גישות חדשניות לאיסוף נתונים של Precipitation באמצעות לוויין ו- Uav Synergies

הקדמה: מדוע מידע קדם-תייבש יותר מאי פעם

קדם-החלופה היא הנהג העיקרי של מחזור המים העולמי והשפעות ישירות על החקלאות, אספקת המים, הדור האנרגיה ובטיחות הציבור.מדת המדידה של גשם ושל שלג חיונית לחיזוי מזג אוויר מספרי, שיטפון ובצורת, ו ניטור האקלים ארוך טווח, עם זאת, שיטות קונבנציונליות של מדידה יש מגבלות ידועות.

בשנים האחרונות, השילוב של כלי רכב אוויריים מרוחקים של לווין (UAVs) התפתח כפתרון רב עוצמה להתגבר על המגבלות הללו.לוויינים מציעים כיסוי רחב ומתמשך על פני האוקיינוסים, יערות וטווחי הרים שבהם בתצפיות situ הם בקושי. UAVs, בתורו, לספק רזולוציה גבוהה, על פי דרישה של מיקומים ספציפיים, המציע קשר קריטי בין מחסומים ומציאותיים אלה.

האבולוציה של מעקב טרום-תייבשות: מגשם גאגס לשילוב רב-ממדי

ההיסטוריה של מדידת המשקעים היא סיפור של זיכוך מרחבי וזמני מתקדם.הציוויליזציה העתיקה השתמשה בכלי איסוף פשוטים, ואת מדד הגשם של טיפ-גביט המודרני נשאר תקן למדידות נקודה במאה ה-20, רשתות מכ"ם מזג האוויר שהפכו ניטור על ידי מתן הערכות דו-עוצמה של גשם על פני מאות קילומטרים.

עידן הלוויין החל עם פלטפורמות מאבטחת קוטביות נושאות מחסני מיקרוגל פסיביים, אשר לזהות את הפליטות הטבעיות הרציפים של הידרומטים.המשימה הטרופית של גשם (TRMM), הושקה בשנת 1997, הייתה משימה ציונית המשלבת צלמי מיקרוגל ומשקעים עבור הפעם הראשונה.הרש שלה, משימת הפיקוח הגלובלי (GPM), שהושקה בשנת 2014, והיא מרחיבה את הכיסוי הגבוה יותר לכדי קיבולת של 10 ק"מ"מ- 10-25 שעות נוספות של לוויינים, אך ורק 2-25 שעות נוספות.

טכנולוגיית המל"טים התבגרה במהירות בשני העשורים האחרונים, מונעת על ידי התקדמות בקרים לטיסה, צפיפות אנרגיה סוללה, וחיישנים מיני-מלוטשים. רחפנים עכשיו לטוס באופן שגרתי מתחת לבסיס ענן, להיכנס פירים של משקעים, ומדגימים את האווירה הנמוכה ביותר בהחלטות שחיישנים לווייניים לא יכולים להתאים.היכולת שלהם לעקוב אחר מסלולי טיסה מוגדרים מראש, לרחף מעל נקודות ספציפיות, ולחזור לבסיס נתונים הופך אותם אידיאליים עבור מחקרים ממוקדים של שני משקעים חדשים: פרדיגמה של איסוף נתונים.

טכנולוגיות לוויין למדידת הריון

לווינים מודדים את המשקעים באמצעות מספר שיטות חישה משלימים, כל אחת עם נקודות חוזק וחולשות נפרדות.

אספקת מיקרוגל

חיישנים פסיביים על לווייני קוטבי-אוביטינג לזהות קרינת מיקרוגל הנפלטת על ידי כדור הארץ והאווירה שלו.Over the Ocean, חלקיקי קרח ומים נוזליים בעננים יוצרים חתימה ייחודית של טמפרטורה בהירה שניתן למנוע להעריך את שיעורי הגשמים על פני השטח.Over היבשה, הריריוול מאתגר יותר בשל אי-יציבות פני השטח משתנה, אך אלגוריתמים מודרניים משתמשים במידע רב-ספקטרלי ורקע כדי להפחית את המשקעים אלה כמו רדיו מתקדם (GMRI) כיום.

המונחים: Radars

מערכות מכ"ם Active על לווינים משדרות דופקים מיקרוגל וממדדות את הכוח המוחזר מחלקיקים של משקעים.פרופיל רפלקטיביות המתקבל מאפשר estimation של שיעורי גשם, עם הנחות נוספות על חלוקת גודל טיפות, המבנה האנכי של המשקעים.פרופיל כפול- ⁇ ב- GPM פועל גם ב- Ku-band ו- Ka-band, המאפשר זיהוי שלג ושיפור מחדש של אור עבור ספירת אור סטרילי.

