用你的無人機收集科學資料

三月 24, 2017
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圖A。你可以將一組輕盈的儀器平臺用膠帶安裝於無人機的起落架上

小型無人飛行載具(UAV)已成為我的科學工具中的重要成員,不只能夠空拍影像,還能測量不同海拔高度的氣溫變化、相對濕度和露點等。若想用無人機進行科學儀器測量,最簡單的方式就是將儀器的顯示面板直接對準鏡頭,如此一來,只要看著無人機的控制顯示器,就能追蹤資料的變化。你也可以利用Phantom等高階無人機的攝影機拍下顯示面板,將海拔、座標和時間等記錄在照片的EXIF檔中。

簡易儀器平臺

你可以輕易地用兩片長度8”和12”的木板(1/8” x 1”)來打造用來搭載Phantom3或Phantom4等無人機飛行儀器的儀器平臺。先用萬用膠帶將四片木板黏成一個長方形,接著再用萬用膠帶將12”那側固定在無人機起落架的底部。千萬不要用到金屬,以免干擾無人機的羅盤。完成的儀器平臺上可以放置各種儀器(圖A)。
小祕訣:雖然重心改變可能不會影響無人機飛行,但與負載相對的平衡重可能會抵銷馬達穩定所需的額外負載。

空中紫外線輻射計

自1990年代開始,我便開始在一個有樹環繞的地方測量日光。雖然這些樹木不會影響輻射計測量直射的陽光,但是會阻擋一些自然光。我一直很好奇的是,這些樹究竟會阻擋多大面積的天空?一臺Phantom3可以告訴我答案。
我最主要的測量會鎖定太陽紫外線輻射B(UV-B),我一直都採用幾種DIY輻射計。在1995年和1997年,美國太空總署(NASA)委託我在巴西旱季、天空煙霧瀰漫時,測量當地的臭氧層和輻射B,我使用自己於1994年打造的UV-B輻射計,也是我決定搭載在Phantom3的輻射計。這個決定有點冒險,因為這個儀器很脆弱,但我很想知道地面上5呎和7呎的輻射B會有何差異。
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圖B。將Onset 16位元資料紀錄器固定在無人機的儀器平臺上

上述儀器平臺為測試用,我先移除了Onset 16位元資料紀錄器的磁性固定裝置,直接用萬用膠帶固定於儀器平臺(圖B),同時將輻射計小心黏在Phantom上方的中央處(圖C)。由於螺旋槳和輻射計距離不到1吋,所以輻射計和連接線千萬要固定好。幾次飛行下來,我終於解答了自己的問題,那些樹木抵消了2.5%的UV-B。我還會持續測量兩三年,進而設計出一套演算法,來修正我在1994年所收集的資料。
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圖C。將UV-B輻射計用膠帶黏在Phantom3上

陽光測量儀器最好固定於無人機的最高處,然而Phantom3 的GPS系統也在最高處。所幸,UV-B輻射計並沒有造成負面影響,大概是因為有塑膠殼罩住,加上沒什麼金屬零件的緣故。
警告:若你要將儀器安裝在無人機頂部,千萬記得要黏牢,並與螺旋槳保持距離。為了確保GPS和羅盤不會互相干擾,最好先進行低空飛行測試。

熱成像和可見光影像

紅外線熱成像攝影機可提供熱成像,呈現一般可見光影像看不見的面向。例如,熱成像可以揭示土壤溼度和質地、地底狀態甚至是考古遺址的細微差異。此外,熱成像不分晝夜,都能夠偵測人以及其他恆溫動物的行蹤。
無人機也有專用的熱成像攝影機,但售價動輒要數千美元。反觀智慧型手機專用的熱成像攝影機較為便宜,不用250美元就能購買得到。我個人使用FLIR One熱成像攝影機連接iPhone 5,進而透過Phantom 3 取得熱成像。搭載熱成像攝影機的手機直接固定於儀器平臺的前方。
這個權宜之計雖然可行但並不完美,穩定度仍比不上用平衡環固定的可見光攝影機。因此,你最好挑平靜無風的日子緩慢飛行。另一個缺點是,它只有錄影模式,因此無法輕易取得靜態影像。然而,這個方法確實可行,也不用花數千美元購買用平衡環固定的熱成像攝影機,足以探索熱成像的各種潛在可能性。
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圖D。沼澤區的熱成像

舉例來說,我所居住的鄉下地區與一個最近才架設下水道系統的城市接壤。下水道主管線位於礫石層的深渠中,阻擋了地底下的川流並生成了新的源泉,有一處就出現在我家車道,還有一處在我的森林小屋底下。Phantom3在森林上方飛行時(圖D)取得了熱成像,呈現出冷冽的水塘(黑色和深藍色)、濕潤的土壤和草地(淺藍色)和溫暖的樹冠(紅色)。
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圖E。我空拍到了被新源泉害死的樹木,十幾棵樹木的葉子都枯掉了

Phantom4攝影無人機提供了很棒的方式來追蹤新源泉如何危害樹木。上方的照片拍攝了樹冠,十幾棵大樹葉子枯掉的樣子清楚可見(圖E)。另一方面,我也小心地讓無人機穿梭於樹冠下方,比起直接自地面拍攝,其更能呈現樹木下方新生的沼澤(圖F)。
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圖F。無人機拍攝到圖E枯樹下方的沼澤地

調查農田

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圖G。感染了棉根腐病的棉花田(深色區)

農民會利用搭載近紅外線攝影機的無人機來偵察作物的疾病。有些DIY愛好者會自行改造攝影機,將攝影機拆開並拿掉紅外線濾光片,就可以拍到近紅外線影像。但就算是一般可見光波長攝影機,也比地面調查更能夠呈現作物的受害情況。當我將Phantom4飛到總面積88英畝的棉花田上空,就發現了白色已採收的棉花田中央有一大片深色區域(圖G)。農民告訴我深色區的棉花即是感染了棉根腐病,我在地面上根本不會注意到,從空中俯視則看得一清二楚。

監測科學儀器

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圖H。無人機監測屋頂的儀器

用來監測戶外狀況的科學儀器通常都放置在很詭異的環境,例如我管理的科羅拉多州立大學農業部日光測量儀器,就安裝在德州路德大學兩層樓的屋頂上。我必須每個禮拜攀爬12呎高的鐵梯到屋頂上檢查三部旋轉輻射儀。但如果天候狀況不好,我也可以利用無人機來檢測儀器(圖H),可清楚拍攝到三個輻射儀(圖I)。
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圖I。無人機拍攝到三個旋轉輻射儀

安全注意事項

飛行前,請務必閱讀美國聯邦航空管理局(FAA)為無人機所制定的規則,例如無人機不得飛到400呎以上高空、不得飛到下方有人的高空、僅限於白天使用,不得在日出前30分鐘和日落後30分鐘飛行。若附近有機場的話,還有各種規則要遵守,無人機操作者也要小心駕駛,更多FAA規定請參見網站
(譯:謝明珊)
原文
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