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

在歐洲成功進行試驗之后，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算機和樹莓派高品質(zhì)相機，建立低成本、長期的冰川退化預(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志之一。美國國家航空航天局（NASA）的氣候觀測結(jié)果證實，冰川和冰原融化時增加的水量，以及海水變暖時的膨脹，是導(dǎo)致海平面上升的最大原因。

因此，幾項重要研究正在密切監(jiān)測極地地區(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）相機對特定地區(qū)進行長期延時拍攝，測量冰層和冰山分布以及野生動物種群隨季節(jié)變化的情況。然而，對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)院冰川崩塌研究項目團隊就是從事這項工作的科學(xué)家之一。

挑戰(zhàn)

為了有效監(jiān)測冰川的變化，在進行詳細的實地調(diào)查的同時，還需要對冰川地貌和正在發(fā)生的環(huán)境變化進行更大規(guī)模的觀測。這正是三維掃描和延時攝影可以發(fā)揮重要作用的地方。然而，雖然確實存在強大的延時攝影機和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，但其高昂的成本令人望而卻步，因為在受全球變暖最極端影響的地方，資源往往十分匱乏。正如泰勒所言："事實上，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險，一旦冰川斷裂引發(fā)洪水等環(huán)境災(zāi)難，他們就會突然失去家園?！疤├战忉屨f："我們正在與當?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險地點有數(shù)百米遠。

泰勒說："項目的關(guān)鍵在于，我們能否開發(fā)出某種監(jiān)測技術(shù)？"他的團隊希望開發(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。利茲團隊選擇把重點放在冰川上，因為 “冰川消退的速度比以往任何時候都快，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”。

鑒于利茲團隊的目標之一是為發(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)團隊的利亞姆-泰勒（Liam Taylor）及其同事鄧肯-昆西（Duncan Quincey）和馬克-史密斯（Mark Smith）在冰島完成了一個試驗過程。他們建立了十個監(jiān)控單元，每個單元都由一個 Raspberry Pi 高質(zhì)量相機和一個 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量圖像。這些相機被放置在一個防風雨外殼內(nèi)（這是每個相機裝置中最昂貴的部分），并被設(shè)定為在幾個月內(nèi)按預(yù)設(shè)時間間隔拍攝快照。這些裝置由電池供電，并通過太陽能進行補充，而相機本身的位置則是為了捕捉冰川的線性但重疊的視角。幾個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景。利茲大學(xué)的地理學(xué)家們同時使用無人機對冰川的同一區(qū)域進行了測試，并使用 Metashape 處理了這些結(jié)果。研究小組比較了每個監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)果子集，包括冰川 250 米長區(qū)域的圖像。這次試驗成功后，他們在距離秘魯庫斯科約 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，利茲團隊支持當?shù)匮芯咳藛T對喜馬拉雅冰川崩塌進行新的調(diào)查。在利茲地理學(xué)家所掌握的技術(shù)知識的幫助下，當?shù)貓F隊正在自行開展研究。團隊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施類似系統(tǒng)以應(yīng)對自身挑戰(zhàn)的公民科學(xué)家提供幫助和支持。

利用多個這樣的樹莓派相機單元，研究人員可以

生成冰川的 3D 模型，以測量它們對氣候變化的反應(yīng)

為什么選擇樹莓派？該團隊的要求很簡單：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?shù)亟?jīng)銷商處大量購買，而且非常簡單，只需幾個小時的培訓(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)測站的地區(qū)附近的街頭市場。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?shù)刭徺I。

結(jié)果

這些相機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)的功能強大的相機的無人機所拍攝的效果相比，也超出了所有人的預(yù)期。樹莓派（Raspberry Pi）相機能夠捕捉 3D 冰川圖像，其質(zhì)量與無人機類似，而成本卻大大降低。更妙的是，由于這項任務(wù)對計算能力的要求不高，該系統(tǒng)還可以在超低成本的 Raspberry Pi Zero 上運行。該團隊的研究論文評估了 Raspberry Pi 硬件在冰川監(jiān)測中的適用性，論文將于 2023 年初發(fā)表，可免費獲取，其中介紹了他們的全部研究成果和分析。

樹莓派（Raspberry Pi）照相機裝置可以在原地放置數(shù)月之久，從而可以進行低成本的定時攝影測量，生成三維模型，其誤差公差遠在無人機的精度范圍之內(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，只需要十臺這樣的照相機就能生成這種程度的三維細節(jié)。無人機會受到惡劣天氣的影響，只能在有利條件下飛行，而 Raspberry Pi 相機則不同，它可以在任何天氣下工作，只有在研究人員來取 SD 存儲卡以便分析照片時才需要人工干預(yù)。Raspberry Pi 硬件價格低廉、易于獲得，這意味著一旦完成初步培訓(xùn)，當?shù)匮芯咳藛T就可以迅速組裝更多的設(shè)備。利茲大學(xué)團隊特別希望將這項研究交給當?shù)氐沫h(huán)境研究團隊，讓他們掌握相關(guān)的技能和知識，并對自己的環(huán)境調(diào)查擁有自主權(quán)。進一步擴展監(jiān)測裝置功能的工作仍在繼續(xù)：在尼泊爾，一臺 Raspberry Pis 將與一臺 Raspberry Shake 地震儀和一個麥克風配合使用，以聆聽冰川 “呻吟 ”的聲音。利茲團隊還希望在瑞士-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，保護生命安全。2022 年底，該團隊回到秘魯參加國際氣候峰會，展示他們令人印象深刻的測量研究，并向國家和地方政府表明，這種監(jiān)測可以成為他們適應(yīng)氣候變化的一部分。他們基于樹莓派（Raspberry Pi）的有效而經(jīng)濟的設(shè)置，吸引了秘魯許多政府機構(gòu)和慈善組織的興趣。他們正努力去爭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。