利用无人机技术探索南极冰盖动态

逍遥设计自动化

引言
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近年来，无人机技术显著提升了科研人员观测和研究南极复杂冰系统的能力。本文介绍研究人员如何运用先进的无人机技术，深入理解东南极德罗宁莫德地区的冰盖动态、融水池和冰冻圈变化[1]。

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1 ?3 Y1 P' B( ~9 l( ^5 s' s  I5 {2 k% B9 h南极研究环境

南极恶劣的环境给科学研究带来独特的挑战。在德罗宁莫德地区，温度可降至零下40度以下，强劲的下降风速度可达每小时100公里以上。这种极端条件使传统的地面观测方法难以实施，凸显了基于无人机的遥感方法的优势。
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图1展示了位于东南极德罗宁莫德地区中部的迈特里站附近研究区域，包括地面控制点和无人机测量区域。
3 j$ n# w- V1 @" E6 Y1 b无人机设备与数据采集
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研究采用了配备六个专业传感器的P4 RTK多光谱无人机系统：一个用于可见光成像的RGB传感器和五个用于多光谱成像的单色传感器。这种高级配置实现了跨不同光谱波段的高分辨率数据采集。
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3 p0 J$ |" e8 U7 H+ ~3 ~图2展示了(a)在东南极航测中使用的多光谱传感器无人机和(b)设备实地使用照片。
( Q  r7 A  ~' s' t+ d/ q数据采集方法

研究人员在2022年11月至2023年1月期间进行了测量，无人机飞行高度为起飞点上方95米。系统采集的图像地面分辨率为5厘米每像素。研究团队在冰盖外部建立了九个地面控制点，使用全球导航卫星系统(GNSS)设备进行精确地理配准。
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图3展示了用于无人机数据精确地理配准的黑白十字形地面控制点。
2 N$ w, z* |. W) r! G, s# g2 h3 Q: n创新监测系统
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: M/ n, O$ q, Y- j9 J研究的一个关键组成部分是安装压力传感器组合来监测融水池动态。

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图4显示了(a)压力传感器Assembly在融水池上的图形设计和实际安装情况，以及(b)实地安装设置。
. F# B' G, V$ ^( @9 S, D  s分析与结果
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2 G$ H5 g0 M7 ]0 e! ~研究揭示了关于冰盖动态和融水池行为的重要发现。观测期间，研究区域的高程和质量平衡出现显著变化。
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( M/ Y( j2 `* C& E- C图5展示了冰盖前缘边缘的最小、最大和平均高程变化。
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图6展示了测量期间融水池的周长、长度和深度剖面。
: n. n$ u2 W& x2 r' B2 Y冰相分布制图

研究的一个重要方面是对研究区域不同类型冰雪特征的制图。
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图7展示了2022年12月不同日期的监督像素分类冰相分布图，显示了各种冰雪特征。
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研究详细记录了南极夏季期间融水池的动态变化。

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图8记录了无人机调查期间捕捉到的融水池演变过程，展示了从初始融化到重新冻结并被积雪掩埋的完整过程。
研究意义
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% T5 g# q% o. I- `0 T& e+ H4 {% w本研究证实了无人机技术在南极研究中的实用价值。采集的高分辨率数据为理解冰盖动态和融水池行为提供了详细信息。这些研究方法可应用于南极其他地区的未来研究，帮助科研人员更好地了解这些冰系统对环境变化的响应。

( Q% J+ _9 p8 m7 D6 l1 H研究成果不仅加深了对南极冰动力学的认识，还为今后基于无人机的极地研究建立了基础。多光谱成像、精确压力测量和复杂数据分析技术的结合，提供了研究冰盖行为和融水池演变的全面方法。

* k0 @$ X+ p8 {6 u6 ~+ N4 u该方法在极地研究领域具有实际应用价值，提供了监测和理解南极冰系统复杂动态的新方法。研究获得的见解有助于加深对冰盖如何响应环境变化的理解，这对预测未来海平面上升和气候变化影响具有科学价值。
3 n; _$ P1 i0 \; @3 ]7 V' e参考文献
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7 q) G' @% Q. l$ M. g" ][1] G. P. M and K. Venkatesh, "Exploring the frozen frontier: unmanned aerial vehicles and multispectral sensors unveiling cryosphere dynamics in East Antarctica's Dronning Maud Land," GIScience & Remote Sensing, vol. 61, no. 1, Article 2302739, Jan. 2024, doi: 10.1080/15481603.2024.2302739.
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