。传统意义上的地面技术限制了活动范围和数据质量。在本文中,作者讨论了如何在格陵兰岛使用无人机解决方案来成功监测Eqip Sermia冰川上裂缝的形成和冰流的演变行为,从而提供了传统手段不可能达到的洞察水平。

近几十年来,极地地区的地位已经上升到公众意识的最前沿,气候变化驱动的冰川和冰盖的变化吸引了科学家和普通民众的注意。收集可以用来更好地理解这些区域及其极端转变背后的机制的数据已经变得越来越重要。然而,在地球上最敌对的情况下,这样的任务可能是具有挑战性的。已经有实验证明,使用无人机有助于促进这方面的研究。不仅有助于克服重大的安全和后勤方面的挑战,而且还为该领域的专业人士提供了更深入的见解。

由苏黎世大学地理系冰川学和地理动力学系主任Andreas Vieli博士领导的研究小组一直在使用无人机技术来监测一条来自格陵兰冰盖的溢出冰川——EQIP冰川(也称为“Eqip Sermia”),进而实现这一目标。位于格陵兰西部的这座海洋性冰川是该岛最活跃的冰川之一,每天都有大量的冰块定期脱落。作为瑞士国家科学基金会(SNSF)资助项目的一部分,在2015至2017年间,Vieli博士和他的同事收集了数据来监测冰川几何形状和冰流速度随时间的变化。旨在利用这些数据来研究裂缝的形成和破裂过程——冰山断裂成海的机制——以提高预测这些海洋性冰川未来的融化和质量损失的能力。

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项目分析:

在Vieli博士之前,像他们这样的研究小组有很多,但是由于极地地区的恶劣环境,都很难绘制这样的地形。基于类似项目的经验,该团队知道,传统的地面技术,如激光扫描或使用卫星遥感的方法将无法提供所需洞察力的深度和质量。虽然卫星图像提供了广阔的视野,但是拍摄到的图像通常是低的时间和空间分辨率,使得获得的数据难以达到研究详细的过程的标准。Vieli博士的研究小组在阿尔卑斯山使用激光扫描地面方法时发现,结果数据会受到阴影的影响,处理过程常常是困难的。此外,这种以地面为基础的方法是需要耗费大量时间和人力的,在严酷、恶劣的气候下,例如北极地区,这种方法不是最佳选择。

考虑到地面设备面临的这些挑战,以及需要收集高度精确的数据来创建比较的数字高程模型(DEM),Vieli博士和他的团队得出结论,无人机可提供最有效和最有效的解决方案。一种空中方法提供了显著的后勤和安全优势,这意味着该团队可以安全地绘制以前无法到达的冰川一侧,并根据需要收集更高分辨率的数据。

此前,该团队曾在一系列项目中使用senseFly eBee系列无人机,包括在高山环境中,所以选择这一解决方案来绘制EQIP冰川的地图,并从中收集数据。eBee是一款完全自主、易于使用的专业测绘无人机,重量仅为700g,一次飞行就能覆盖12㎞²,从而保证Vieli和他的助手在几分钟内就可以快速部署并升空。搭载RGB有效载荷,索尼WX相机能够获取高分辨率航空影像,以分米级分辨率的精度创建精确和详细的DEMs。此外,eBee的预安装全球定位系统(GPS)功能使该团队能够避免罗盘导航的必要性,并因此最小化了格陵兰岛弱磁场的影响。

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航测任务:

总共需要六次飞行才能为整个冰川创建完整的DEM,这一过程在2015年至2017年期间进行了八次。在每次飞行之前,内置的eMotion软件使团队能够评估项目的可行性,提前规划飞行路线和加载海拔数据,有助于简化流程并缩短分析数据所花费的时间。在这样一个具有挑战性的环境中,飞行前研究小组必须考虑冰川周围地区的天气条件和海拔高度。例如,由于冰川只能从一侧进入,如果风把无人机吹得太远,可能无法收回。除了可能影响操作的安全和成功飞行之外,有限的无障碍环境还对小组建立地面控制点(GCP)的能力产生了连锁影响,然而,该地区以往的飞行意味着一些GCP已经建立并可以用于这项任务。

为了绘制EQIP冰川的20㎞²冰裂前沿区域的地图,每个DEM采集任务的地点部署了研究小组的一到两个成员。根据天气情况,每四到五天重复执行一次飞行任务。Vieli博士和他的团队平均一次飞行时间为25分钟,在六次飞行中总共拍摄了625张照片。这些数据首先使用PIX4Dmapper软件处理,以创建高度详细的DEM,随后用于推导出海拔变化图。此外,研究小组自己的互相关软件使用这些数据来监测冰川表面上的流动区域如何逐年变化。从这个分析中,研究小组发现冰川每天流动12m,这是一个显著的速度,并且对流动区域的结构有了新的认识,这最终将有助于他们更好地理解冰裂的过程。

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结论:

Vieli博士和他的团队利用senseFly eBee作为解决方案重要的组成部分,可以从数据获取到数据分析,eBee可提供一种集成的,从端到端的思路,并且能够在项目的每年不到三周的时间里就可收集到冰川的高度准确、专业的航测数据——这是使用卫星图像或地面技术不可能实现的壮举。使用eBee收集的数据已经大大促进了团队的研究,弥补了低分辨率卫星图像的不足,进而对该区域和演变过程有了全面了解。预计2018年夏季将有更多的无人机飞行项目,该团队未来计划利用创新的热成像技术,将其研究扩展到阿尔卑斯地形上覆盖的冰川。获得这些详细的、综合的数据将有助于团队继续扩大他们对地球上最遥远、最恶劣环境的深入研究。

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