Zastosowanie bezzałogowych statków powietrznych w naukach o środowisku

Opracowanie: Piotr Sekuła, IMGW-PIB CMM

W ostatnich latach ogromną popularność w różnych dziedzinach gospodarki, w tym również w naukach o środowisku zyskały bezzałogowe statki powietrzne (ang. Unmanned Aerial Vehicles – UAV). Ich wszechstronne możliwości i technologiczne zaawansowanie, otwierają nowe perspektywy w monitoringu, badaniach oraz ochronie środowiska naturalnego.

Bezzałogowe statki powietrzne (drony), w tym szczególnie statki wielowirnikowe, charakteryzują się dużą mobilnością oraz stosunkowo niskim kosztem zakupu i eksploatacji. Drony są w stanie wykonywać prace lotnicze w miejscach niedostępnych lub zbyt niebezpiecznych dla tradycyjnych, załogowych statków powietrznych. Dzięki możliwości przesyłania obrazu wideo w czasie rzeczywistym statki bezzałogowe są odpowiednim narzędziem do monitorowania stanu rzek, jezior, lasów, dokumentowania strat po klęskach żywiołowych, a także koordynacji i wsparcia akcji ratunkowych. Uzupełnienie statku powietrznego o dodatkowe narzędzia takie jak LIDAR (ang. Light Detection and Ranging), kamera multispektralna, czy też kamera termowizyjna umożliwia uzyskanie bardziej zaawansowanych produktów, takich jak ortofotomapa, mapa wskaźnika wegetacji roślin, czy też zdjęć cieplnych w podczerwieni. Wprowadzenie nowych technologii sprawia, że obserwacje i analizy ekosystemów, w tym również obszarów miejskich, stają się bardziej dostępne i precyzyjne.

Konieczność ciągłej obserwacji stanu atmosfery, w szczególności przestrzennej zmienności elementów meteorologicznych przyczynia się do rozwoju meteorologicznych systemów pomiarowych dedykowanych dla bezzałogowych statków powietrznych. Liczne grupy naukowców, w tym również służby meteorologiczne, zajmują się konstruowaniem i testowaniem takich systemów do pomiarów temperatury, wilgotności powietrza, składowych wiatru, turbulencji i wskaźników konwekcyjnych (Jacob i in., 2018; Kezoudi i in. 2021). Światowa Organizacja Meteorologiczna wskazuje, że drony mają realny potencjał do wykorzystania w operacyjnej służbie meteorologicznej, a w perspektywie 5-10 lat mogą stać się jednym z komponentów meteorologicznych systemów operacyjnych (WMO, 2019). Potwierdzeniem tego będzie kampania demonstracyjna o zasięgu światowym zaplanowana na okres marzec-sierpień 2024 r. Głównym celem kampanii będzie zademonstrowanie możliwości UAV (ang. Unmanned Aerial Vehicle) do dostarczania danych o wysokiej jakości do realizacji działań operacyjnych, a także identyfikacja słabych stron takich pomiarów.

Przykład drona z zamontowanym wiatromierzem sonicznym 3D. Źródło: https://ceat.okstate.edu/mae/research/usri/workshop.html

Statki powietrze wyposażone w sensory jakości powietrza bądź system poboru próbek mogą także skutecznie monitorować warunki aerosanitarne w obszarach uprzemysłowionych, terenach zabudowanych, czy też w miejscach wystąpienia klęsk żywiołowych. Dzięki nim możliwa jest szybka ocena stanu środowiska, a także identyfikacja pojedynczych źródeł zanieczyszczeń. Pomiary jakości powietrza w profilu pionowym stanowią unikalne źródło danych niezbędne do analizy transportu zanieczyszczeń zarówno w skali lokalnej jak i regionalnej, ale również w procesie asymilacji danych do numerycznych modeli dyspersji zanieczyszczeń.

Przykład drona z systemem poboru próbek umieszczonym poniżej wysokości śmigieł. Źródło: https://scentroid.com/products/analyzers/dr2000-flying-lab/

Zastosowanie dronów w naukach o środowisku przynosi wiele korzyści, takich jak precyzja pomiarów, dostęp do trudno dostępnych obszarów oraz zminimalizowanie wpływu na środowisko, ponieważ ich działanie nie wymaga wkroczenia na teren badanego ekosystemu. Wciąż jednak istnieją wyzwania techniczne, które wymagają dalszych prac. Istotnym zagadnieniem jest miejsce wykonywania lotów, bezpieczeństwo publiczne, dostępność przestrzeni powietrznej oraz maksymalna wysokość lotu. Kluczowe znaczenie na wykonanie lotu mają warunki meteorologiczne, wśród których należy wyróżnić silny wiatr, wystąpienie porywów, opady atmosferyczne, silna turbulencja, ekstremalne temperatury, czy też oblodzenie statku. Opracowania klimatologiczne wskazują, że warunki sprzyjające do lotów w Europie w ciągu doby stanowią około 50%, a w ciągu dnia zaledwie 20% (Gao i in., 2021). Pewnym rozwiązaniem tego problemu jest zastosowanie dronów bardziej odpornych na zjawiska meteorologiczne, wiąże się to jednak z większymi kosztami finansowymi, a także ograniczoną liczbą dostępnych modeli.

Referencje:

WMO (2022). https://public.wmo.int/en/resources/meteoworld/call-participants-wmo-uncrewed-aircraft-systems-demonstration-campaign [dostęp online 4.08.2023]

Gao, M. Z., Hugenholtz, C. H., Fox, T. A., Kucharczyk, M., Barchyn, T. E. and Nesbit, P. R. 2021. Weather constraints on global drone flyability. Scientific Reports 11.

Jacob, J. D., Chilson, P. B., Houston, A. L. and Smith, S. W. 2018. Considerations for Atmospheric Measurements with Small Unmanned Aircraft Systems. Atmosphere 9, 16.

Kezoudi, M., Keleshis, C., Antoniou, P., Biskos, G., Bronz, M., Constantinides, C. et al. 2021. The Unmanned Systems Research Laboratory (USRL): A New Facility for UAV-Based Atmospheric Observations. Atmosphere 12.

Udostępnij