降低3D冰川建模成本的树莓派相机与计算机解决方案

利兹大学的研究团队正在对秘鲁的凯尔卡亚冰帽进行监测，这是全球仅存的几个热带冰帽之一。经过在欧洲的成功试验后，利兹大学地理学院正在安第斯山脉和喜马拉雅山脉应用树莓派计算机和高品质相机，建立一种低成本且可持续的冰川退化预警系统。

利兹大学地理学院： https://environment.leeds.ac.uk/geography

冰川后退与融化的速度正以惊人的速度加快，这已成为气候变化显著的标志之一。美国国家航空航天局（NASA）的研究显示，冰川和冰原融化所导致的水量增加，以及海水因温度上升而膨胀，是海平面上升的主要原因。

因此，多项关键研究正密切监测极地地区的变化速度。其中包括 Arribada 和企鹅观察项目，它们利用树莓派相机对特定地区进行长期的时间延迟拍摄，以测量冰层、冰山分布以及野生动物种群随着季节的变化。然而，关于大陆冰川的萎缩研究仍然较少，主要因为这些冰川的地理位置偏远。由讲师利亚姆·泰勒（Liam Taylor）领导的利兹大学地理学院冰川崩塌研究项目团队正致力于这方面的研究。

研究挑战

为了有效监测冰川的变化，必须在进行详细实地调查的同时，对冰川地貌及环境变化进行更广泛的观察。这就是三维扫描和时间延迟摄影能够发挥作用的地方。然而，尽管市场上存在很多强大的时间延迟摄影机和环境监测系统，其高昂的成本却使得许多研究项目无法承受。正如泰勒所言：“事实上，大多数冰川都位于秘鲁、尼泊尔和印度等地区。”

这些地区的居民通常面临粮食安全风险，一旦冰川崩塌引发洪水等自然灾害，他们的家园将受到严重威胁。泰勒指出：“我们正与当地原住民社区合作，他们的居住地距离洪水等风险源有数百米。”

这个项目的关键在于能否开发出有效的监测技术。他的团队希望创建一种预警系统，以监测冰川崩塌可能引发的洪水风险。利兹团队将研究重点放在冰川上，因为“冰川消退的速度比以往任何时候都快，与之相关的风险也在不断增加，越来越多的人受到影响。”

考虑到利兹团队的一个目标是为发展中国家的社区提供支持，因此将项目成本控制在100英镑以下是优先事项。

树莓派系统监测秘鲁维尔卡诺塔山脉奎尔卡亚冰帽的冰层后退情况

解决方案

利兹大学的利亚姆·泰勒（Liam Taylor）与同事邓肯·昆西（Duncan Quincey）和马克·史密斯（Mark Smith）在冰岛完成了一项试验。他们建立了十个监控单元，每个单元由一个Raspberry Pi高质量相机和一个Raspberry Pi Zero W组成，以创建菲亚尔斯约库冰川的摄影测量图像。这些相机被放置在防风雨外壳内（这是每个装置中最昂贵的部分），并被设定在几个月内按预设时间间隔拍摄快照。装置由电池供电，并通过太阳能进行补充，相机的布置旨在捕捉冰川的线性但重叠的视角。几个月后收集到的照片通过Agisoft Metashape软件处理，生成逼真的三维场景。利兹大学的地理学家们同时使用无人机对同一区域进行了测试，并应用Metashape处理这些结果。研究小组对每个监测系统的结果进行了比较，包括冰川250米长区域的图像。在试验成功后，他们在距秘鲁库斯科约50英里的科迪亚维尔卡诺塔安装了基于树莓派的监测设备，该地区有一系列冰川。此外，在一万多英里外的印度和尼泊尔，利兹团队也支持当地研究人员对喜马拉雅冰川崩塌进行新的调查。在利兹地理学家的技术支持下，当地团队正在自主开展研究。该团队希望他们的工作能惠及尽可能多的人，并将系统保持开放源代码，始终致力于帮助任何希望实施类似系统的公民科学家。

通过多个这样的树莓派相机单元，研究人员能够

生成冰川的3D模型，以测量其对气候变化的响应

为什么选择树莓派？

团队的需求非常简单：他们需要低成本、易于获取的硬件，这些硬件可以在当地经销商处大量购买，并且只需几小时的培训即可安装。利亚姆和同事们考察了他们希望建立冰川监测站的地区附近街头市场，发现树莓派（Raspberry Pi）计算机和摄像头完全符合需求，可以以传统硬件成本的一小部分在当地购买。

研究成果

这些相机所拍摄的效果令人惊叹，甚至超过了许多配备专门监控设备的无人机所拍摄的图像。树莓派相机能够捕捉3D冰川图像，质量与无人机相媲美，但成本大幅降低。此外，由于任务对计算能力的要求不高，该系统还可以在超低成本的Raspberry Pi Zero上运行。团队的研究论文评估了Raspberry Pi硬件在冰川监测中的适用性，论文将于2023年初发表，供公众免费获取，其中介绍了他们的全部研究成果和分析。研究论文链接：https://nhess.copernicus.org/articles/23/329/2023/

冰岛菲亚斯约库尔冰川的树莓派相机图像。

该地点的结果证明了该系统的概念，目前已在秘鲁和尼泊尔得到应用

树莓派相机装置能够在现场持续几个月，进行低成本的定时摄影测量，生成三维模型，其误差公差远低于无人机的精度：令人印象深刻的是，在1.5公里的距离下，平均误差小于一米，仅需十台这样的相机便可生成如此精细的三维细节。无人机受到恶劣天气影响，只有在有利条件下才能飞行，而树莓派相机则可在任何天气条件下工作，仅需在研究人员前往取出SD存储卡进行照片分析时进行人工干预。由于Raspberry Pi硬件价格低廉、易于获得，一旦完成初步培训，当地研究人员便可迅速组装更多设备。利兹大学团队特别希望将这项研究交给当地的环境研究团队，让他们掌握相关技能和知识，对自己的环境调查拥有自主权。团队还在继续扩展监测设备的功能：在尼泊尔，一台Raspberry Pi将与一台Raspberry Shake地震仪和一个麦克风结合使用，以聆听冰川的“呻吟”声。此外，利兹团队希望在瑞士和意大利阿尔卑斯山冰川崩塌事件高发区布置传感器，以便提前发出预警，保护生命安全。2022年底，该团队回到秘鲁参加国际气候峰会，展示他们令人印象深刻的测量研究，并向国家和地方政府表明，这种监测可以成为他们应对气候变化的重要组成部分。他们基于树莓派的有效而经济的设置吸引了秘鲁许多政府机构和慈善组织的关注，正在努力争取更多资金投入到社区中，以便将资源用于这些已被证明有效的树莓派工具。