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- 無人機(jī)集成傳感器子系統(tǒng)對水體的溫度分析
- 來源：加速度傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2020/7/22
抽象
湖泊管理需要評估熱分層和系統(tǒng)監(jiān)測水溫。水溫曲線分析需要通過水柱進(jìn)行溫度測量，以評估影響氧氣含量，微生物生長和魚類分布的熱分層水平。這項研究的目的是開發(fā)和評估安裝在多旋翼無人機(jī)（UAV）上的水溫分析系統(tǒng)的功能。安裝在無人機(jī)上的浮力設(shè)備允許垂直起飛和降落在水面上進(jìn)行原位測量。與無人機(jī)集成的傳感器節(jié)點由一個微控制器單元，一個溫度傳感器和一個壓力傳感器組成。該系統(tǒng)使用自動導(dǎo)航和自動駕駛控制功能，從湖泊中七個預(yù)先選擇的位置測量了水溫和水深。在無人機(jī)以2 m / s的速度下降直到降落在水面上之前，以100毫秒的間隔進(jìn)行測量。根據(jù)測量結(jié)果，創(chuàng)建了每個位置三個連續(xù)深度的水溫圖。0.3 m處的平均地表水溫為22.5°C，而4 m深度處的平均水溫為21.5°C。開發(fā)的基于無人機(jī)的配置文件系統(tǒng)成功執(zhí)行了湖泊內(nèi)的自主水溫測量。0.3 m處的平均地表水溫為22.5°C，而4 m深度處的平均水溫為21.5°C。開發(fā)的基于無人機(jī)的配置文件系統(tǒng)成功執(zhí)行了湖泊內(nèi)的自主水溫測量。0.3 m處的平均地表水溫為22.5°C，而4 m深度處的平均水溫為21.5°C。開發(fā)的基于無人機(jī)的配置文件系統(tǒng)成功執(zhí)行了湖泊內(nèi)的自主水溫測量。
1.簡介
評估湖泊水的理化參數(shù)對于湖泊管理和水質(zhì)監(jiān)測至關(guān)重要。水溫是對水化學(xué)有重要影響的物理化學(xué)參數(shù)之一。水溫的變化會觸發(fā)水體中的幾種現(xiàn)象。其中一些現(xiàn)象是自然發(fā)生的，不會對水生系統(tǒng)造成傷害，而另一些則可能對水質(zhì)造成負(fù)面影響。在許多以不同溫度形成層的湖泊中，熱分層發(fā)生在3.6 m的深度處[ 1 ]。這些層是從上到下分類的，其中最熱的層在最上層，最冷的層在最下層，即上斜線，溫躍層和下斜線[ 2]。當(dāng)上層和下層之間的溫差大于1°C時，湖泊可被認(rèn)為是分層的[ 3 ]。在冬季發(fā)生逆分層，即最冷的層在頂部形成，而較暖的層在底部[ 4 ]。這種現(xiàn)象會影響湖泊的許多方面，例如魚類的空間分布，微生物生長和氧氣含量[ 5 ]。除了熱分層以外，水溫還可以直接指示溶解氧（DO），毒性吸收和鹽度[ 6 ]。藻類和水生植物的生長速率受溫度變化的影響，溫度升高會降低溶解氧，會對水生生物造成有害影響[7 ]。工業(yè)廢物排放，森林采伐和農(nóng)業(yè)徑流等其他因素也會影響水溫[ 8 ]。因此，對熱分層的定期評估以及對水溫的系統(tǒng)監(jiān)測對于水質(zhì)監(jiān)測和湖泊管理非常重要。
