利用熱紅外成像技術測量海底地下水排放量
2020-11-22 澎湃新聞原創 中國測繪學會 中國測繪學會
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本文內容摘自《中國測繪》2020年第9期
海底地下水排放（SGD）是水循環的重要組成部分，將人為產生的和自然產生的營養物質輸送到沿海水域。作為開發預防海岸水質惡化的方法的一部分，北卡羅萊納州威爾明頓大學進行的研究試圖解決與SGD點源位置有關的不確定性。本案例研究概述了如何將尖端的高解析度無人機系統（UAS）熱紅外（TIR）成像方法與最新技術相結合，以進行連續和自主的SGD監測。
海底地下水排放是指地下水通過連接的沿海含水層從陸地流向海洋的過程，這是可溶解成分從陸地流到海洋的重要途徑。確定SGD的來源很重要，因為SGD通常攜帶來自人為生產的汙染物，例如來自下水道系統或農業活動的營養物質。
UAS-TIR成像方法
然而，精準定位SGD的來源很有挑戰性，因為這些來源沿海岸線分布得不均勻，地下水排放量也是如此。所以才有了用來觀察SGD混合特性高解析度的UAS-TIR成像方法。在使用UAS-TIR成像之前，空間和時間的模糊性使得SGD難以評估。
緊急規避行動
在項目期間，測量人員經歷了一次險兆。佛羅倫斯颶風經過威爾明頓一周後，無人機在梅森伯勒島飛行。這是一次標準飛行，之前已經完成了幾次。當然，測量人員已經檢查了空域，以確保沒有衝突的航班。一切都按計劃進行，直到他們注意到地平線上一架大型休閒飛機正以極低的飛行高度迫近。
為了使無人機安全降落並避免墜機，必須立即採取規避措施。由於研究地點位於僅300米寬的障礙島上，因此情況尤其嚴峻。著陸有兩種選擇：要麼在當前位置快速螺旋下降，要麼返回到起飛位置進行預定著陸，並修改飛行方向。研究人員很快就決定選擇第二種方案，因為在如此接近開放水域的地方飛無人機這種昂貴的設備，失誤空間有限。幸運的是，無人機剛剛安全降落幾分鐘後，正在調查颶風「佛羅倫斯」對該島的影響的飛機直接從頭頂飛過。
研究方法
使用處理軟體將從現場收集的所有圖像拼接在一起，以創建準確的UAS-TIR數據正射影像，從而確定測量區域內SGD的羽流。專業無人機配備可檢測0.1℃的高解析度傳感器，用於圖像偵察。收集UAS-TIR成像數據後，水質分析儀和測氡儀記錄原位水的導電性、溫度和深度以及地下水示蹤同位素。測氡儀使海水循環從採樣點的進水閥進入到空氣-水交換器中，帶正電荷的鐳同位素釋放到封閉的空氣環路中，接著進入到測氡儀內部進行檢測的電位半導體中。
在多個潮汐周期中，每30分鐘進行連續和自動記錄測量值。在SGD羽流範圍內，記錄UAS-TIR圖像記錄下的海面溫度（SST）測量值。在Burnet和Dulaiova（2004）質量平衡模型中將氡-222體積測量值轉換為地下水滲流量。除海岸線面積外，還用SGD羽流輪廓面積做了進一步的計算。
禿頭島潮溝的UAS-TIR成像
圖2和圖3為2018年12月7日在禿頭島潮溝上進行的UAS-TIR飛行測量的結果，包括固定氡採樣點的位置。由於排放位置和河岸之間的水頭差較大，為了捕獲最大的地下水流量，選在接近低潮的時間段收集圖像。由於UAS的飛行時間有限，且測量區域的飛行範圍較廣，此次任務需要進行多次飛行。
圖2 UAS-TIR圖像剪切部分最低點視圖，聚焦在禿頭島潮溝的地化示蹤樣品位置。
圖3 在3DEP衍生的DEM上疊加的禿頭島潮勾UAS-TIR測量區域的傾角圖