הערות גאורגיות וגלויות

פלטפורמות גיאוסטריות מספקות כיסוי מתמשך של דיסק כדור הארץ קבוע, לכידת האבולוציה של מערכות ענן ב 5-15 דקות מרווחים.תצפיות באדום תרמי (10-12 מיקרומטר) מניבות טמפרטורה בענן, אשר מתואמת עם משקעים באמצעות מערכת היחסים בין גובה הענן לבין תנועה אנכית. בעוד הערכות מבוססות IR הן פחות מדויקות מאשר שיטות מיקרוגל פעיל ופזיזות, רזולוציית הזמן שלהם הופכת אותם הכרחיים למעקב מהיר ומודלים עבור מודלים הידרו-מדומים לתהליכי זמן קצר.

קישור חיצוני:0GPM Mission Index

רחפנים טכנולוגיות ל-Precipitation Measurement

מל"טים מביאים קבוצה ייחודית של יכולות להתבוננות במשקעים.בניגוד לווייני לוויינים, הם טסים בתוך או רק מתחת לשכבת הענן, איסוף במדידות ישיבה ונתונים מרוחקים ברזולוציה גבוהה בדיוק היכן שתהליכים אטמוספריים מתפתחים.

סוגי פלטפורמה ואופיינים ביצועים

(ב) ,0) רחפנים היברידיים של UAVsFIRLT:1 מציעים סיבולת ארוכה (שעות קבועות), מהירויות גבוהות יותר (עד 100 ק"מ / שעה), ואת היכולת לכסות מרחקים אופקיים גדולים בטיסה אחת.הם מתאימים היטב לכיסוי פני מזג אוויר, מדידה של משקעים הרים, וביצוע סקרים שיטתיים על פני מים:2Multiro 3:2multi) קיבולת אווירית, כולל שינויים אנכיים, כגון ריצוף אווירי, כולל ריצוף, כולל ריצוף, ו- off, כולל ריצוף, ו- off, כולל ריצוף, כולל ריצוף אווירי, כולל ריצוף, כולל שינויים אנכיים, כולל משקעים, ו- off, כולל ריצוף, כולל ריצוף, כולל משקעים, כולל משקעים, ו- off, ו- off, משקעים, ו- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off- off-to- off- off- off- off

מיני-רכבים מיוחדים עבור רחפנים

(הופנה מהדף קומפקטי, חיישנים קלים פותחו במיוחד עבור פריסת UAV:0Optical disdrometers FLT:1 ספירה וגודלם של גשמים כפי שהם עוברים דרך גיליון לייזר, מתן התפלגות בגודל טיפות בגובה 1-II) מעל 1-2 ק"מ; FLT:2RadiosondesFLT 3, אשר מבוצעת על ידי מדדי מאגרים, לחות, לחץ, ושרירים, אשר משמשים פחות מ-Fertrarin.

יתרונות תפעוליים על רשתות מבוססות קרקע

מל"טים ממלאים פערים תצפיתיים קריטיים באזורים שבהם רשתות מסורתיות נעדרות או מחוסמות.באירועים מבולשים, ניתן לשגר מל"טים תוך דקות כדי לטוס מעל האזור המושפע, sampling גשמים ותפוצה מרחבית ישירות מעל המלכודת.יכולות אלה בעלות ערך במיוחד במדינות מתפתחות ואגן הרים מרוחק שבו תחנות קבועות הן גם להימנע מחסימת הדימום ומשטח הקרקעי שכמעט 100 מטרים מתחת לפני השטח הנמוך ביותר, למעט מקרקעות.

קישור חיצוני: 0 (UAV-based Precipitation Measurement: A ReviewFillo 1:0)

גישות סינרגיסטיות: כיצד לוויינים וכטב"טים עובדים יחד

השותפות בין לווינים וכטב"מים אינה רק תוספת; כל פלטפורמה משפרת את הערך של השני באמצעות קיטוב הדדי, פערים, הבנה תהליכים.

