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三维扫描技术用在冰川探险项目

浏览次数:504 | 更新时间: 2023-04-05

深入研究大自然,你就会更好地理解一切,”引阿尔伯特·爱因斯坦。事实上,深入研究冰川可以帮助我们了解气候变化。但冰川勘探是出了名的危险。即使在融水和地形在冰中形成开口和洞穴的地方,由于存在崩塌和冰块掉落的风险,也无法进入。尽管如此,许多基本的物理和生物过程都发生在冰川的洞穴和裂缝中,这使它们成为一个富有挑战性但富有成果的研究领域。一个由科学家和测量员组成的团队开始了对巴塔哥尼亚冰川的探险,以收集有关冰川流动和动力学的数据。他们集成了几种3D激光扫描仪器和技术:地面激光扫描(TLS)、无人机(UAV或“无人机”)摄影测量测量测量和GNSS智能天线。

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VIGEA虚拟地理机构和巴塔哥尼亚团队的一部分的勘测员和洞穴学家托马索·桑塔加塔(Tommaso Santagata)表示,技术进步带来了越来越紧凑的仪器,即使在冰川等极端野外环境中也能实现更快速的数据采集和强大的处理能力。“地面激光扫描可以为我们提供大量信息,例如,我们可以将这些信息与卫星数据合并,以便更好地了解冰川运动的速度和冰川表面发生的变化。这个想法也是为了更好地了解这些变化如何引发洞穴和环境中的其他变化“我不在冰川附近,因为它们都是相连的。”

 

阿根廷洛斯冰川国家公园佩里托·莫雷诺冰川的壮观景象每年吸引近10万名游客。佩里托莫雷诺冰川是南巴塔哥尼亚冰原形成的48条冰川之一,该冰原覆盖面积超过250平方公里,向东延伸超过30公里。在它的前面,佩里托莫雷诺河穿过阿根廷湖的布拉索-里科河,形成了一座天然大坝。在全球变暖和气候变化的背景下——并将该冰川与该地区其他冰川区分开来——佩里托·莫雷诺冰川的冰团在过去半个世纪中相对稳定。因此,科学家们一直在研究冰川如何应对未来气候变化。

 

远征

 

2017年3月,由意大利La Venta Esplorazioni Geografiche和法国Spélé’s Ice组织的一个团队与莱卡地球系统公司(Hexagon的一部分)和几个学术合作伙伴合作,开始研究佩里托莫雷诺冰川。探险队员和项目研究人员试图更多地了解居住在冰川上的微型动植物群,更好地了解冰川动力学和冰川融化的速度。

 

该小组还希望调查并绘制至少一个冰川洞穴的地图。为此,冰川底部的一个开口,由一条水流切割而成,提供了一个值得研究的对象。由于洞穴太危险,无法徒步探索,因此在安全距离内进行了激光扫描和无人机摄影测量测量,绘制了洞穴内部50-60m部分和洞穴入口周围区域的地图。

 

 

技术

巴塔哥尼亚探险队提供了另一个例子,说明了新的仪器和技术(本例中为激光扫描和无人机摄影测量)是如何彻底改变地理测量的。桑塔加塔说:“这些技术越来越多地用于地质研究,如洞穴或冰面和冰体积变化的计算。”。“三维激光扫描技术可以在几分钟内获取数百万个由三维坐标表示的点,这些点在复杂的多方面表面上具有极高的空间密度。密集的点云包含大量数据,可用于表示和分析。”

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在佩里托·莫雷诺探险队中,该团队使用了徕卡扫描站P40,该扫描站可在高达270m的距离内捕获高质量3D数据和高动态范围(HDR)成像。激光扫描仪由徕卡CS35平板电脑控制,这也使团队成员能够在现场验证部分处理的数据。“立即处理数据非常容易,”Santagata评论道。“如果你已经获得了所有的数据,那么在这个领域你可以马上看到,这真是太棒了。”

两小时内扫描八次

 

为了避免阳光直射,在下午晚些时候进行了八次激光扫描,耗时约两小时。集成在激光扫描仪中的摄像头用于生成彩色点云并拍摄360°全景图像。在30-70米高度进行了两次无人机摄影测量飞行。他们制作了大约120张DNG文件格式的地理参考照片。

