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美國(guó)宇航局(NASA)和美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的科學(xué)家們正在合作測(cè)試用于海洋溢油應(yīng)急響應(yīng)的遙感技術(shù)。
就在加利福尼亞的圣巴巴拉海岸，每天有數(shù)千加侖的石油從海底裂縫中滲出并上升到表面。但這并不是一個(gè)災(zāi)難區(qū)。它是世界上大的自然發(fā)生的石油滲漏之一，據(jù)說(shuō)已經(jīng)活躍了幾千年。
這些滲漏的可靠性使該地區(qū)成為科學(xué)家的一個(gè)重要的自然實(shí)驗(yàn)室，包括那些與海洋溢油厚度(MOST)項(xiàng)目的科學(xué)家，這是NASA和NOAA之間的合作，以產(chǎn)生可操作的自動(dòng)溢油檢測(cè)、石油范圍地理空間繪圖分析和石油厚度表征應(yīng)用。
MOST團(tuán)隊(duì)正在努力為NOAA--檢測(cè)和跟蹤沿海石油泄漏的主要聯(lián)邦機(jī)構(gòu)--開發(fā)一種方法，以利用遙感數(shù)據(jù)不僅確定石油在哪里，而且確定最厚的部分在哪里，這是直接響應(yīng)和補(bǔ)救活動(dòng)所缺少的關(guān)鍵部分之一。該小組最近結(jié)束了在圣巴巴拉的秋季實(shí)地考察活動(dòng)。
“我們正在使用一種叫做UAVSAR的雷達(dá)儀器來(lái)描述浮油內(nèi)的油的厚度，”位于南加州的NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的MOST共同研究者Cathleen Jones說(shuō)。“這種較厚的油在環(huán)境中停留的時(shí)間更長(zhǎng)，對(duì)海洋生物的損害比薄油更大。如果你知道它在哪里，你就可以把反應(yīng)者引向那些有問(wèn)題的區(qū)域。”
NASA的UAVSAR，即無(wú)人駕駛航空器合成孔徑雷達(dá)，附著在一架飛機(jī)的機(jī)身上，收集一個(gè)地區(qū)大約12英里寬(19公里寬)的圖像。但合成孔徑雷達(dá)圖像與其他傳感器獲得的圖像不同。該儀器將雷達(dá)脈沖發(fā)送到海洋表面，反彈回來(lái)的信號(hào)被用來(lái)探測(cè)海洋表面由波浪造成的粗糙度。當(dāng)有油存在時(shí)，它就會(huì)減弱波浪，創(chuàng)造出更平滑的水面區(qū)域。在合成孔徑雷達(dá)圖像中，這些光滑的油性區(qū)域看起來(lái)比周圍的干凈水更暗--油越厚，該區(qū)域看起來(lái)就越暗。
然后，機(jī)載觀測(cè)必須得到驗(yàn)證，這意味著科學(xué)家們必須乘船前往同一地區(qū)，用手測(cè)量油的厚度。
“我們把取樣器，就像一根兩端都開口的管子，放入水中，讓它在那里停留一會(huì)兒，”Ben Holt說(shuō)，他也是MOST的JPL共同研究者。“然后當(dāng)你關(guān)閉管子時(shí)，一小層油和水被收集起來(lái)。在油層沉淀后，你可以測(cè)量油層的厚度，并將其與UAVSAR的觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，看看它們的匹配程度。”
作為另一個(gè)關(guān)鍵的驗(yàn)證層，該船部署了一架攜帶光學(xué)傳感器的無(wú)人機(jī)，它能夠觀察浮油，并在比從船上觀察到的更廣泛的區(qū)域測(cè)量其厚度。
最初，UAVSAR似乎不太可能成為追蹤或描述石油的候選設(shè)備。它是為測(cè)量地球表面的變化而開發(fā)的--例如，在地震或火山噴發(fā)之后。但是在2010年墨西哥灣深水地平線石油泄漏事件中，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的科學(xué)家Elijah Ramsey聯(lián)系了Jones，試圖使用該儀器來(lái)識(shí)別在路易斯安那州海岸的石油。
Jones說(shuō)：“當(dāng)時(shí)的跡象表明，這是不可能的，因?yàn)樵搩x器為此使用的波長(zhǎng)太長(zhǎng)。但我們說(shuō)，‘無(wú)論如何，我們都要試試’。”
她和Holt很高興他們這樣做了。Jones說(shuō)：“你能用UAVSAR看到的東西真是不可思議，因?yàn)樗然谛l(wèi)星的儀器要敏感得多。與典型的衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)儀器相比，UAVSAR對(duì)來(lái)自石油覆蓋區(qū)的低回波更加敏感。因此，我們能夠識(shí)別石油并計(jì)算出存在的石油濃度。”