水溫監(jiān)控系統(tǒng)取決于目標(biāo)水體的大小。最常見的水的溫度監(jiān)測系統(tǒng)是手動采樣與多參數(shù)的傳感器和基于浮標(biāo)潛式傳感器系統(tǒng)，可以提供從水柱[實時水溫度測量5，9 ]。多參數(shù)傳感器和基于浮標(biāo)的溫度傳感器具有不同的配置，具體取決于所需的監(jiān)測深度和采樣條件[ 10 ]。基于浮標(biāo)的溫度傳感器由沿單個電纜嵌入的熱敏電阻形成，形成熱敏電阻鏈[ 11]。熱敏電阻的總數(shù)和取決于深度，寬度熱敏電阻各之間的距離，和湖泊[其他水文特性12，13]�；诟�(biāo)的熱敏電阻鏈可以在不同深度進(jìn)行同步水溫測量，從而為水柱分析提供信息。多參數(shù)傳感器可用于從岸邊快速監(jiān)測水溫；但是，它們需要運輸工具和大量的勞動力�；诟�(biāo)的熱敏電阻位于固定位置，測量值的空間分辨率取決于熱敏電阻的數(shù)量。由于成本和維護(hù)的限制，基于浮標(biāo)的系統(tǒng)必須安裝數(shù)量有限的較長時間。由于淺湖會在短時間內(nèi)分層，因此基于浮標(biāo)的系統(tǒng)的安裝可能是不切實際且昂貴的[ 14]�？梢栽诙虝r間內(nèi)以高空間分辨率收集水溫測量值的易于部署的系統(tǒng)可能適用于淺水區(qū)。
當(dāng)涉及湖泊管理和水質(zhì)監(jiān)測時，無人飛行器（UAV）相對于當(dāng)前的多參數(shù)傳感器和基于浮標(biāo)的系統(tǒng)在水溫分析方面具有優(yōu)勢。無人機(jī)是可移動的，可以輕松地從附近位置部署到水體。最近的研究已經(jīng)利用遙感和無人機(jī)來監(jiān)測水體的表面溫度。熱紅外遙感已被用于實際應(yīng)用中測量河流和湖泊中的地表水溫度[ 15 ]。已經(jīng)研究了基于無人機(jī)的熱紅外測繪，以評估地下水向沿海地區(qū)的排放[ 16 ]。除遙感外，還對集成了溫度傳感器的無人機(jī)進(jìn)行了湖泊中水溫測量的測試[ 17，18 ]。這些基于無人機(jī)的系統(tǒng)將鼠標(biāo)懸停在水面上方時，可以從適用的深度獲取溫度測量值。無人機(jī)懸停在水面上方時進(jìn)行空中測量會增加電池的使用量，從而限制了可以采集的樣本數(shù)量[ 19 ]。無人機(jī)系統(tǒng)依靠靈敏的導(dǎo)航傳感器技術(shù)來固定其在空中的位置。在較低高度進(jìn)行水采樣時，很多事情都會出錯，從而導(dǎo)致墜落事故墜入水中。無人機(jī)的懸停高度取決于風(fēng)速，傳感器校準(zhǔn)和有效載荷擺動運動。這些因素阻礙了水溫測量的精確深度[ 20]。因此，需要更可靠的基于無人機(jī)的水溫測量方法來提供水柱溫度數(shù)據(jù)。
我們之前的研究介紹了用于水質(zhì)監(jiān)測的無人機(jī)的開發(fā)，應(yīng)用和評估。首先，設(shè)計并評估了用于航空水樣采集的水樣無人機(jī)[ 21 ]。其次，現(xiàn)場水質(zhì)測量無人機(jī)被設(shè)計并用于農(nóng)業(yè)池塘內(nèi)的自主水質(zhì)測量[ 19 ]。第三，將集水裝置和傳感器節(jié)點組合在同一個無人機(jī)中，具有相對較大的有效負(fù)載能力[ 22 ]。第四，組合式無人機(jī)被重新設(shè)計用于自適應(yīng)水采樣，其中基于車載傳感器節(jié)點的現(xiàn)場水質(zhì)測量結(jié)果來決定集水。