 

 

 

为了了解冰层的日常运动和消融情况,研究小组使用了徕卡Viva GS16。这是一种“自学习”GNSS智能天线,意味着该仪器设计用于区分强信号和弱信号或噪声信号,并仅对提供最佳性能的信号进行磨练。全球导航卫星系统智能天线用于获取无人机摄影测量测量的地面控制点测量值,并确定冰川南北地带的速度和高程变化。通过将仪器与CS35平板电脑配对,团队可以再次验证并直接在现场部分处理数据。该装置能够测量冰川边缘和中心的冰流速度,并在四天的实地工作中观察冰川表面形态的变化。“即使在这么短的时间内,这些变化也是显著的!”一位探险队员惊叹不已。

 

 

 

在交互式三维模型中可视化数据

 

为了对齐点云并创建三维模型,调查团队使用了徕卡旋风点云处理软件。然后,利用徕卡旋风3DR对模型进行进一步处理,从激光扫描和摄影测量数据中获得多种输出和细节。Cyclone 3DR处理大多数行业标准格式,因此团队可以将激光扫描数据与无人机拍摄的图像合并以创建模型。为了与团队外的同事共享3D数据,他们使用了徕卡地理系统公司的免费JetStream Viewer。这使得任何人——即使是没有3D建模经验的人——都可以轻松查看和操作点云。

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好科学

 

随着全球变暖和气候变化的发展,科学界面临的关键问题是冰川融化的程度和速度,以及这对地球上的生命意味着什么。我们确信的一件事是,地理信息学将是找到答案的关键。

佩里托·莫雷诺探险队标志着一条新的探险路线,这条路线可以追溯到19世纪著名的阿根廷探险家和学者弗朗西斯科·莫雷诺(Francisco Moreno),佩里托·莫雷诺冰川就是以此命名的。研究冰川数十年的专家们目睹了冰川变薄和消融的惊人速度。Perito Moreno冰层相对稳定,这使其成为一种异常现象。但这座冰川也在变薄。这里的冰川正在以前所未有的速度后退,一些低海拔地区的冰川预计将在未来25年内完全消失。这一过程大大促进了海平面上升,并对该地区城市淡水供应的可持续性、农业和水力发电的未来提出了疑问,因为这些往往取决于冰川或积雪径流。

紧凑、功能强大的数据采集仪器和技术,以及可在现场访问的直观数据处理解决方案,使这次考察能够带回大量的数据和信息进行分析,这是一个精确的记录,可以用来测量冰层的进一步变化,并为泄密目的创建3D模型。

 

启发和教育

项目产出已经激励和教育下一代专业人员。考察结束后,制作了来自3D模型和交互式3D模型的360°照片。2019年在意大利撒丁岛举行的国际洞穴学会议上,参观者可以通过虚拟现实眼镜来探索该模型,以获得对冰川内部浮雕的更深刻体验。3D模型现在可以在线公开获取。

值得注意的是,洞穴的3D激光扫描并非此次探险的主要目标。这些技术和仪器有机会在实地、在适当的时间、适当的地点使用,从而能够获得这一重要的数据收集。这些数据现在可以用于比较,以便更好地了解这部分冰川未来的变化。这是未来值得追求的目标。

 

参与项目的组织

洛杉矶冰川国家公园,拉本塔,斯佩尔冰,米兰大学BiCCA,巴黎自然历史博物馆,巴黎狄德罗大学,佛罗伦萨大学,波罗尼亚大学,维吉亚-虚拟地理机构,和徕卡地球系统-部分六边形。

 

学科交叉

巴塔哥尼亚探险队的主要目标是从冰锥中收集微生物样本,冰锥是冰川上的灰色粉末沉积物。由于颜色较深,它们在冰面上形成孔洞,为微生态系统的发展创造了空间。通过摄影测量,VIGEA的Tommaso Santagata创建了一个由该团队生物学家取样的主要冰锥的3D模型,展示了在野外使用多功能和可管理仪器的价值。


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