利用熱紅外成像技術(shù)測(cè)繪海底水流量

海底地下水排放（SGD）是水循環(huán)的重要組成部分，它向沿海水域輸送來(lái)自人類和自然產(chǎn)生的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。作為開(kāi)發(fā)防止沿海水質(zhì)退化方法的一部分，北卡羅來(lái)納大學(xué)威明頓分校進(jìn)行的研究試圖解決SGD點(diǎn)源位置的模糊性。

本案例研究概述了先進(jìn)的高分辨率無(wú)人機(jī)系統(tǒng)(UAS)熱紅外(TIR)成像方法是如何與最新的連續(xù)自主SGD監(jiān)測(cè)技術(shù)相結(jié)合的。

海底地下水排放- -地下水通過(guò)連接的沿海含水層從陸地向下梯度流動(dòng)進(jìn)入海洋的過(guò)程- -被認(rèn)為是溶解成分從陸地進(jìn)入沿海海洋的重要途徑。確定SGD的來(lái)源很重要，因?yàn)镾GD經(jīng)常攜帶來(lái)自人為來(lái)源的污染物，例如來(lái)自下水道系統(tǒng)或土地上的農(nóng)業(yè)活動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)物。

UAS-TIR成像方法

但是，精確定位SGD很有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@些來(lái)源沿海岸線的分布不均勻，并且地下水排放量也是如此。這允許實(shí)施高分辨率UAS-TIR成像方法以觀察SGD混合特性。在進(jìn)行UAS-TIR成像之前，空間和時(shí)間的模糊性使SGD難以評(píng)估。

僥幸躲過(guò)了一場(chǎng)無(wú)人機(jī)墜毀

在這個(gè)項(xiàng)目中，研究人員在操控eBee無(wú)人機(jī)的同時(shí)，與一架激光雷達(dá)測(cè)量飛機(jī)進(jìn)行了一次近距離接觸。這架無(wú)人機(jī)在颶風(fēng)佛羅倫薩經(jīng)過(guò)威爾明頓一周后在馬森波羅島上飛行。這是一次標(biāo)準(zhǔn)的飛行，之前已經(jīng)完成了好幾次。當(dāng)然，研究人員已經(jīng)檢查了空域，以確保沒(méi)有沖突飛行。一切都按計(jì)劃進(jìn)行，直到在地平線上，他們注意到一架大型休閑飛機(jī)正以驚人的低海拔迫近。


為了使無(wú)人機(jī)避免碰撞并安全著陸，必須立即采取規(guī)避動(dòng)作。由于研究地點(diǎn)位于一個(gè)只有300米寬的堰洲島上，情況尤其緊張。著陸有兩種選擇:要么在eBee無(wú)人機(jī)當(dāng)前位置進(jìn)行快速螺旋下降，要么返回起飛位置進(jìn)行預(yù)定著陸，并修改進(jìn)近方向。研究人員很快決定采用第二種方案，因?yàn)樵谌绱私咏_(kāi)放水域的地方飛行容易出錯(cuò)。幸運(yùn)的是，無(wú)人駕駛飛機(jī)安全著陸。

方法

現(xiàn)場(chǎng)收集的所有圖像使用Pix4D處理軟件拼接在一起，以創(chuàng)建UAS-TIR數(shù)據(jù)的精確正疊加，從而確定了調(diào)查區(qū)域內(nèi)的SGD羽流。eBee Plus專業(yè)無(wú)人機(jī)配備了高分辨率senseFly溫度計(jì)傳感器，能夠探測(cè)0.1攝氏度，用于圖像偵察。在收集UAS-TIR成像數(shù)據(jù)后，使用YSI和RAD-7記錄了原位水的導(dǎo)電性、溫度和深度以及地下水示蹤同位素。RAD-7水循環(huán)海水從取樣點(diǎn)的進(jìn)氣閥進(jìn)入一個(gè)空氣-水交換器，使帶正電的鐳同位素釋放到一個(gè)封閉的空氣回路，這個(gè)回路被吸引到RAD-7中被測(cè)量的地電位半導(dǎo)體上。

圖2和圖3：上圖：UAS-TIR圖像的一部分的天底視圖，重點(diǎn)放在禿頭島潮汐溪的地球化學(xué)示蹤劑樣品站點(diǎn)。底部：在3DEP衍生的DEM上疊加的禿頭島潮汐河UAS-TIR調(diào)查區(qū)域的天底圖。

在多個(gè)潮汐周期中，以30分鐘的間隔連續(xù)自主地記錄測(cè)量值。將測(cè)量值記錄在SGD羽流內(nèi)，以使UAS-TIR圖像記錄的海面溫度（SST）測(cè)量值真實(shí)。使用Burnet和Dulaiova（2004）質(zhì)量平衡模型應(yīng)用了將222Rn體積測(cè)量值轉(zhuǎn)換為地下水滲流量的計(jì)算。除海岸線面積外，還使用SGD羽狀輪廓面積進(jìn)行了進(jìn)一步的計(jì)算。

禿頭島潮汐河的UAS-TIR成像

圖2和圖3顯示了2018年12月7日在禿頭島潮汐河上進(jìn)行的UAS-TIR飛行的結(jié)果，包括固定ra樣品平臺(tái)的位置。由于排放位置和河岸之間的水頭差較大，因此在接近低潮時(shí)收集了圖像，以捕獲最大的地下水排放量。由于UAS的飛行時(shí)間有限且調(diào)查區(qū)域的飛行范圍廣，偵察任務(wù)需要多次飛行。