這項研究的目的是開發(fā)和測試用于湖泊溫度曲線和監(jiān)測的水溫測量系統(tǒng)無人機(jī)。Koparan等人報道了現(xiàn)場水質(zhì)測量無人機(jī)。[ 19 ]通過用深度和溫度傳感器替換傳感器節(jié)點進(jìn)行了重新建模，并對無人機(jī)上的浮力裝置進(jìn)行了修改，以實現(xiàn)更安全的著陸。這里介紹的系統(tǒng)的新穎性在于，當(dāng)溫度和壓力探頭下降時，無人機(jī)開始測量溫度和深度。該系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵特征是，無人機(jī)可以降落在水面上并從水面上起飛，而不必在測量過程中懸停。
2.材料和方法
2.1無人機(jī)和傳感器節(jié)點組件
為水溫曲線開發(fā)的系統(tǒng)包括一個六旋翼無人機(jī)和一個傳感器節(jié)點。無人機(jī)是定制設(shè)計的，技術(shù)規(guī)格在以前的出版物中提供[ 19]。飛機(jī)的總重量為3100克（UAV和有效載荷）。無人機(jī)的重量為2300 g，有效載荷（傳感器節(jié)點）為800 g，包括第二個電池，帶保護(hù)殼的微控制器單元，溫度和壓力探頭，延長線（10 m）以及用于探頭的保護(hù)性鋼殼。第二個電池是鋰電池（7.4 V，2.200 mAh，Venom，Rathdrum，ID，USA）。使用帶有電池消除器電路（BEC）的第二個電池來調(diào)節(jié)微控制器的電壓。傳感器節(jié)點使用單獨的電池，無需使用UAV即可卸下設(shè)備進(jìn)行獨立測量。
壓力和溫度傳感器由制造商（Bar02，Blue Robotics，T??orrance，CA，美國）作為單個單元嵌入。將該單元與微控制器單元（意大利Ivrea的Arduino Mega 2560）進(jìn)行了集成，以進(jìn)行校準(zhǔn)，控制和數(shù)據(jù)記錄。壓力測量用于確定進(jìn)行溫度測量的深度。測量結(jié)果記錄在安全數(shù)字卡（SD卡）（中國廣東省深圳市SunFounder）中，該數(shù)字卡已與微控制器單元一起插入。電壓轉(zhuǎn)換器電路（I2C電平轉(zhuǎn)換器，Blue Robotics，T??orrance，CA，美國）與壓力傳感器一起使用，以調(diào)節(jié)電壓并實現(xiàn)與微控制器單元的通信。壓力傳感器和電壓轉(zhuǎn)換器電路在定制設(shè)計的3D打印盒中進(jìn)行了防水處理，并用環(huán)氧樹脂密封。（圖1）。將3D打印盒放置在鋼管中，以確保壓力傳感器會迅速浸入水中。鋼管上涂有Flex Seal（Flex Seal，F(xiàn)lex Seal，Weston，F(xiàn)L，美國）以防止腐蝕。微控制器平臺被密封在一個盒子里，并安裝在無人機(jī)上。壓力傳感器用10 m長的系繩懸掛。
無人機(jī)04 00035 g001 550 圖1. 傳感器節(jié)點組件：（a）壓力傳感器和電壓轉(zhuǎn)換器電路，（b）SolidWorks外殼的計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD），（c）3D打印和密封外殼的壓力傳感器，以及（d）鋼管，以實現(xiàn)快速浸沒和傳感器保護(hù)。
2.2。實驗地點和采樣地點