אימות של Satellite Retrievals עם אמת קרקעית

אתגר מתמשך במדעי המשקעים הלווין הוא חוסר נתונים אימות באיכות גבוהה בשטח heterogeneous ועל האוקיינוסים. במדפי גשם של situ הם חסונים מדי כדי ללכוד את הרגישות כי פיקסלים לווייניים למעשה למדוד. רחפנים יכולים להיות מעוטים transects כי דגימות כל טביעת הרגל של פיקסל לווייני, מתן יעד משולב מרחבי, לדוגמה, UAV נושאת שלושה דיסאומטרים אופטיים יכול להעריך מחדש של פחמן אמיתי של פחמן בגודל של פחמן כפול של פחמן, אז, 000 של פחמן כפול של פחמן אמיתי, 000 של פחמן, 000 של פחמן, 000 של טביעת רגל אמיתי, 000 של פחמן כפול של פחמן כפול של פחמן, 000 זה יכול לייצג את טביעת רגל של פחמן כפול של פחמן כפול של פחמן כפול של פחמן כפול של פחמן, 000 זה יכול לייצג את טביעת רגל אמיתי של פחמן, 000 של פחמן כפול של פחמן דו-עשר פעמים, 000 של פחמן כפול של פחמן דו-חמצני, 000 של פחמן דו-חמצני, 000 זה יכול לייצג את טביעת רגל אמיתי של פחמן כפול של פחמן דו-חמצני יכול לייצג את טביעת רגל אמיתי של פחמן כפול של פחמן כפול של פחמן כפול של פחמן כפול של פחמן כפול של פחמן כפול של אטומים של פחמן כפול של פחמן כפול של פחמן דו-עשר פעמים, 000 זה יכול להיות

« « « « ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

גלימות מיקרוגל פסיביות על פני הקרקע מסתמכות על מודלים מורכבים פליטה המשלבים טמפרטורת פני השטח, צפיפות צמחייה, ולחות אדמה. פרמטרים אלה הם משתנים מאוד ידועים באזורים רבים. מל"טים מצוידים בתרמומטרים אינפרא אדום וחיישנים לחות הקרקע יכול לספק מדידות מקריות לאורך מסלול הלווין overpass, שיפור הדיוק של מודל הרקע ולכן הגישה הזו הודגמה בכבדות למחצה ואווירה עונתית תאים, שבו יש רמות מיקרוגל משמעותיות.

מילוי פערים טמפליים וספאטיים

לווינים חוזרים למיקום נתון במרווחים החל מ 3 שעות (GPM קונסטנטינוס) עד 12 שעות (מסלול הקוטבי של ציר) ל-30 דקות (הגילה IR) ניתן לפרוס באופן רציף במהלך אירוע משקעים, מתן השלכות תת דקות כי פותר את היקף הראייה של ריקנות בקנה מידה קנס המפספס על ידי לוויינים. כאשר תמונה מראה משקעים אבל זה הוא קרוב ביותר ל 50 ק"מ, במיוחד כדי לפקח על יכולת ניטור זעירה או אפילו לאינטוגרפיה.

טכניקות אינטגרציה נתונים עבור לוויינים-UAV Fusion

תצפיות מפלטפורמות עם החלטות מרחביות שונות וזמניות שונות מאוד הוא אתגר טכני משמעותי.כמה שיטות חזקות פותחו כדי לייצר משקעים חלקה מלוויינים ו- UAV.

מכונות למידה מחדש מודלים

יער אקראי, ⁇ להגביר, מודלים רשת עצבית מאומן על זוגות היסטוריים של רדיונים לווייניים ושיעורי גשם מאוישים UAV-derived.המודלים לומדים את מערכות היחסים המורכבות, הלא ליניאריות בין אותות לווייניים רב-ספקטרום לבין משקעים על פני השטח, ביעילות מקטין את המוצר הלווין לפתרון של רחפנים Transect. כאשר מאומן על נתונים גדולים מאזורים גליליים מגוונים, מודלים אלה יכולים לייצר משקעים ברזולוציה של 1 ק"מ"מ, בעוד שלוכדים מקומיים נתפסים, בעודם, כאשר הם נמצאים תחת רזולוציה גדולה של רחפנים גדולים של רחפנים, כאשר הם נמצאים על ידי לוויינים גדולים של רחפנים גדולים של רחפנים גדולים של לוויינים גדולים של רחפנים גדולים של לוויינים גדולים של רחפנים, כאשר הם נמצאים על ידי לוויינים גדולים של לוויינים גדולים מאזורים שונים של לוויינים גדולים של לוויינים מקומיים.

אינטראקציה גיאוסטיסטית עם ד"ר

קו-קלינג והקפדה עם סחף חיצוני הם שיטות גיאוסטאלי סטנדרטיות המשלבות שדה רקע לוויין חלק עם מדידות נקודה מכטב"טים.המוצר הלווין משמש כמגמה (Drift), בעוד תצפיות UAV מספקות עדכונים שאריות שאריות שאריות במיקומים המדויקים שלהם.השיטה מפלט רציף עם אי ודאות מכוונת (השקה), אשר הוא בעל ערך לקביעת הסיכון להחלטת החקלאות והדירולוגיה.