禿頭島UAS-TIR測量的結果（如圖1所示，覆蓋在USGS 3DEP生成的10米數字高程模型上）可以觀察到水力梯度與地下水排放之間的直接聯繫。之所以可以呈現這種結果，是因為北卡羅來納州海岸線上的地下水排放量很大部分是新排放出來的，比周圍的海水溫度要低很多，漂浮在海水錶層，容易被勘測到。
梅森伯勒堡島的UAS-TIR成像
2018年6月20日，在梅森伯勒島上空進行UAS-TIR測量，選在退潮時段，以捕獲最大的地下水滲漏。測量任務是在清晨進行的。梅森伯勒屏障島UAS-TIR測量的結果（如圖4所示，由UAS RGB圖像生成的5釐米像素數字高程模型）可以觀察到水力梯度與地下水排放之間的直接聯繫。
圖4：梅森伯勒島UAS-TIR測量區域的最低視圖覆蓋在UAS導出的DEM上
觀察到在溫度明顯較低的地下水排放羽流的地方存在衝刷特徵。為了進一步研究該區域的衝刷情況，使用垂直誇張的空間插值對水深進行建模（圖5），該插值通過使用R8 RTK在水下連續記錄控制點創建。得到的結果與UAS-TIR圖像疊加，用來解釋水文梯度對地下水排放的影響。
圖5：梅森伯勒島UAS-TIR測量區域的傾角視圖
UAS-TIR輪廓
為了計算ΔT1輪廓表面積，將羽流周圍的氡採樣點進行處理，得到的面積（如圖6A所示）為2315.739平方米，顯示為圖6B中深藍色部分，同時也表示採樣點的地下水排放。
圖6：梅森伯勒島顯示了氫時間序列採樣位置的海溫羽流，（A）紅色區域表示△T1曲面輪廓面積，（B）氫監測站上顯示的梅森伯勒島SGD羽流和海溫
地球化學示蹤物結果
測氡儀連續自主地記錄的數據顯示，在禿頭島潮溝採樣點觀測到的潮汐階段與氡-222（Bq/m3）之間呈反相關關係。這種關係（如圖7所示）是典型的，因為在潮汐階段出現了水位逆轉。
圖7：自2018年3月5日起的氫-222數據，誤差線表示標準誤差
通過質量平衡法，可以將氡-222（Bq/m3）轉換為體積流量計算。可以將其與標準的以及相鄰的採樣點的體積通量進行比較。計算體積通量對於在採樣點之間進行比較非常重要，因為水文地質情況會隨著位置的變化而變化，並且對地球化學示蹤物的結果有很大影響。
總結
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對SGD進行定量建模的實用性。來自兩個採樣點的水質分析儀的數據表明，SGD有助於鹽量和pH值的總體降低。梅森伯勒島測量點的較大的T1羽流輪廓面積為2315.739平方米，樣點的平均排放量為每天0.8962米。相比之下，禿頭島測量中心的T1羽流輪廓面積為1391.31平方米，每天的平均排放量較低，為0.6097米。SGD通量的差異與每個採樣點位置所處的UAS-TIR羽流區域等高線相關。
利用測量區域內的UAS-TIR圖像隔離樣點位置，可以定量評估每天的SGD通量對潮汐反演的貢獻，得到最終的結果，禿頭島潮溝採樣區面積平均流量貢獻為每天0.0281米；梅森伯勒島採樣區平均流量貢獻為每天0.0496米。該數據也與用UAS-TIR圖像捕獲的T1輪廓曲面羽流表面積範圍有關。總而言之，這次研究證明了UAS-TIR作為觀測SGD排放羽流混合特徵的工具的有效利用，可以追蹤SGD更精確的位置。
譯者：颱風，文章選自Hydro INTERNATIONAL
出處：https://www.hydro-international.com
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