Дрон с тепловой картографической нагрузкой StreamFlow летит над рекой Сакраменто в Северной Калифорнии. Автор: NASA/Massimo Vespignani
Группа ученых и инженеров NASA и Геологической службы США (USGS) объединилась, чтобы выяснить, может ли небольшой пилотируемый дрон, оснащенный специализированной полезной нагрузкой, помочь в создании подробных карт скорости течения воды. Реки снабжают наши общины и фермы пресной водой, служат домом для различных существ, перевозят людей и товары и вырабатывают электроэнергию.
Но речные потоки также могут переносить загрязняющие вещества вниз по течению или внезапно подниматься, представляя опасность для людей, дикой природы и имущества. Поскольку НАСА продолжает свою постоянную приверженность лучшему пониманию нашей родной планеты, исследователи работают над ответом на вопрос, как мы остаемся в курсе того, где и как быстро меняются речные потоки.
Ученые NASA и USGS объединились для создания пакета инструментов размером с галлон молока, названного River Observing System (RiOS). Он оснащен тепловизионными и видимыми камерами для отслеживания движения объектов водной поверхности, лазером для измерения высоты, навигационными датчиками, бортовым компьютером и системой беспроводной связи. В 2023 году исследователи вывезли RiOS в полевые испытания вдоль участка реки Сакраменто в Северной Калифорнии и планируют вернуться для третьего и последнего полевого испытания осенью 2024 года.
«Развертывание RiOS над рекой для оценки производительности системы в реальных условиях невероятно важно», — сказал Карл Леглейтер, главный исследователь USGS совместного проекта NASA-USGS StreamFlow. «Во время этих тестовых полетов мы продемонстрировали, что бортовая полезная нагрузка может использоваться для выполнения расчетов — анализа — практически в реальном времени, пока дрон летит над рекой. Это была одна из наших главных целей: обеспечить минимальную задержку между моментом получения изображений и моментом получения подробной информации о текущих скоростях и схемах течения в реке».
Чтобы реализовать это видение бортовых вычислений, команда использует программное обеспечение с открытым исходным кодом в сочетании с собственным кодом для создания карт скоростей поверхности воды или поля течения из серии изображений, снятых с течением времени.
«Вы можете подумать, что нам нужно иметь возможность видеть отдельные физические объекты — например, палки, ил или другой мусор, двигающиеся вниз по течению, — чтобы оценить скорость течения, но это не всегда так и не всегда возможно», — сказал Леглейтер. «Используя высокочувствительную инфракрасную камеру, мы вместо этого обнаруживаем движение тонких различий в температуре воды, переносимой вниз по течению».
Те же самые крошечные перепады температур также появляются везде, где есть волнистость — например, на границе между воздухом и водой или льдом внизу. Зная это, члены команды StreamFlow из NASA использовали это явление в своих интересах при разработке методов для возможных будущих планетарных миссий с посадкой для навигации в отдаленных и труднодоступных местах, включая Европу, ледяную луну, вращающуюся вокруг Юпитера.
Система наблюдения за рекой (RiOS) отслеживает движение объектов водной поверхности сверху участка реки Сакраменто в Северной Калифорнии в 2023 году. Кредит: NASA
«Ледяные поверхности представляют собой сложные визуальные условия, такие как отсутствие контраста», — сказал Уланд Вонг, соисследователь и руководитель проекта StreamFlow в исследовательском центре Эймса NASA в Кремниевой долине Калифорнии. «Наша технология может точно отслеживать статическую поверхность ледяной местности во время полета над ней или движущуюся поверхность, например, воду, во время зависания над ней, чтобы обеспечить безопасность космического корабля во время сбора ценных данных».
Для подготовки к полевым испытаниям на реке Сакраменто команда NASA построила робототехнический симулятор для запуска тысяч виртуальных полетов дронов над испытательным полигоном реки Сакраменто с использованием полей течения, смоделированных USGS. Эти симуляции помогают команде создавать интеллектуальное программное обеспечение, способное выбирать наилучшие маршруты для полета дрона и обеспечивать эффективное использование ограниченного заряда батареи.
Следующим шагом в партнерстве с NASA станет разработка методов, которые сделают систему более автономной. Исследователи хотят использовать расчеты речных потоков, выполняемые на борту в режиме реального времени, чтобы определить, куда дрон должен лететь дальше.
«Опускается ли дрон, чтобы получить данные с лучшим разрешением о конкретном месте, или остается высоко и делает широкоугольный снимок?» — спросил Вонг. «Если он определяет области, где течение особенно быстрое или медленное, может ли дрон быстрее обнаруживать области затопления?»
В настоящее время USGS управляет обширной сетью из тысяч автоматизированных измерителей расхода воды и стационарных камер, установленных на мостах и берегах рек, для мониторинга речных потоков в режиме реального времени по всей стране.
«Беспилотники могут позволить нам проводить измерения в гораздо большем количестве областей, что потенциально позволит нашей сети стать больше, надежнее и безопаснее для наших технических специалистов, чтобы контролировать и обслуживать ее», — сказал Пол Кинзел, соисследователь StreamFlow в USGS. «Беспилотники могут помочь защитить наших людей и оборудование от опасности, а также сообщить нам, как окружающая среда меняется с течением времени в как можно большем количестве мест».
Дополнительная информация: Для получения дополнительной информации о том, как NASA улучшает жизнь на Земле с помощью климатических и технологических инноваций, посетите сайт www.nasa.gov/earth
Предоставлено NASA
