Поскольку грунтовые воды просачиваются в океан, они способны переносить загрязнения. Тепловое картографирование с помощью Pix4D позволяет выявить источник оттока грунтовых вод.
Подобно рекам, впадающим в море, грунтовые воды также выходят в океан. Но поскольку вода проходит через землю, она вступает в реакцию с органическими веществами, металлами и патогенами. Состав воды изменяется, и вместе с ней в геохимический цикл океанов поступают вредные вещества. Они могут нарушить уязвимую прибрежную экосистему.
Это большая проблема, поскольку вещества, выбрасываемые в море при выходе грунтовых вод, могут поступать в большем количестве, чем из рек.
Как грунтовые воды попадают в океан
«Обнаружение источников расхода грунтовых вод весьма важно, потому что с ними поступают и загрязняющие вещества, например, из канализационных систем или систем сельского хозяйства, — объясняет Рэймонд Мур, аспирант из Университета Северной Каролины, Уилмингтон, — однако точное определение местоположения расхода непросто, поскольку их распределение вдоль береговой линии неравномерно, как и объем грунтовых вод».
Предшествующие измерения выхода грунтовых вод в Южной Атлантике
Исследование Мура в Университете Северной Каролины, Уилмингтон, проводилось для прояснения неоднозначности данных о подводных источниках оттока грунтовых вод. По его словам: «Мы оснастили современнейшие беспилотники функцией получения тепловизионного инфракрасного изображения с применением технологии непрерывного автономного мониторинга грунтовых вод».
Исследование принесло Муру и его команде награду за первое место в конкурсе среди студентов на тему наглядных исследовательских плакатов, созданных при применении беспилотников. Было отмечено: «Совмещение мультиспектрального беспилотного аппарата, инфракрасного дистанционного зондирования с возможностью измерить уровень радона в месте обнаружения оттока грунтовых вод в заливе Онслоу, Северная Каролина».
Мур получил первое место за свои исследования в области теплового картографирования
Информация о проекте
| Местоположение | Северная Каролина, США |
| Оборудование |
Профессиональный дрон eBee Plus Камера с термодатчиком senseFly thermoMAP Прибор для измерения качества воды по многим показателям Устройство обнаружения радона |
| Программное обеспечение | Pix4Dmapper |
| Члены команды |
Раймон Мур, Эман Гонейм, Дэйв Уэллс, Питер Замора Кафедра наук о земле и океане, Университет Северной Каролины, Уилмингтон |
| Разрешение снимка | 14 см |
Защита прибрежных вод
«Я считаю себя в определенном роде «защитником береговой линии», а задача оценки стока грунтовых вод — разработать методы предотвращения ухудшения качества прибрежной воды — рассказал нам Мур, — у меня появилась идея этого проекта, когда я был младшим научным сотрудником в Гавайском университете в Маноа под руководством доктора Генриетты Дулай. В Гавайском университете мы внедрили методы автономного мониторинга радона в прибрежном пруду для исследования стока подземных вод».
В рамках этого проекта Мур пошел еще дальше: в дополнение к измерению радона, его команда сделала снимки теплового излучения, чтобы точно отследить изменения температуры, вызванные стоком подземных вод.
Картографирование океана с помощью тепловизионной камеры
До нужных участков можно было добраться только на лодке. Поскольку максимальный сток подземных вод достигается во время отлива, время полета было ограничено. Из-за нехватки заряда батареи беспилотника, было необходимо многократно облететь местность, чтобы получить изображения всего региона.
Сбор данных проводили с помощью профессионального дрона eBee Plus, оснащенного камерой с термодатчиком SenseFly ThermoMAP, позволяющего отслеживать незначительные изменения температуры.
Чтобы составить ортомозаику водной поверхности, требуется немало усилий. Однако команда сосредоточилась не столько на воде, сколько на ее температуре.
