利茲大學(xué)的研究人員正在監(jiān)測(cè)秘魯?shù)膭P爾卡亞冰帽，這是世界上僅有的幾個(gè)熱帶冰帽之一。

在歐洲成功進(jìn)行試驗(yàn)之后，利茲大學(xué)地理學(xué)院的研究人員正在安第斯山脈和喜馬拉雅山脈使用樹莓派計(jì)算機(jī)和樹莓派高品質(zhì)相機(jī)，建立低成本、長(zhǎng)期的冰川退化預(yù)警系統(tǒng)。

冰原后退和冰川融化的速度不斷加快，這是氣候變化速度最明顯的標(biāo)志之一。美國國家航空航天局（NASA）的氣候觀測(cè)結(jié)果證實(shí)，冰川和冰原融化時(shí)增加的水量，以及海水變暖時(shí)的膨脹，是導(dǎo)致海平面上升的最大原因。

因此，幾項(xiàng)重要研究正在密切監(jiān)測(cè)極地地區(qū)的變化速度。其中包括 Arribada 和企鵝觀察的研究，它們使用樹莓派（Raspberry Pi）相機(jī)對(duì)特定地區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)期延時(shí)拍攝，測(cè)量冰層和冰山分布以及野生動(dòng)物種群隨季節(jié)變化的情況。然而，對(duì)大陸冰川萎縮的研究較少，主要原因是這些冰川的位置。由講師利亞姆-泰勒（Liam Taylor）領(lǐng)導(dǎo)的利茲大學(xué)地理學(xué)院冰川崩塌研究項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)就是從事這項(xiàng)工作的科學(xué)家之一。

挑戰(zhàn)

為了有效監(jiān)測(cè)冰川的變化，在進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)地調(diào)查的同時(shí)，還需要對(duì)冰川地貌和正在發(fā)生的環(huán)境變化進(jìn)行更大規(guī)模的觀測(cè)。這正是三維掃描和延時(shí)攝影可以發(fā)揮重要作用的地方。然而，雖然確實(shí)存在強(qiáng)大的延時(shí)攝影機(jī)和環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，但其高昂的成本令人望而卻步，因?yàn)樵谑苋蜃兣顦O端影響的地方，資源往往十分匱乏。正如泰勒所言："事實(shí)上，大多數(shù)冰川都位于秘魯、尼泊爾和印度等國家。

通常情況下，生活在這些地區(qū)的人們面臨著糧食不安全的風(fēng)險(xiǎn)，一旦冰川斷裂引發(fā)洪水等環(huán)境災(zāi)難，他們就會(huì)突然失去家園。“泰勒解釋說："我們正在與當(dāng)?shù)氐脑∶裆鐓^(qū)合作，他們居住的地方距離潰決洪水等真正的風(fēng)險(xiǎn)地點(diǎn)有數(shù)百米遠(yuǎn)。

泰勒說："項(xiàng)目的關(guān)鍵在于，我們能否開發(fā)出某種監(jiān)測(cè)技術(shù)？"他的團(tuán)隊(duì)希望開發(fā)出一種可以作為崩塌事件預(yù)警系統(tǒng)的東西，在崩塌事件中，冰川碎塊脫落，有可能造成大范圍的洪水。利茲團(tuán)隊(duì)選擇把重點(diǎn)放在冰川上，因?yàn)?“冰川消退的速度比以往任何時(shí)候都快，與之相關(guān)的危害也在不斷增加，而且全世界越來越多的人容易受到危害的影響”。

鑒于利茲團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)之一是為發(fā)展中國家的社區(qū)提供支持，因此將成本控制在 100 英鎊以下是該項(xiàng)目的首要原則。

樹莓派系統(tǒng)監(jiān)控秘魯維爾卡諾塔山脈奎爾卡亞冰帽的冰層后退情況

解決方案

利茲大學(xué)團(tuán)隊(duì)的利亞姆-泰勒（Liam Taylor）及其同事鄧肯-昆西（Duncan Quincey）和馬克-史密斯（Mark Smith）在冰島完成了一個(gè)試驗(yàn)過程。他們建立了十個(gè)監(jiān)控單元，每個(gè)單元都由一個(gè) Raspberry Pi 高質(zhì)量相機(jī)和一個(gè) Raspberry Pi Zero W 組成，并用它們創(chuàng)建了菲亞爾斯約庫冰川的攝影測(cè)量圖像。這些相機(jī)被放置在一個(gè)防風(fēng)雨外殼內(nèi)（這是每個(gè)相機(jī)裝置中最昂貴的部分），并被設(shè)定為在幾個(gè)月內(nèi)按預(yù)設(shè)時(shí)間間隔拍攝快照。這些裝置由電池供電，并通過太陽能進(jìn)行補(bǔ)充，而相機(jī)本身的位置則是為了捕捉冰川的線性但重疊的視角。幾個(gè)月后收集到的照片經(jīng) Agisoft Metashape 軟件處理后，便可生成逼真的三維場(chǎng)景。利茲大學(xué)的地理學(xué)家們同時(shí)使用無人機(jī)對(duì)冰川的同一區(qū)域進(jìn)行了測(cè)試，并使用 Metashape 處理了這些結(jié)果。研究小組比較了每個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)果子集，包括冰川 250 米長(zhǎng)區(qū)域的圖像。這次試驗(yàn)成功后，他們?cè)诰嚯x秘魯庫斯科約 50 英里的科迪亞維爾卡諾塔安裝了基于樹莓派的監(jiān)測(cè)設(shè)備，那里有一系列冰川。在一萬多英里以外的印度和尼泊爾，利茲團(tuán)隊(duì)支持當(dāng)?shù)匮芯咳藛T對(duì)喜馬拉雅冰川崩塌進(jìn)行新的調(diào)查。在利茲地理學(xué)家所掌握的技術(shù)知識(shí)的幫助下，當(dāng)?shù)貓F(tuán)隊(duì)正在自行開展研究。團(tuán)隊(duì)非常希望他們的工作能讓盡可能多的人受益。該系統(tǒng)將始終開放源代碼，我們將始終致力于為任何希望實(shí)施類似系統(tǒng)以應(yīng)對(duì)自身挑戰(zhàn)的公民科學(xué)家提供幫助和支持。

