Naukowcy opracowują nowy sposób pomiaru przepływu rzek

Zespół naukowców i inżynierów z NASA i US Geological Survey (USGS) współpracował, aby sprawdzić, czy mały pilotowany dron wyposażony w specjalistyczny ładunek mógłby pomóc w tworzeniu szczegółowych map szybkości przepływu wody. Rzeki dostarczają świeżą wodę naszym społecznościom i gospodarstwom, zapewniają domy dla różnych stworzeń, transportują ludzi i towary oraz wytwarzają energię elektryczną.

Jednak przepływy rzeczne mogą również przenosić zanieczyszczenia w dół rzeki lub nagle przybierać na sile, stwarzając zagrożenie dla ludzi, dzikiej przyrody i mienia. W miarę jak NASA kontynuuje swoje wysiłki na rzecz lepszego zrozumienia naszej macierzystej planety, badacze pracują nad odpowiedzią na pytanie, w jaki sposób możemy wiedzieć, gdzie i jak szybko zmieniają się przepływy rzek.

Naukowcy z NASA i USGS połączyli siły, aby stworzyć pakiet instrumentów – wielkości mniej więcej galona mleka – zwany Systemem Obserwacji Rzeki (RiOS). Zawiera kamery termowizyjne i widzialne do śledzenia ruchu elementów powierzchni wody, laser do pomiaru wysokości, czujniki nawigacyjne, komputer pokładowy i system komunikacji bezprzewodowej. W 2023 r. badacze zabrali RiOS w teren do testów na odcinku rzeki Sacramento w północnej Kalifornii i planują wrócić na trzeci i ostatni test terenowy jesienią 2024 r.

„Wdrożenie systemu RiOS nad rzeką w celu oceny wydajności systemu w warunkach rzeczywistych jest niezwykle ważne” – powiedział Carl Legleiter, główny badacz USGS we wspólnym projekcie NASA-USGS StreamFlow. „Podczas tych lotów testowych pokazaliśmy, że ładunek pokładowy można wykorzystać do wykonywania obliczeń – przeprowadzania analiz – w czasie niemal rzeczywistym, gdy dron leci nad rzeką. Był to jeden z naszych najważniejszych celów: umożliwienie opóźnienie między momentem uzyskania zdjęć a uzyskaniem szczegółowych informacji na temat bieżących prędkości i wzorców przepływu w rzece”.

Aby zrealizować tę wizję komputerów pokładowych, zespół wykorzystuje oprogramowanie typu open source w połączeniu z własnym kodem do tworzenia map prędkości powierzchni wody lub pola przepływu na podstawie serii zdjęć wykonanych w czasie.

„Można by pomyśleć, że musimy widzieć dyskretne, fizyczne obiekty – takie jak patyki, muł lub inne zanieczyszczenia przemieszczające się w dół rzeki – aby oszacować prędkość przepływu, ale nie zawsze tak jest i nie zawsze jest to możliwe” – powiedział Legleitera. „Używając bardzo czułej kamery na podczerwień, zamiast tego wykrywamy ruch subtelnych różnic w temperaturze wody niesionej w dół rzeki”.

Te same drobne różnice temperatur pojawiają się również wszędzie tam, gdzie występują falowania – na przykład na granicy pomiędzy powietrzem a wodą lub lodem poniżej. Wiedząc o tym, członkowie zespołu StreamFlow z NASA wykorzystali to zjawisko na swoją korzyść przy opracowywaniu metod dla ewentualnych przyszłych misji planetarnych, które pozwolą na nawigację w odległych i trudnych do zobaczenia środowiskach, w tym w Europie, lodowym księżycu krążącym wokół Jowisza.

„Lodowe powierzchnie stwarzają trudne warunki wizualne, takie jak brak kontrastu” – powiedział Uland Wong, współbadacz i kierownik NASA projektu StreamFlow w Centrum Badawczym Ames w Kalifornijskiej Dolinie Krzemowej. „Nasza technologia może precyzyjnie śledzić statyczną powierzchnię lodowego terenu podczas lotu nad nim lub poruszającą się powierzchnię, taką jak woda, unosząc się nad nią, aby zapewnić bezpieczeństwo statku kosmicznego podczas gromadzenia cennych danych”.

Aby przygotować się do testów terenowych na rzece Sacramento, zespół NASA zbudował symulator robotyki, który umożliwia przeprowadzenie tysięcy wirtualnych lotów dronami nad miejscem testowym rzeki Sacramento, wykorzystując pola przepływu modelowane przez USGS. Symulacje te pomagają zespołowi stworzyć inteligentne oprogramowanie, które będzie w stanie wybrać najlepsze trasy lotu drona i zapewnić efektywne wykorzystanie ograniczonej mocy akumulatora.

Następnym krokiem w ramach partnerstwa będzie opracowanie przez NASA technik zapewniających większą autonomiczność systemu. Naukowcy chcą wykorzystać obliczenia przepływów rzek wykonywane na pokładzie w czasie rzeczywistym, aby wskazać, dokąd dron powinien następnie polecieć.

„Czy dron opada, aby uzyskać dane w lepszej rozdzielczości o określonej lokalizacji, czy też pozostaje wysoko i rejestruje widok szerokokątny?” zapytał Wonga. „Jeśli zidentyfikuje obszary, które płyną szczególnie szybko lub wolno, czy dron może szybciej wykryć obszary zalewowe?”

USGS obsługuje obecnie rozległą sieć tysięcy automatycznych mierników strumieni i kamer stacjonarnych zainstalowanych na mostach i brzegach rzek w celu monitorowania przepływu rzek w czasie rzeczywistym na terenie całego kraju.

„Drony mogłyby umożliwić nam dokonywanie pomiarów w znacznie większej liczbie obszarów, co potencjalnie umożliwiłoby powiększenie naszej sieci, solidniejszą i bezpieczniejszą do monitorowania i konserwacji dla naszych techników” – powiedział Paul Kinzel, współbadacz StreamFlow w USGS. „Drony mogłyby pomóc chronić naszych ludzi i sprzęt przed niebezpieczeństwem, a także informować nas o zmianach środowiska w czasie w jak największej liczbie lokalizacji”.