他們的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)概念證明，并在2012年發(fā)表。在隨后的幾年里，為進(jìn)一步的風(fēng)險(xiǎn)分析和評(píng)估，對(duì)擴(kuò)大這一創(chuàng)新的可行性進(jìn)行了研究。
2018年，與NOAA合作多年的馬里蘭大學(xué)科學(xué)家Frank Monaldo與Jones、Holt以及來(lái)自NOAA、美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)和私營(yíng)部門的團(tuán)隊(duì)合作，此外還有加拿大和挪威的研究人員，共同制定MOST提案。2019年，NASA的災(zāi)害項(xiàng)目選擇了這個(gè)概念進(jìn)行實(shí)施，以減少災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和加強(qiáng)抗災(zāi)能力，為期四年的MOST項(xiàng)目啟動(dòng)。
意外的、現(xiàn)實(shí)世界的部署
當(dāng)MOST團(tuán)隊(duì)準(zhǔn)備出發(fā)進(jìn)行秋季野外活動(dòng)時(shí)，計(jì)劃在10月的第一個(gè)星期一啟動(dòng)，當(dāng)局正在對(duì)加州亨廷頓海灘海岸的漏油報(bào)告作出反應(yīng)--該地點(diǎn)距離圣巴巴拉野外活動(dòng)地點(diǎn)南部?jī)H130英里(209公里)。
MOST團(tuán)隊(duì)的幾位成員很快就參與到了提供漏油數(shù)據(jù)的工作中。本來(lái)是在受控情況下的實(shí)踐活動(dòng)，很快就變成了對(duì)UAVSAR在實(shí)際溢油緊急情況下的效用的真實(shí)世界的測(cè)試。
Jones表示：“這與實(shí)踐活動(dòng)真的不同，因?yàn)槿藗冊(cè)谶M(jìn)行響應(yīng)時(shí)已經(jīng)不堪重負(fù)。但是當(dāng)NOAA得到UAVSAR的數(shù)據(jù)時(shí)，他們用它來(lái)劃定石油，然后他們根據(jù)它發(fā)布了一份海洋污染監(jiān)測(cè)報(bào)告。這是第一次使用機(jī)載儀器的數(shù)據(jù)來(lái)做這件事。”
雖然UAVSAR在這種情況下被證明是有價(jià)值的，但這種部署不能取代用于科學(xué)目的的實(shí)地調(diào)查，因?yàn)樗麄儫o(wú)法用船進(jìn)行測(cè)量。Holt說(shuō)：“我們真的沒(méi)有原地測(cè)量來(lái)進(jìn)行比較。真正的價(jià)值是Cathleen和UAVSAR團(tuán)隊(duì)的其他成員為使UAVSAR數(shù)據(jù)得到處理和上傳，然后被NOAA利用而做出的努力。”
下一步是什么？
盡管UAVSAR在溢油厚度檢測(cè)方面的能力是有用的，但讓飛機(jī)飛過(guò)每個(gè)區(qū)域并不實(shí)際。因此，一旦來(lái)自春季和秋季現(xiàn)場(chǎng)活動(dòng)的數(shù)據(jù)得到驗(yàn)證，它將被用來(lái)訓(xùn)練算法，以便從SAR數(shù)據(jù)中自動(dòng)計(jì)算石油厚度。
UAVSAR是即將到來(lái)的名為NASA-ISRO合成孔徑雷達(dá)或NISAR的衛(wèi)星任務(wù)的原型，該任務(wù)是NASA和印度空間研究組織(ISRO)的合作項(xiàng)目。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，在MOST項(xiàng)目期間開發(fā)的方法和算法也可以應(yīng)用于新任務(wù)的數(shù)據(jù)。
Jones說(shuō)：“這里的想法是，在兩年左右的時(shí)間里，當(dāng)MOST項(xiàng)目結(jié)束時(shí)，我們將有一個(gè)檢測(cè)石油厚度的原型系統(tǒng)，NOAA可以在溢油響應(yīng)期間使用和分發(fā)。通過(guò)NASA與NOAA的合作，我們可以將這些信息傳遞給那些可以實(shí)際使用它的人。”
(原標(biāo)題：NASA和NOAA合作測(cè)試用于海洋溢油響應(yīng)的遙感技術(shù))
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