利用多個(gè)這樣的樹莓派相機(jī)單元，研究人員可以

生成冰川的 3D 模型，以測(cè)量它們對(duì)氣候變化的反應(yīng)

為什么選擇樹莓派？該團(tuán)隊(duì)的要求很簡(jiǎn)單：他們需要能夠勝任任務(wù)的低成本硬件，這些硬件可以從當(dāng)?shù)亟?jīng)銷商處大量購買，而且非常簡(jiǎn)單，只需幾個(gè)小時(shí)的培訓(xùn)就能安裝。利亞姆和同事們考察了他們希望建立冰川監(jiān)測(cè)站的地區(qū)附近的街頭市場(chǎng)。他們發(fā)現(xiàn)樹莓派（Raspberry Pi）電腦和攝像頭符合他們的所有要求，并且可以以傳統(tǒng)硬件成本的一小部分在當(dāng)?shù)刭徺I。

結(jié)果

這些相機(jī)所拍攝的令人驚嘆的效果，即使與那些配備了專門用于監(jiān)控任務(wù)的功能強(qiáng)大的相機(jī)的無人機(jī)所拍攝的效果相比，也超出了所有人的預(yù)期。樹莓派（Raspberry Pi）相機(jī)能夠捕捉 3D 冰川圖像，其質(zhì)量與無人機(jī)類似，而成本卻大大降低。更妙的是，由于這項(xiàng)任務(wù)對(duì)計(jì)算能力的要求不高，該系統(tǒng)還可以在超低成本的 Raspberry Pi Zero 上運(yùn)行。該團(tuán)隊(duì)的研究論文評(píng)估了 Raspberry Pi 硬件在冰川監(jiān)測(cè)中的適用性，論文將于 2023 年初發(fā)表，可免費(fèi)獲取，其中介紹了他們的全部研究成果和分析。

樹莓派（Raspberry Pi）照相機(jī)裝置可以在原地放置數(shù)月之久，從而可以進(jìn)行低成本的定時(shí)攝影測(cè)量，生成三維模型，其誤差公差遠(yuǎn)在無人機(jī)的精度范圍之內(nèi)：令人印象深刻的是，從 1.5 千米的距離看，它們的平均誤差小于一米，只需要十臺(tái)這樣的照相機(jī)就能生成這種程度的三維細(xì)節(jié)。無人機(jī)會(huì)受到惡劣天氣的影響，只能在有利條件下飛行，而 Raspberry Pi 相機(jī)則不同，它可以在任何天氣下工作，只有在研究人員來取 SD 存儲(chǔ)卡以便分析照片時(shí)才需要人工干預(yù)。Raspberry Pi 硬件價(jià)格低廉、易于獲得，這意味著一旦完成初步培訓(xùn)，當(dāng)?shù)匮芯咳藛T就可以迅速組裝更多的設(shè)備。利茲大學(xué)團(tuán)隊(duì)特別希望將這項(xiàng)研究交給當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境研究團(tuán)隊(duì)，讓他們掌握相關(guān)的技能和知識(shí)，并對(duì)自己的環(huán)境調(diào)查擁有自主權(quán)。進(jìn)一步擴(kuò)展監(jiān)測(cè)裝置功能的工作仍在繼續(xù)：在尼泊爾，一臺(tái) Raspberry Pis 將與一臺(tái) Raspberry Shake 地震儀和一個(gè)麥克風(fēng)配合使用，以聆聽冰川 “呻吟 ”的聲音。利茲團(tuán)隊(duì)還希望在瑞士-意大利阿爾卑斯山冰川崩塌事件高發(fā)區(qū)布置傳感器，以便提前發(fā)出預(yù)警，保護(hù)生命安全。2022 年底，該團(tuán)隊(duì)回到秘魯參加國際氣候峰會(huì)，展示他們令人印象深刻的測(cè)量研究，并向國家和地方政府表明，這種監(jiān)測(cè)可以成為他們適應(yīng)氣候變化的一部分。他們基于樹莓派（Raspberry Pi）的有效而經(jīng)濟(jì)的設(shè)置，吸引了秘魯許多政府機(jī)構(gòu)和慈善組織的興趣。他們正努力去爭(zhēng)取更多的資金投入到社區(qū)手中，這樣他們就可以把錢花在這些我們現(xiàn)在知道有效的 Raspberry Pi 工具上。