מידע על אסטיביזציה

Ensemble Kalman מסננים ופילטרים חלקיקים מתבוללים לוויין ו- UAV נתונים למודל דינמי של לחות אטמוספירית ותהליכי משקעים.מודל propagates קדימה בזמן, וכל תצפית חדשה מעדכנת את מצב המודל לפי אי הוודאות היחסית שלו.שיטות Bayesian מטפלות באופן טבעי במאפיינים השונים של כל פלטפורמה ומייצרות הערכה עקבית של זמן.

יישומים ברחבי המגזרים

הגישה המשולבת של לווייני-UAV יש פוטנציאל טרנספורמטיבי במספר תחומים בעלי השפעה גבוהה.

חקלאות וניהול חומרים

תאימות קדם היא מקור עיקרי של סיכון לייצור יבול. מוצרי לוויין לספק ההקשר האזורי עבור זוועות גשם עונתי, בעוד רחפנים מעל שדות חקלאיים לספק את הנתונים ברזולוציה גבוהה הדרושים כדי לקבוע השקיה, תוכנית נטיעה, והערכה תשואה.בחקלאות מדויקת, מל"טים למדוד ממש את הגשמים בקנה מידה שדה, לזהות מקלחות בקנה מידה קטן היקף כי בצורת ממוצע פיקסלים לשימוש פיקסלים ולהפחית את צריכת מים יעילה.

חיזוי ותגובה חירום

הצפות במלכודות קטנות ובינוניות קשה לחזות בשל התגובה המהירה של שטח תלול וחוסר נתונים גשם של כרוב. היתוך לווייני-הטיס מאפשר estimation של משקעים מצטברים על פני אגן הזרם, האכלה למודלים הידרולוגיים שמצינים אזהרות עם זמני עופרת של דקות עד שעות.

פיקוח אקלים ומודל

מודלים אקלים דורשים תצפיות משקעים אמינות עבור הערכה ותיקון הטיה.מרכז הגלובלי של Precipitation Climatology (GPCC) והנתונים דומים תלויים במידה רבה ברשומות לוויין הממוזגות עם רשתות מד.AVs יכול להשלים את הרשתות האלה באזורים נפרדים נתונים כגון אמזון, אגן קונגו, ואת רמת הטיבטית, מתן אימות קריטי עבור רשומות נתונים מבוססי אקלים לטווח ארוך יכול לזהות מקומות קיצוניים, שינויים אקלים, ואפקטים קיצוניים, ואפקטים קיצוניים כי הם השפעות אקלים, ואפקטים קיצוניים, ואפקטים קריטיים קיצוניים.

כוח הידרואלקטרי ופעולות Reservoir

מפעילי כוח הידרו לנהל מאגרי מידע המבוססים על זמן אמת וחיזוי משקעים באגן הזרם. היתוך לווייני-UAV מספק את שדה המשקעים ברזולוציה גבוהה הדרושים כדי לייעל את ייצור החשמל תוך שמירה על יכולת אחסון הצפה.במים הרריים שבהם שלג ומעברי גשם הם מדדים בצורה גרועה, המל"טים מספקים פרופילים אנכיים של גשם מול גשם, שיפור תחזיות השלג במהלך אירועי שלג וגשם.

יישום מעשי: ביצוע סינרגיות של לווין

למרות הבטחתו, אימוץ נרחב של ניטור משקעים לווייניים של רחפנים עומד בפני כמה מכשולים מעשיים.

העברת נתונים ו- Latency

נתונים של לווין זמינים לעתים קרובות בתוך 3-6 שעות של רכישה (near-real-Time) באמצעות מערכות שידור ישירות. רחפנים נתונים, בניגוד לכך, הוא בדרך כלל התאושש לאחר הטיסה מסתיימת. עבור יישומים בזמן אמת, עיבוד על לוח ו- סלולארי / סליטה קישורים נדרשים כדי לייעל תצפיות משקעים של מל"ט למרכז החיזוי בעוד המטוס הוא עדיין אווירי מחשוב והודעות נמוכות של נתונים הם מצמצם בהתמדה את מחסום זה.

טיסות ו-Reulatory Constraints

מל"טים מעופפים במשקעים דורשים חסימת מזג אוויר חזקה, במיוחד עבור פלטפורמות מרובות של ריבוי חומרים שחסרים את המעלית כדי לשפוך קרח.מעבר קו הראייה הראייה (BVLOS) פעולות עדיין מוגבלות במדינות רבות, הגבלת היקף המרחבי של סקרי מל"טים.עם זאת, פטור למחקר מדעי ותקנות BVLOS מתעוררות מרחיבות מעטפות טיסה.