Тепловая схема стока подземных вод
«Подземные воды, сток которых происходит вдоль побережья Северной Каролины, преимущественно холоднее воды в океане, и поскольку значительная часть свежая, она выходит на поверхность океана, — объясняет Мур, — таким образом, мы можем наблюдать, как происходит смешивание подземных вод, с помощью тепловизионных изображений в высоком разрешении».
Для большей точности команда использовала лед в качестве тепловизионных наземных контрольных точек.
Помимо аэрофотоснимков использовали прибор для измерения качества воды и устройство обнаружения радона, а также изотопные индикаторы, чтобы на месте определить проводимость, температуру и глубину. Измерения регистрировались непрерывно и автономно, с тридцатиминутными интервалами, за несколько приливных циклов. К сожалению, не все прошло гладко.
Беспилотник чуть не разбился
Мур вспоминает: «Один из самых захватывающих моментов при пилотировании дрона произошел, когда мы чуть не столкнулись с самолетом.
Полеты проходили на острове Мейсонборо через неделю после того, как ураган Флоренс прошел через Уилмингтон. Это был стандартный полет, какие не раз выполнялись ранее. Конечно, мы проверили воздушное пространство и убедились в том, что не будем никому мешать. Все шло точно по плану, пока на горизонте мы не заметили большой самолет, летящий в нашу сторону поразительно низко».
«Мы отреагировали незамедлительно. Столкновения удалось избежать, беспилотник благополучно приземлился. Когда угрожает опасность, не может быть права на ошибку».
Мур продолжил: «Ситуация была напряженной. Исследовательские площадки находились на острове шириной лишь 300 метров. У нас было два варианта посадки: можно было либо сесть в текущем местоположении дрона, совершив быстрое снижение по спирали, либо вернуться к месту взлета, заранее выбрать место и изменить направление посадки. Мы быстро выбрали второй вариант, поскольку он был надежнее. Не хотелось рисковать дорогим электрооборудованием в непосредственной близости от воды!»
«К счастью, посадка беспилотника увенчалась успехом. Буквально в считанные мгновения самолет пролетел прямо над нами. На нас падали зеленые лучи лазера, которые исходили от самолета. Это был лазерный радар (LIDAR). Этот самолет оценивал последствия урагана Флоренс на острове Мейсонборо».
Обработка тепловизионных изображений в Pix4Dmapper
По благополучному возвращению на сушу данные импортировали в Pix4Dmapper. Мур и его команда составили точные ортомозаики, по которым смогли определить шлейф выхода подземных вод в области исследования.
Тепловизионная карта стока подземных вод на исследуемых участках
На месте в ходе исследования замерили уровень радона, температуру, соленость воды и координаты местоположения. По сравнению с привычными методами изотопного анализа, метод геопространственного анализа тепловизионных данных экономичнее, точнее и менее затратен по времени.
Потрясающие результаты
До использования беспилотников и получения тепловизионных изображений оценка стока подземных вод была затруднительной ввиду неопределенности условий местности и временных рамок исследования. Благодаря методу, разработанному Муром и его командой, получилось рассчитать объем стока подземных вод. По словам Мура, «нужны дополнительные исследования, подтверждающие справедливость данных, полученных нашим методом, в различных геологических условиях».
Общие показатели радона-222 в период с 5 марта (слева) по 5 октября (справа) 2018 года. Столбики указывают на стандартную погрешность
Благодаря инновационному использованию беспилотников и Pix4Dmapper Мур и команда получили первое место среди студентов на беспрецедентном конкурсе UAS Research Poster Competition.
В заключение Мур поделился планами на будущее: «Я хотел бы продолжить карьеру там, где я бы смог заниматься исследованиями, чтобы защитить наше побережье от загрязнения. Мы ответственны за защиту и мониторинг наших прибрежных зон. Наш долг — выявление, выяснение причин и, наконец, снижение вреда от любых возможных опасных источников загрязнения.
Я считаю, что картографирование с помощью дронов — это шаг в наше общее будущее. В этом проекте я научился лучше управлять беспилотниками, а также показал еще одно практическое применение изображений с дронов».