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設(shè)備與工具繪制極地地區(qū)地圖是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性但又至關(guān)重要的任務(wù)，有助于科學(xué)家和研究人員更好地了解地球及其氣候是如何變化的。傳統(tǒng)意義上的地面技術(shù)限制了活動(dòng)范圍和數(shù)據(jù)質(zhì)量。在本文中，作者討論了如何在格陵蘭島使用無人機(jī)解決方案來成功監(jiān)測(cè)Eqip Sermia冰川上裂縫的形成和冰流的演變行為，從而提供了傳統(tǒng)手段不可能達(dá)到的洞察水平。
近幾十年來，極地地區(qū)的地位已經(jīng)上升到公眾意識(shí)的最前沿，氣候變化驅(qū)動(dòng)的冰川和冰蓋的變化吸引了科學(xué)家和普通民眾的注意。收集可以用來更好地理解這些區(qū)域及其極端轉(zhuǎn)變背后的機(jī)制的數(shù)據(jù)已經(jīng)變得越來越重要。然而，在地球上最敵對(duì)的情況下，這樣的任務(wù)可能是具有挑戰(zhàn)性的。已經(jīng)有實(shí)驗(yàn)證明，使用無人機(jī)有助于促進(jìn)這方面的研究。不僅有助于克服重大的安全和后勤方面的挑戰(zhàn)，而且還為該領(lǐng)域的專業(yè)人士提供了更深入的見解。
由蘇黎世大學(xué)地理系冰川學(xué)和地理動(dòng)力學(xué)系主任Andreas Vieli博士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組一直在使用無人機(jī)技術(shù)來監(jiān)測(cè)一條來自格陵蘭冰蓋的溢出冰川——EQIP冰川（也稱為“Eqip Sermia”），進(jìn)而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。位于格陵蘭西部的這座海洋性冰川是該島最活躍的冰川之一，每天都有大量的冰塊定期脫落。作為瑞士國家科學(xué)基金會(huì)（SNSF）資助項(xiàng)目的一部分，在2015至2017年間，Vieli博士和他的同事收集了數(shù)據(jù)來監(jiān)測(cè)冰川幾何形狀和冰流速度隨時(shí)間的變化。旨在利用這些數(shù)據(jù)來研究裂縫的形成和破裂過程——冰山斷裂成海的機(jī)制——以提高預(yù)測(cè)這些海洋性冰川未來的融化和質(zhì)量損失的能力。
項(xiàng)目分析：
在Vieli博士之前，像他們這樣的研究小組有很多，但是由于極地地區(qū)的惡劣環(huán)境，都很難繪制這樣的地形?；陬愃祈?xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，該團(tuán)隊(duì)知道，傳統(tǒng)的地面技術(shù)，如激光掃描或使用衛(wèi)星遙感的方法將無法提供所需洞察力的深度和質(zhì)量。雖然衛(wèi)星圖像提供了廣闊的視野，但是拍攝到的圖像通常是低的時(shí)間和空間分辨率，使得獲得的數(shù)據(jù)難以達(dá)到研究詳細(xì)的過程的標(biāo)準(zhǔn)。Vieli博士的研究小組在阿爾卑斯山使用激光掃描地面方法時(shí)發(fā)現(xiàn)，結(jié)果數(shù)據(jù)會(huì)受到陰影的影響，處理過程常常是困難的。此外，這種以地面為基礎(chǔ)的方法是需要耗費(fèi)大量時(shí)間和人力的，在嚴(yán)酷、惡劣的氣候下，例如北極地區(qū)，這種方法不是最佳選擇。
考慮到地面設(shè)備面臨的這些挑戰(zhàn)，以及需要收集高度精確的數(shù)據(jù)來創(chuàng)建比較的數(shù)字高程模型（DEM），Vieli博士和他的團(tuán)隊(duì)得出結(jié)論，無人機(jī)可提供最有效和最有效的解決方案。一種空中方法提供了顯著的后勤和安全優(yōu)勢(shì)，這意味著該團(tuán)隊(duì)可以安全地繪制以前無法到達(dá)的冰川一側(cè)，并根據(jù)需要收集更高分辨率的數(shù)據(jù)。
