利用熱紅外成像技術測繪海底水流量

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自人類和自然產(chǎn)生的營養(yǎng)物質。作為開發(fā)防止沿海水質退化方法的一部分，北卡羅來納大學威明頓分校進行的研究試圖解決SGD點源位置的模糊性。

本案例研究概述了先進的高分辨率無人機系統(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)測技術相結合的。

海底地下水排放- -地下水通過連接的沿海含水層從陸地向下梯度流動進入海洋的過程- -被認為是溶解成分從陸地進入沿海海洋的重要途徑。確定SGD的來源很重要，因為SGD經(jīng)常攜帶來自人為來源的污染物，例如來自下水道系統(tǒng)或土地上的農(nóng)業(yè)活動的營養(yǎng)物。

UAS-TIR成像方法

但是，精確定位SGD很有挑戰(zhàn)性，因為這些來源沿海岸線的分布不均勻，并且地下水排放量也是如此。這允許實施高分辨率UAS-TIR成像方法以觀察SGD混合特性。在進行UAS-TIR成像之前，空間和時間的模糊性使SGD難以評估。

僥幸躲過了一場無人機墜毀

在這個項目中，研究人員在操控eBee無人機的同時，與一架激光雷達測量飛機進行了一次近距離接觸。這架無人機在颶風佛羅倫薩經(jīng)過威爾明頓一周后在馬森波羅島上飛行。這是一次標準的飛行，之前已經(jīng)完成了好幾次。當然，研究人員已經(jīng)檢查了空域，以確保沒有沖突飛行。一切都按計劃進行，直到在地平線上，他們注意到一架大型休閑飛機正以驚人的低海拔迫近。


為了使無人機避免碰撞并安全著陸，必須立即采取規(guī)避動作。由于研究地點位于一個只有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無人機當前位置進行快速螺旋下降，要么返回起飛位置進行預定著陸，并修改進近方向。研究人員很快決定采用第二種方案，因為在如此接近開放水域的地方飛行容易出錯。幸運的是，無人駕駛飛機安全著陸。

方法

現(xiàn)場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，從而確定了調查區(qū)域內的SGD羽流。eBee Plus專業(yè)無人機配備了高分辨率senseFly溫度計傳感器，能夠探測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)海水從取樣點的進氣閥進入一個空氣-水交換器，使帶正電的鐳同位素釋放到一個封閉的空氣回路，這個回路被吸引到RAD-7中被測量的地電位半導體上。

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

在多個潮汐周期中，以30分鐘的間隔連續(xù)自主地記錄測量值。將測量值記錄在SGD羽流內，以使UAS-TIR圖像記錄的海面溫度（SST）測量值真實。使用Burnet和Dulaiova（2004）質量平衡模型應用了將222Rn體積測量值轉換為地下水滲流量的計算。除海岸線面積外，還使用SGD羽狀輪廓面積進行了進一步的計算。

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行的UAS-TIR飛行的結果，包括固定ra樣品平臺的位置。由于排放位置和河岸之間的水頭差較大，因此在接近低潮時收集了圖像，以捕獲最大的地下水排放量。由于UAS的飛行時間有限且調查區(qū)域的飛行范圍廣，偵察任務需要多次飛行。

禿頭島UAS-TIR調查的結果（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系。之所以可能這樣做，是因為北卡羅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，是在退潮時進行的，以捕獲最大的地下水滲漏。偵察任務是在清晨進行的。梅森伯勒屏障島UAS-TIR調查的結果（如圖4所示，覆蓋在從UAS RGB圖像生成的5厘米/像素數(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。為了進一步研究樣品處的沖刷，使用垂直放大的空間插值對水深模型進行了建模（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)控制點創(chuàng)建。結果被UAS-TIR圖像覆蓋，以能夠解釋水文梯度對地下水排放的影響。

UAS-TIR輪廓

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

圖5：馬森伯勒島UAS-TIR調查區(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測量點生成的空間插值中，從而可以對水文梯度和SGD通量進行建模。

地球化學示蹤劑結果

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觀測到的潮汐階段與222Rn（Bq m-3）之間的反相關關系。這種關系（如圖7所示）是典型的，因為潮水位發(fā)生變化時水位反轉。

使用質量平衡方法，可以在-1天的m天將222Rn（Bq m-3）的庫存轉換為通量計算。該體積流量估算值可以與文獻以及相鄰的樣品位置進行比較。計算體積通量以比較樣品位置非常重要，因為水文地質設置會隨位置而變化，并且會顯著影響地球化學示蹤劑的結果。

結論

這項研究的結果證明了UAS-TIR成像在北卡羅萊納州沿海地區(qū)對SGD進行定量建模的實用性。來自兩個樣品位點的YSI數(shù)據(jù)表明，SGD有助于鹽度和pH值的總體降低。梅森伯勒島調查點的較大的?T1輪廓表面羽流面積為2,315.739m²，在樣點的平均排放量為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通量的差異與每個樣品位置處的UAS-TIR羽流區(qū)域輪廓圖相關。

利用調查區(qū)域內的UAS-TIR圖像隔離樣本位置，就可以定量評估每日SGD通量對潮汐反演的貢獻。最終的禿頭島潮汐小溪樣本面積平均流量貢獻為第-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?？偠灾?，這項研究證明了UAS-TIR作為觀測SGD排放羽流混合特征的工具的有效利用，可以對SGD的更精確位置進行偵察。

致謝

該研究項目的靈感源于在馬諾阿夏威夷大學（UH）的Henrietta Dulai博士的指導下?lián)伪究粕芯恐?，該實驗室在沿海池塘中實施了自動ra監(jiān)測技術以采樣海底地下水的排放。

參考資料

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

Ghoneim，E.，2008年，阿拉伯聯(lián)合酋長國北部的最佳地下水位置：《國際遙感雜志》，第30卷，第1頁。5879-5906，doi：10.1080 / 01431160801932517。

肯尼迪，J.，2016年，《耦合飛機和無人機遙感技術同時進行沿海沿海原地測量，以監(jiān)測海底地下水排放的動態(tài)》（碩士學位論文）：檀香山，夏威夷大學馬諾阿分校，p。75。