禿頭島UAS-TIR調(diào)查的結(jié)果（如圖1所示，覆蓋在USGS 3DEP生成的10m數(shù)字高程模型（DEM）上）可以觀察到水力梯度與地下水排放之間的直接關(guān)系。之所以可能這樣做，是因?yàn)楸笨_萊納州海岸線上的地下水排放量比周圍的海水要冷得多，并且由于很大一部分排放物是新鮮的，因此漂浮在海面上。

梅森伯勒堡島的UAS-TIR成像

UAS-TIR航班于2018年6月20日在梅森伯勒島上空飛行，是在退潮時(shí)進(jìn)行的，以捕獲最大的地下水滲漏。偵察任務(wù)是在清晨進(jìn)行的。梅森伯勒屏障島UAS-TIR調(diào)查的結(jié)果（如圖4所示，覆蓋在從UAS RGB圖像生成的5厘米/像素?cái)?shù)字高程模型上）可以觀察到水力梯度與地下水排放之間的直接關(guān)系。

在發(fā)現(xiàn)顯著的較涼的地下水排放羽流的情況下，存在沖刷特征。為了進(jìn)一步研究樣品處的沖刷，使用垂直放大的空間插值對(duì)水深模型進(jìn)行了建模（圖5），該插值使用記錄在水面以下且?guī)в蠷8 RTK單元的連續(xù)控制點(diǎn)創(chuàng)建。結(jié)果被UAS-TIR圖像覆蓋，以能夠解釋水文梯度對(duì)地下水排放的影響。

UAS-TIR輪廓

為了計(jì)算ΔT1輪廓表面積，使用ROI工具在ENVI中進(jìn)行處理，將the采樣平臺(tái)周圍的羽流輪廓化。在該位置計(jì)算出的ΔT1輪廓表面積（如圖6A所示）為2,315.739m²。該區(qū)域由圖6B中所示的深藍(lán)色異常表示。該異常表示采樣點(diǎn)的地下水排放。

圖5：馬森伯勒島UAS-TIR調(diào)查區(qū)域的離天底圖，該區(qū)域附加到使用水面以下連續(xù)地形RTK測(cè)量點(diǎn)生成的空間插值中，從而可以對(duì)水文梯度和SGD通量進(jìn)行建模。

地球化學(xué)示蹤劑結(jié)果

連續(xù)自主RAD-7記錄的數(shù)據(jù)顯示了在禿頭島潮汐溪采樣點(diǎn)觀測(cè)到的潮汐階段與222Rn（Bq m-3）之間的反相關(guān)關(guān)系。這種關(guān)系（如圖7所示）是典型的，因?yàn)槌彼话l(fā)生變化時(shí)水位反轉(zhuǎn)。

使用質(zhì)量平衡方法，可以在-1天的m天將222Rn（Bq m-3）的庫(kù)存轉(zhuǎn)換為通量計(jì)算。該體積流量估算值可以與文獻(xiàn)以及相鄰的樣品位置進(jìn)行比較。計(jì)算體積通量以比較樣品位置非常重要，因?yàn)樗牡刭|(zhì)設(shè)置會(huì)隨位置而變化，并且會(huì)顯著影響地球化學(xué)示蹤劑的結(jié)果。

結(jié)論

這項(xiàng)研究的結(jié)果證明了UAS-TIR成像在北卡羅萊納州沿海地區(qū)對(duì)SGD進(jìn)行定量建模的實(shí)用性。來(lái)自兩個(gè)樣品位點(diǎn)的YSI數(shù)據(jù)表明，SGD有助于鹽度和pH值的總體降低。梅森伯勒島調(diào)查點(diǎn)的較大的?T1輪廓表面羽流面積為2,315.739m²，在樣點(diǎn)的平均排放量為0.8962m天¹¹。相比之下，禿頭島溪研究中心的?T1輪廓表面羽流面積為1,391.31平方米，在-1天的平均排放量較低，為0.6097m。SGD通量的差異與每個(gè)樣品位置處的UAS-TIR羽流區(qū)域輪廓圖相關(guān)。

利用調(diào)查區(qū)域內(nèi)的UAS-TIR圖像隔離樣本位置，就可以定量評(píng)估每日SGD通量對(duì)潮汐反演的貢獻(xiàn)。最終的禿頭島潮汐小溪樣本面積平均流量貢獻(xiàn)為第-1天的qA = 0.0281m。所得的梅森伯勒島樣品區(qū)平均排放貢獻(xiàn)為-1的qA = 0.0496m。此值還與用UAS-TIR圖像捕獲的?T1輪廓表面羽流的表面積范圍相關(guān)?？偠灾?，這項(xiàng)研究證明了UAS-TIR作為觀測(cè)SGD排放羽流混合特征的工具的有效利用，可以對(duì)SGD的更精確位置進(jìn)行偵察。

致謝

該研究項(xiàng)目的靈感源于在馬諾阿夏威夷大學(xué)（UH）的Henrietta Dulai博士的指導(dǎo)下?lián)伪究粕芯恐恚搶?shí)驗(yàn)室在沿海池塘中實(shí)施了自動(dòng)ra監(jiān)測(cè)技術(shù)以采樣海底地下水的排放。

參考資料

Burnett，W。和Dulaiova，H.，2003年，通過(guò)連續(xù)的222Rn測(cè)量估算輸入到沿海地區(qū)的地下水動(dòng)力學(xué)：《環(huán)境放射性》，第69卷，第1頁(yè)。21-35。

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肯尼迪，J.，2016年，《耦合飛機(jī)和無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)同時(shí)進(jìn)行沿海沿海原地測(cè)量，以監(jiān)測(cè)海底地下水排放的動(dòng)態(tài)》（碩士學(xué)位論文）：檀香山，夏威夷大學(xué)馬諾阿分校，p。75。