지구과학

지구과학 연구의 드론: 유일한 한계인 하늘
드론이 혁신적 응용을 통해 지질학 연구와 산업에 진출하는 6가지 방법이 여기에 있다. 디지털 시대에 지구의 공정을 감시하는 우리의 능력은 급격히 증가하여 수문학에서 화산학, 대기과학에 이르는 분야에서 지구의 역동적인 행동을 관찰할 수 있는 새로운 기회를 제공한다. 지구 표면을 이미징하고 샘플링하는 최근의 혁명은 무인항공기, 원격 조종 항공기 또는 구어체 드론으로도 알려진 무인 항공기 시스템을 포함한다. 드론은 다양한 모양, 크기, 플랫폼으로 나온다. 여기에는 센서, 카메라 및 샘플링 장비를 포함하여 다양한 유형의 페이로드 운반에 사용할 수 있는 몇 가지 다른 설계(단일 로터, 멀티로터, 하이브리드 및 고정 날개 플랫폼)가 포함된다. 더 중요한 것은, 드론이 현재 2, 3, 4차원의 동적 과정을 평가하기 위한 광범위한 목표를 향해 적용되어, 지구 표면 전체에 걸쳐 고품질 관측을 신속하게 수집하는 우리의 능력에 혁명을 일으키고 있다는 점이다. 광범위한 연구자들이 여러 가지 독특하고 혁신적인 애플리케이션에서 일련의 드론 플랫폼과 센서 또는 샘플러를 사용함에 따라 지질학계는 하늘을 찌르고 있다. 새로운 센서 기술과 함께 드론 기술의 개발은 드론이 단지 지구 표면 이미저로서만 사용될 수 있는 길을 열어주고 있다. 이것은 지구과학 연구의 가능성의 세계를 열어준다.
드론이 지구과학 연구와 환경 모니터링을 혁신하는 6가지 방법
지질학 문헌에 대한 리뷰를 보면, 드론이 현재 여러 분야에 걸쳐 몇 가지 목표를 향해 적극적으로 적용되고 있다는 것을 알 수 있다(그림 1). 최근 세대의 드론은 인상적인 다양한 이미지, 물리적 샘플, 시놉틱 측정 등을 수집할 수 있는 센서와 샘플링 장비를 탑재할 수 있어 특히 다재다능하다.
드론이 새로운 관찰 경로를 밝히는 여섯 가지 방법은 다음과 같다.
1. 드론은 지형을 특징으로 한다. 최근 몇 년 동안 드론은 2-D 영상이 3-D 지형 표면으로 변형되는 모션(SfM)에서 구조로 알려진 사진 측정 기법을 점점 더 보조하고 있다(그림 2). 이 기술은 빙하 표면의 작은 물길과 같은 미세한 지형적 특징을 식별하는 것은 물론 기존의 지형 데이터를 증강하는 데 사용될 수 있는 고해상도 지형 이미지를 제공한다. 리핀 등의 연구에서. [2015], SfM 기술은 드론 이미지를 사용하여 스발바르 빙하 하류에 걸쳐 고해상도 디지털 고도 모델을 제작했다. 그 팀은 그 모델을 사용하여 얼음 표면의 거칠기를 변화시키는 작은 채널을 식별했다. 거칠기는 에너지 교환을 변화시키기 때문에, 이 연구의 결과는 빙하의 에너지 균형을 이해하는 데 영향을 미친다.SfM은 리다 등 기존 조사 방식에 비해 상대적으로 저렴하며, 고해상도 디지털 고도 모델(DEM)을 제작하기 위해 이미지 후처리 및 개발에 사용할 수 있는 기성 소프트웨어와 함께 사용할 수 있다.
2. 드론은 위험하거나 접근하기 어려운 지역을 평가한다. 드론은 특히 위험하거나 걸어서 도달하기 어려운 위치에서 이미지나 측정을 획득하는 데 유용하다. 하나의 초기 예에서 맥고니글 외 연구진. [2008] 라 포사 분화구(이탈리아 볼카노) 내에 분광계 및 전기화학 센서가 장착된 쿼드콥터를 사용하여 화산 가스 측정을 획득했다. 이 연구는 화산학의 쿼드콥터 사용과 이산화탄소 유량을 측정하고 분화 예보를 강화하는 능력을 벤치마킹했다. 다른 예에서는 Brownlow 등. [2016] 열대 배경 메탄 농도를 특성화하기에 이상적인 위치인 남대서양 Ascension 섬에 메(CH4) 역학 위와 아래 모두에서 메탄(CH4) 역학을 감시하기 위해 옥토콥터를 배치했다. 이 팔각류들은 평균 해발 2,700미터의 고도에서 메탄을 채취하면서 높은 고도에서 작동했다. 그 후 연구원들은 관측된 공기 화학물질을 사용하여 다양한 고도에서 공기 질량의 근원을 나타내는 화학적 서명을 기술했다. 연구는 궁극적으로 드론을 통한 대기 모니터링이 표면에서 샘플링함으로써 종종 놓치는 공간적 복잡성(예: 공기 기둥)을 드러낼 수 있다는 것을 입증했다. 또 다른 혁신적인 애플리케이션에서 Ore 등. [2015] 강과 호수에서 물 표본을 채취할 수 있는 쿼드콥터를 설계하고 배치하였다. 이들 연구진은 호수와 수로에서 90여 차례 임무를 수행하는 동안 적당한 바람 조건에서 200밀리터 물 시료 3개를 채취할 수 있는 시스템을 성공적으로 적용했다. 그러한 노력은 기름 유출과 같은 환경 위험이나 재해를 감시하고, 수인성 질병을 추적하고, 멀리 떨어진 장소를 샘플링하는 흥미진진한 길을 제시한다.