基于無人機(jī)的水溫配置文件系統(tǒng)在伊薩奎納湖（南卡羅來納州皮肯斯縣）進(jìn)行了評估和測試。該湖的長度為13公里，表面積約為36公頃。最大部分的湖泊寬度為400 m。Issaqueena湖的水壩頂部在基巖之上約15.7 m。夏季的水平均溫度為21.9°C，冬季的平均溫度為4°C [ 23 ]。2005年，南卡羅來納州衛(wèi)生與環(huán)境控制部（SCDHEC）報告說，該湖的水質(zhì)參數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)[ 24]。選擇該湖進(jìn)行實驗是因為該結(jié)果可用于生成用于水質(zhì)監(jiān)測的新數(shù)據(jù)集。Issaqueena湖無法從鄰近的Keowee河乘船，從而為實驗提供了安全的無人機(jī)飛行條件。圖2顯示了無人機(jī)在湖上的集成傳感器節(jié)點和發(fā)射位置。
無人機(jī)04 00035 g002 550 圖2. （a）與飛機(jī)集成的傳感器節(jié)點，以及（b）Issaqueena湖的發(fā)射地點。
由于聯(lián)邦航空局（FAA）施加的飛行限制和電池電量的限制，在湖的一小部分中進(jìn)行了水溫剖面試驗。美國聯(lián)邦航空局（FAA）要求無人機(jī)飛行必須在視線范圍內(nèi)，且最高高度應(yīng)高于地面120 m [ 25 ]。由于這些限制，采樣位置被選擇在無人機(jī)能夠以有限的電池電量訪問而又保持在視線范圍內(nèi)的區(qū)域。圖3中的地圖將無人機(jī)發(fā)射位置標(biāo)記為零，并將水采樣位置標(biāo)記為數(shù)字1到7。。無人機(jī)發(fā)射地點沒有樹木，為安全起降提供了平坦的地面。水采樣位置以網(wǎng)格采樣方式分配，同時分散以提供水溫測量值，以代表任務(wù)計劃邊界內(nèi)的整個區(qū)域。采樣位置之間的距離為80 m至90 m。從發(fā)射點到采樣點一的最短飛行距離為73 m，從發(fā)射點到采樣點七的最長的飛行距離為290 m。
無人機(jī)04 00035 g003 550 圖3. 湖的一部分被用作測量的實驗地點。
2.3水溫分析數(shù)據(jù)收集
水溫分布圖實驗于2019年4月25日下午3:00進(jìn)行，任務(wù)計劃范圍內(nèi)從20 m高度到水面的平均氣溫為24°C�？諝鉁囟葴y量值是從無人機(jī)的內(nèi)部溫度傳感器獲得的。帶有集成傳感器節(jié)點的無人機(jī)通過自動駕駛儀控制的自主飛行被部署到每個采樣點。由于將探頭安裝在10 m長的系繩上，因此導(dǎo)航高度設(shè)置為20 m，以在旅行期間提供安全飛行。到達(dá)導(dǎo)航目的地后，自動駕駛儀讓無人機(jī)緩慢下降并降落在水面上5秒鐘。在下降直到降落期間進(jìn)行溫度和水深的測量。完成測量后，圖4）。使用地面任務(wù)控制站，使用開源的任務(wù)計劃程序（MP）軟件對自主飛行進(jìn)行編程，并將每個單獨的飛行分配為任務(wù)計劃[ 26 ]。由于電池電量有限且飛行距離較長，因此有必要將所選區(qū)域劃分為各個任務(wù)計劃。第一個任務(wù)計劃中包括了位置1和2，第二個任務(wù)位置中包括了位置3，第二個位置中包括了位置3和4，第五個位置中包括了位置4和5，第四個位置中包括了位置6，第五個任務(wù)計劃中包括了位置7。
無人機(jī)04 00035 g004 550 圖4. 使用無人機(jī)進(jìn)行水溫測量的應(yīng)用方法。