עיבוד נתונים קוויים וסטנדרטים

נתוני לוויין ו- UAV דורשים פורמטים סטנדרטיים של קבצים, מוסכמות metadata, ותהליכי בקרת איכות.קהילת הידרומטאורולוגיה אימצה את ה-CF (Climate and Forecast) ואת פורמט NetCDF למוצרי משקעים לווייניים, אך נתוני UAV מועברים לעיתים קרובות בקבצי קוד-ספק ספציפיים. Open-sourcekits כגון מסגרת נתונים ללא תשלום ו-OGC Analytics Sensoring חיישנים מותאמים לשילוב זה, המאפשרים של עבודה חלקה.

כיוונים עתידיים

העשור הבא יראה התקדמות משמעותית הן ביכולות הלווין והן בכטב"מ, יחד עם שילוב הדוק יותר בין השניים.

רחפנים אוטונומיים סווממים מתאמת עם תצפיות לוויין

ציים של מל"טים מתואמת יגיבו באופן אוטונומי לתכונות משקעים שזוהו.כאשר לוויין גיאוגרפי מזהה תא חזק גדל במהירות על אזור של נתונים, זה יפעיל את ההשקה של חתך של מל"טים מתחנת בסיס סמוך.המל"טים טסו טרנזיטים כדי לטעום את הליבה של הסערה, שוליים, זנב, ושיפור בהתאמות בזמן החיזוי, לאחר העדכונים הבאים ייפולקו לתוך מחזור הנתונים.

קונסולות לוויין קטנות להחלטת טמפל גבוהה יותר

ההתקדמות בקוביתש וטכנולוגיה לווינית קטנה מאפשרת קבוצות של עשרות או אפילו מאות חיישנים של משקעים.פלטפורמות קטנות אלה זולות יותר לבנות ולהשיק מאשר לווינים קונבנציונליים, ומאפשרות לחזר את הזמנים של 15-30 דקות ברחבי העולם. קבוצה צפופה של לווינים קטנים הפועלים בקונצרט עם רחפנים תספק מעקב צמוד למשקעים, המתקרבים לרזולוציה של מכ"ם, אך עם כיסוי עולמי.

עיבוד נתונים חכמים ו-Picedine

מעבדי Edge ב- UAVs יפעילו גרסאות קלות משקל של אלגוריתמי למידת מכונה הממזגים פרמטרים ענן מודרנים עם מדידת חיישן בזמן אמת.זה יאפשר ל- UAV לקבל החלטות חכמות לגבי איפה לטוס, מתי לפרופיל, ואשר מדידות לעדיפות, כל זאת מבלי לדרוש תקשורת קבועה עם תחנת קרקע.

ניכוי עלויות ודמוקרטיזציה

ככל שעולה החיישן נופלת ו- Opensource פלטפורמות מל"טים פרו-חיים, ניטור משקעים לווייני-UAV יהיה נגיש למדינות מתפתחות, קבוצות מחקר באוניברסיטה וארגונים לניהול מים מבוסס קהילה.דמוקרטיזציה זו תמלא פערים תצפיתיים גדולים בטרופיים הגלובליים ובסובטרופיים, שבו למשקעים יש את ההשפעה הגדולה ביותר על פרנסות האדם.

קישור חיצוני:0 (NASA Small Satellite Missions ProgramveFLT:1)

מסקנה

החיזוי הוא המשתנה המטאורולוגי הבולט ביותר לניהול משאבי מים, אבטחת מזון והפחתה באסון.שילוב של תצפיות לוויין ו- UAV מייצג שינוי פרדיגמות ביכולת שלנו למדוד אותו בקנה מידה שחשוב שרוב הלוויינים לספק את הנוף הגלובלי, לכידת הארגון בקנה מידה גדול של מערכות מזג אוויר ולספק נתונים עקביים לאורך עשרות שנים.

הדרך קדימה דורשת השקעה מתמשכת בשתי הפלטפורמות, כמו גם באלגוריתמים של היתוך נתונים, תשתיות תקשורת ומסגרות רגולטוריות התומכים בשימוש המתואם שלהם.אבל היתרונות ברורים: תחזיות מזג אוויר מדויקות יותר, אזהרות מצפות טובות יותר, לוחות זמנים השקיה מותאמים להתאמה, והבנה עמוקה יותר של איך שינוי האקלים מעצב מחדש משטרי משקעים ברחבי העולם.

קישור חיצוני:0 (WMO Report on Satellite-UAV Synergies in Precipitation ObveFLT:1