3. 드론 영상 과도 이벤트 드론은 단기간 동안만 발생할 수 있는 생태계 및 경관 반응의 예인, 영양분 꽃, 침전물 플럼(그림 3) 및 홍수를 매핑하는 데 이상적이다. 스펜스와 멩기스투[2016]는 세인트루이스에서 간헐적 스트림 네트워크를 식별하기 위해 드론을 사용하는 방법을 시연했다. 저자들은 또한 좁은 간헐천에 대한 드론 기술화가 다중 스펙트럼의 SPOT-5 위성사진(10m 해상도)으로 꾸준히 기술력을 능가한다는 사실을 발견했다. 실제로 드론 이미지에 대한 SPOT-5 기술 훈련은 분류 정확도를 향상시키지 못했으며, 고해상도 드론 이미지는 비교적 미세한 규모로 충적역학의 연속 영상을 캡처할 수 있는 몇 안 되는 도구 중 하나일 수 있음을 시사했다.
4. 드론은 위성과 지상 이미지를 문맥화한다. 위성 데이터 제품의 확산과 함께 드론 수집 데이터와 위성 이미지 간의 비교는 다중 공간적 규모로 수집된 데이터를 조정할 수 있는 길을 제공한다. 이 중첩 접근법은 Di Mauro 등이 사용했다. [2015] 광물질 먼지와 같은 불순물이 유럽 알프스에서 눈 복사 특성을 어떻게 변화시킬 수 있는지 검토한다. 눈 시료채취, 쿼드콥터 드론을 이용한 적녹청색 영상, 랜드샛 8 영상 등을 조합해 눈알베도에 미치는 눈 불순물의 영향을 보여주는 지역 및 지역 지도를 제작했다. 이러한 불순물은 많은 공간적 규모로 눈 표면 에너지 교환에 직접적으로 영향을 미치기 때문에, 이러한 연구자들의 연구 결과는 눈 표면과 에너지 교환 사이의 잠재적 피드백을 매핑하는 것뿐만 아니라 기후 모델링에도 유용하다.
5. 드론 이미지는 컴퓨터 모델을 검증한다. 드론 수집 데이터는 또한 모델 입력을 제한하거나 지리학 전반에 걸쳐 다양한 분야에서 모델 시뮬레이션과 데이터를 비교하는 데 사용되었다. 한 가지 성장하는 애플리케이션은 층층의 공간 모델링이다. 드론은 최근의 두 연구에서 증명된 바와 같이 지구 과정의 공간 패턴에 대한 평가에 혁명을 일으킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. Nieminski와 Graham [2017]은 뉴질랜드의 Miocene East Coast Basin에서 접근하기 어려운 아웃크롭의 특성을 나타내기 위해 계층 구조 모델링에 대해 설명한다. 그들은 3-D SfM이 2-D 시각적 이미지와 함께 어떻게 연구와 강의실 모두에 유용한 해석을 가능하게 할 수 있는지를 보여준다. 드론은 모형 입력을 만드는 데도 흔히 사용된다. 비보니 외 [2014] 드론을 통해 수집된 미세한 규모의 데이터가 분산 수문학적 모델을 생성하는 데 특히 유용할 수 있음을 입증했다. 저자들은 공간적으로 분산된 유역 모형에 대한 입력으로 사용된 약 1 센티미터에서 1 미터까지의 해상도에서 식생 분류의 고도 모델과 지도를 포함한 몇 가지 다른 드론 유도 데이터 세트를 설명한다. 그러한 애플리케이션은 해상도가 10m 이상인 입력을 원하지만 아직 존재하지 않을 수 있는 장소에서 유용할 수 있다.
6. 드론은 세상을 더 나은 곳으로 만든다. 연구 세계를 넘어, 드론 혁명은 전 세계의 많은 일상적인 인도주의적이고 환경적인 어플리케이션으로 넘쳐나고 있다. 워싱턴주 시애틀에 본사를 둔 드론시드는 제초제로 침입식물을 통제하기 위해 기성 드론 떼를 활용하고 있다. 드론을 활용해 나무 심기에 이상적인 미세한 하비타트 현장을 파악하고, 생분해성 종자포드를 배치하고, 침습성 식생 성장을 제한해 나무 개발을 보호한다는 목표다. 그들은 같은 일을 도보로 수행하는 데 필요한 인력의 극히 적은 인력으로 험한 지형의 넓은 지역을 환원하려고 한다. 한편, 환경 보호론자들은 드론을 이용하여 취약하거나 위협받거나 멸종 위기에 처한 종들을 보호하고 있다. 예를 들어 비영리단체인 가죽백 트러스트는 전문직 종사자들이 거북이를 따라 걸어서 둥지를 식별하는 대신 둥지를 찾아 관찰할 수 있도록 드론을 통해 바다거북을 추적하고 있다. 그리고 훨씬 더 많은 용도가 있다. 예를 들어, 최근 미국 남부에서 허리케인 재해가 발생한 후, 인프라 손상 평가뿐만 아니라 수색 및 구조 작업에도 드론이 사용되었다.

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