當(dāng)無人機(jī)到達(dá)20 m高度的預(yù)定采樣位置時，自動駕駛儀會啟動水深和溫度測量。當(dāng)無人機(jī)降落速度為2 m / s時，以100毫秒的間隔記錄水深和溫度測量值。在自動駕駛儀的配置中，將耀斑高度指定為10 m，以實現(xiàn)安全，平穩(wěn)和穩(wěn)定的著陸。耀斑高度是自動著陸程序的最后階段，在該階段，自動駕駛儀會降低油門并降低無人機(jī)的速度，以在著陸之前重新調(diào)整下降速度[ 26 ]。
每個位置的測量次數(shù)取決于水深。深度測量表明下降過程中探頭的深度。因此，一旦探頭到達(dá)水柱底部，就有望進(jìn)行重復(fù)測量。在一定深度后重復(fù)進(jìn)行的測量被指定為該采樣位置的最大水深。收集的水深和溫度數(shù)據(jù)用于創(chuàng)建測深圖和水溫圖，以可視化地表（0.3 m）以及2 m和4 m深度處的水溫分布。逆距離加權(quán)插值（IDW）方法用于ArcMap（ESRI，Redlands，CA，美國）中的處理和插值。27 ]。評估水深，水溫和位置之間的關(guān)系。在R軟件（R-GUI，維也納，奧地利）驅(qū)動的3D散點圖中說明了水溫分布[ 28 ]。
3結(jié)果與討論
與水柱內(nèi)的參考深度值相比，使用傳感器節(jié)點進(jìn)行的室內(nèi)深度測量精度為100％。3D打印的防水外殼可保護(hù)探頭和電路免受水的損害。室內(nèi)實驗表明，該探頭可浸入水中，并提供可靠的水深和溫度測量結(jié)果。表格1顯示室內(nèi)測試的摘要統(tǒng)計信息，以評估3D打印盒是否影響傳感器深度測量。使用0.05的顯著性水平時，實際傳感器深度值與測量傳感器深度值之間的差異不顯著（t（18）= 2.03，p = 0.57）。兩次深度測量之間的差異顯示小于1％的誤差。沒有對傳感器的水溫測量準(zhǔn)確性進(jìn)行調(diào)查，因為據(jù)報道，溫度測量值在制造商的規(guī)范中在2°C以內(nèi)。目視觀察以確認(rèn)傳感器溫度測量。
如預(yù)期的那樣，鋼管封閉的傳感器探頭迅速下降到湖底。壓力傳感器的快速下降減少了無人機(jī)必須停留在水面的時間，并提高了數(shù)據(jù)收集的速度。由于減少了無人機(jī)的空閑模式持續(xù)時間，因此減少了在水面上的漂浮時間可以最大程度地減少電池的使用。飛行控制器的空閑模式使螺旋槳以最慢的速度旋轉(zhuǎn)，以確保無人機(jī)可以根據(jù)任務(wù)計劃或地面控制站的要求立即起飛。水深評估估計中心附近實驗邊界內(nèi)的最大水深為8.4 m（圖5）。）。由于是最深的采樣點，在采樣位置3的水深為7.3 m，而在采樣位置4的水深為4 m。
無人機(jī)04 00035 g005 550 圖5. 任務(wù)計劃范圍內(nèi)的Issaqueena湖水深圖。
跨越任務(wù)計劃邊界和水深的每個位置的水溫都不同。溫度曲線實驗表明，無論是在水面還是在底部，水的溫度都在位置1處最高（圖6）。）。水的溫度在第一位置的表面為28°C，在底部為23°C，溫度變化最大。在第六位置，地表水溫為18.3°C，底部水溫為17.6°C。位置2和5的水溫遵循相同趨勢，地表水溫為20°C，底部水溫為19°C。這兩個位置的水溫趨勢相同，因為它們都位于從東北到西南的下游方向的中心。在水位相差1°C的三個位置和七個位置也觀察到了類似的趨勢。從水柱測得的水溫表明，分別在深度3.67 m，3.93 m和3.67 m處的位置2、5和6處溫度突然變化。在這些深度處觀察到快速穩(wěn)定的水冷卻，并且冷卻持續(xù)到在每個位置到達(dá)湖底為止。