此前，該團(tuán)隊(duì)曾在一系列項(xiàng)目中使用senseFly eBee系列無人機(jī)，包括在高山環(huán)境中，所以選擇這一解決方案來繪制EQIP冰川的地圖，并從中收集數(shù)據(jù)。eBee是一款完全自主、易于使用的專業(yè)測(cè)繪無人機(jī)，重量僅為700g，一次飛行就能覆蓋12㎞2，從而保證Vieli和他的助手在幾分鐘內(nèi)就可以快速部署并升空。搭載RGB有效載荷，索尼WX相機(jī)能夠獲取高分辨率航空影像，以分米級(jí)分辨率的精度創(chuàng)建精確和詳細(xì)的DEMs。此外，eBee的預(yù)安裝全球定位系統(tǒng)（GPS）功能使該團(tuán)隊(duì)能夠避免羅盤導(dǎo)航的必要性，并因此最小化了格陵蘭島弱磁場(chǎng)的影響。
航測(cè)任務(wù)：
總共需要六次飛行才能為整個(gè)冰川創(chuàng)建完整的DEM，這一過程在2015年至2017年期間進(jìn)行了八次。在每次飛行之前，內(nèi)置的eMotion軟件使團(tuán)隊(duì)能夠評(píng)估項(xiàng)目的可行性，提前規(guī)劃飛行路線和加載海拔數(shù)據(jù)，有助于簡化流程并縮短分析數(shù)據(jù)所花費(fèi)的時(shí)間。在這樣一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，飛行前研究小組必須考慮冰川周圍地區(qū)的天氣條件和海拔高度。例如，由于冰川只能從一側(cè)進(jìn)入，如果風(fēng)把無人機(jī)吹得太遠(yuǎn)，可能無法收回。除了可能影響操作的安全和成功飛行之外，有限的無障礙環(huán)境還對(duì)小組建立地面控制點(diǎn)（GCP）的能力產(chǎn)生了連鎖影響，然而，該地區(qū)以往的飛行意味著一些GCP已經(jīng)建立并可以用于這項(xiàng)任務(wù)。
為了繪制EQIP冰川的20㎞2冰裂前沿區(qū)域的地圖，每個(gè)DEM采集任務(wù)的地點(diǎn)部署了研究小組的一到兩個(gè)成員。根據(jù)天氣情況，每四到五天重復(fù)執(zhí)行一次飛行任務(wù)。Vieli博士和他的團(tuán)隊(duì)平均一次飛行時(shí)間為25分鐘，在六次飛行中總共拍攝了625張照片。這些數(shù)據(jù)首先使用PIX4Dmapper軟件處理，以創(chuàng)建高度詳細(xì)的DEM，隨后用于推導(dǎo)出海拔變化圖。此外，研究小組自己的互相關(guān)軟件使用這些數(shù)據(jù)來監(jiān)測(cè)冰川表面上的流動(dòng)區(qū)域如何逐年變化。從這個(gè)分析中，研究小組發(fā)現(xiàn)冰川每天流動(dòng)12m，這是一個(gè)顯著的速度，并且對(duì)流動(dòng)區(qū)域的結(jié)構(gòu)有了新的認(rèn)識(shí)，這最終將有助于他們更好地理解冰裂的過程。
結(jié)論：
Vieli博士和他的團(tuán)隊(duì)利用senseFly eBee作為解決方案重要的組成部分，可以從數(shù)據(jù)獲取到數(shù)據(jù)分析，eBee可提供一種集成的，從端到端的思路，并且能夠在項(xiàng)目的每年不到三周的時(shí)間里就可收集到冰川的高度準(zhǔn)確、專業(yè)的航測(cè)數(shù)據(jù)——這是使用衛(wèi)星圖像或地面技術(shù)不可能實(shí)現(xiàn)的壯舉。使用eBee收集的數(shù)據(jù)已經(jīng)大大促進(jìn)了團(tuán)隊(duì)的研究，彌補(bǔ)了低分辨率衛(wèi)星圖像的不足，進(jìn)而對(duì)該區(qū)域和演變過程有了全面了解。預(yù)計(jì)2018年夏季將有更多的無人機(jī)飛行項(xiàng)目，該團(tuán)隊(duì)未來計(jì)劃利用創(chuàng)新的熱成像技術(shù)，將其研究擴(kuò)展到阿爾卑斯地形上覆蓋的冰川。獲得這些詳細(xì)的、綜合的數(shù)據(jù)將有助于團(tuán)隊(duì)繼續(xù)擴(kuò)大他們對(duì)地球上最遙遠(yuǎn)、最惡劣環(huán)境的深入研究。
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