水溫一直穩(wěn)定到第三位置的深度為1.4 m。在此深度之后觀察到溫度突然下降，這表明位置3處的冷卻深度小于位置2、5和6處的冷卻深度。在許多湖泊中，熱分層發(fā)生在3.6 m的深度處，上層和下層之間的溫差必須至少大于1°C [ 表明位置3處的冷卻深度小于位置2、5和6處的冷卻深度。在許多湖泊中，熱分層發(fā)生在3.6 m的深度處，上層和下層之間的溫差必須至少大于1°C [ 表明位置3處的冷卻深度小于位置2、5和6處的冷卻深度。在許多湖泊中，熱分層發(fā)生在3.6 m的深度處，上層和下層之間的溫差必須至少大于1°C [1，3 ]。雖然在平均深度3.8 m處溫度下降超過1°C，但不清楚是否根據(jù)這些測量結(jié)果發(fā)生了熱分層。
無人機(jī)04 00035 g006 550 圖6. 按位置和水深分布的水溫分布：（a）2D散點圖和（b）3D散點圖。
采樣位置最接近位于實驗邊界西角的水流。水溫升高可能是由于田間試驗之前發(fā)生的降雨事件后的徑流引起的。圖7中的水溫圖顯示了中間位置和采樣深度引起的水溫變化。。這些圖分別表示水面（0.3 m）和深度2 m和4 m的水溫。記錄的平均地表水溫為22.5°C，而在4 m深度處的平均水溫為21.5°C。在六個采樣點的所有深度處，水溫始終保持在18°C左右。在采樣位置一處，最大水溫下降記錄為3°C。采樣位置1和6之間的水溫差在10°C時在表面最高，而在6°C時在4 m的采樣深度時最低。
無人機(jī)04 00035 g007 550 圖7. 水溫圖代表中間位置和采樣深度的水溫變化。
4.結(jié)論
此處描述的基于無人機(jī)的水溫配置文件系統(tǒng)為水質(zhì)監(jiān)測實踐提供了不同的視角。與其他水質(zhì)監(jiān)測方法相比，它具有遠(yuǎn)程訪問水體的能力以及易于部署的特點，可以更好，更快地收集數(shù)據(jù)。基于無人機(jī)的水溫分析系統(tǒng)成功導(dǎo)航到預(yù)定義的水采樣位置，并執(zhí)行了用于水溫和深度測量的任務(wù)計劃。3D打印壓力傳感器外殼成功地防止了漏水，并保持傳感器組件的安全，同時允許其在整個水柱中快速下降。Issaqueena湖選定邊界內(nèi)的最大水深為8.4 m。在采樣位置一處，水溫迅速下降是由于水流進(jìn)入水體。在位置2、5和6處，平均水深3.8 m處，水溫迅速下降，大于1°C。但是，必須進(jìn)行覆蓋整個湖泊的更廣泛的數(shù)據(jù)收集實驗，以證明是否可能發(fā)生了熱分層�？梢愿鶕�(jù)所研究水體的深度重新調(diào)整探頭的延長電纜的長度，同時考慮到無人機(jī)的耐力和推力性能以及傳感器節(jié)點的最大工作深度。使用該系統(tǒng)可以在較短的時間內(nèi)完成水溫分析，與其他方法（例如傳統(tǒng)的船上采樣）相比，具有很大的優(yōu)勢。無人機(jī)輔助溫度曲線圖選件還可以通過最大程度地減少現(xiàn)場所需時間，同時又可以輕松地覆蓋更大的區(qū)域來降低成本�？紤]到維護(hù)時間，成本以及固定傳感器站的空間分辨率不足，此處描述的無人機(jī)輔助溫度分析系統(tǒng)具有獨特的優(yōu)勢，包括先進(jìn)的移動性，高空間分辨率，低成本以及對災(zāi)難和其他自然事件的快速響應(yīng)。
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