抽象

湖泊管理需要評估熱分層和系統(tǒng)監(jiān)測水溫。水溫曲線分析需要通過水柱進行溫度測量，以評估影響氧氣含量，微生物生長和魚類分布的熱分層水平。這項研究的目的是開發(fā)和評估安裝在多旋翼無人機（UAV）上的水溫分析系統(tǒng)的功能。安裝在無人機上的浮力設(shè)備允許垂直起飛和降落在水面上進行原位測量。與無人機集成的傳感器節(jié)點由一個微控制器單元，一個溫度傳感器和一個壓力傳感器組成。該系統(tǒng)使用自動導(dǎo)航和自動駕駛控制功能，從湖泊中七個預(yù)先選擇的位置測量了水溫和水深。在無人機以2 m / s的速度下降直到降落在水面上之前，以100毫秒的間隔進行測量。根據(jù)測量結(jié)果，創(chuàng)建了每個位置三個連續(xù)深度的水溫圖。0.3 m處的平均地表水溫為22.5°C，而4 m深度處的平均水溫為21.5°C。開發(fā)的基于無人機的配置文件系統(tǒng)成功執(zhí)行了湖泊內(nèi)的自主水溫測量。0.3 m處的平均地表水溫為22.5°C，而4 m深度處的平均水溫為21.5°C。開發(fā)的基于無人機的配置文件系統(tǒng)成功執(zhí)行了湖泊內(nèi)的自主水溫測量。0.3 m處的平均地表水溫為22.5°C，而4 m深度處的平均水溫為21.5°C。開發(fā)的基于無人機的配置文件系統(tǒng)成功執(zhí)行了湖泊內(nèi)的自主水溫測量。

1.簡介

評估湖泊水的理化參數(shù)對于湖泊管理和水質(zhì)監(jiān)測至關(guān)重要。水溫是對水化學(xué)有重要影響的物理化學(xué)參數(shù)之一。水溫的變化會觸發(fā)水體中的幾種現(xiàn)象。其中一些現(xiàn)象是自然發(fā)生的，不會對水生系統(tǒng)造成傷害，而另一些則可能對水質(zhì)造成負面影響。在許多以不同溫度形成層的湖泊中，熱分層發(fā)生在3.6 m的深度處[ 1 ]。這些層是從上到下分類的，其中最熱的層在最上層，最冷的層在最下層，即上斜線，溫躍層和下斜線[ 2]。當上層和下層之間的溫差大于1°C時，湖泊可被認為是分層的[ 3 ]。在冬季發(fā)生逆分層，即最冷的層在頂部形成，而較暖的層在底部[ 4 ]。這種現(xiàn)象會影響湖泊的許多方面，例如魚類的空間分布，微生物生長和氧氣含量[ 5 ]。除了熱分層以外，水溫還可以直接指示溶解氧（DO），毒性吸收和鹽度[ 6 ]。藻類和水生植物的生長速率受溫度變化的影響，溫度升高會降低溶解氧，會對水生生物造成有害影響[7 ]。工業(yè)廢物排放，森林采伐和農(nóng)業(yè)徑流等其他因素也會影響水溫[ 8 ]。因此，對熱分層的定期評估以及對水溫的系統(tǒng)監(jiān)測對于水質(zhì)監(jiān)測和湖泊管理非常重要。

水溫監(jiān)控系統(tǒng)取決于目標水體的大小。最常見的水的溫度監(jiān)測系統(tǒng)是手動采樣與多參數(shù)的傳感器和基于浮標潛式傳感器系統(tǒng)，可以提供從水柱[實時水溫度測量5，9 ]。多參數(shù)傳感器和基于浮標的溫度傳感器具有不同的配置，具體取決于所需的監(jiān)測深度和采樣條件[ 10 ]。基于浮標的溫度傳感器由沿單個電纜嵌入的熱敏電阻形成，形成熱敏電阻鏈[ 11]。熱敏電阻的總數(shù)和取決于深度，寬度熱敏電阻各之間的距離，和湖泊[其他水文特性12，13]�；�于浮標的熱敏電阻鏈可以在不同深度進行同步水溫測量，從而為水柱分析提供信息。多參數(shù)傳感器可用于從岸邊快速監(jiān)測水溫；但是，它們需要運輸工具和大量的勞動力�；�于浮標的熱敏電阻位于固定位置，測量值的空間分辨率取決于熱敏電阻的數(shù)量。由于成本和維護的限制，基于浮標的系統(tǒng)必須安裝數(shù)量有限的較長時間。由于淺湖會在短時間內(nèi)分層，因此基于浮標的系統(tǒng)的安裝可能是不切實際且昂貴的[ 14]�？梢栽诙虝r間內(nèi)以高空間分辨率收集水溫測量值的易于部署的系統(tǒng)可能適用于淺水區(qū)。

當涉及湖泊管理和水質(zhì)監(jiān)測時，無人飛行器（UAV）相對于當前的多參數(shù)傳感器和基于浮標的系統(tǒng)在水溫分析方面具有優(yōu)勢。無人機是可移動的，可以輕松地從附近位置部署到水體。最近的研究已經(jīng)利用遙感和無人機來監(jiān)測水體的表面溫度。熱紅外遙感已被用于實際應(yīng)用中測量河流和湖泊中的地表水溫度[ 15 ]。已經(jīng)研究了基于無人機的熱紅外測繪，以評估地下水向沿海地區(qū)的排放[ 16 ]。除遙感外，還對集成了溫度傳感器的無人機進行了湖泊中水溫測量的測試[ 17，18 ]。這些基于無人機的系統(tǒng)將鼠標懸停在水面上方時，可以從適用的深度獲取溫度測量值。無人機懸停在水面上方時進行空中測量會增加電池的使用量，從而限制了可以采集的樣本數(shù)量[ 19 ]。無人機系統(tǒng)依靠靈敏的導(dǎo)航傳感器技術(shù)來固定其在空中的位置。在較低高度進行水采樣時，很多事情都會出錯，從而導(dǎo)致墜落事故墜入水中。無人機的懸停高度取決于風(fēng)速，傳感器校準和有效載荷擺動運動。這些因素阻礙了水溫測量的精確深度[ 20]。因此，需要更可靠的基于無人機的水溫測量方法來提供水柱溫度數(shù)據(jù)。

我們之前的研究介紹了用于水質(zhì)監(jiān)測的無人機的開發(fā)，應(yīng)用和評估。首先，設(shè)計并評估了用于航空水樣采集的水樣無人機[ 21 ]。其次，現(xiàn)場水質(zhì)測量無人機被設(shè)計并用于農(nóng)業(yè)池塘內(nèi)的自主水質(zhì)測量[ 19 ]。第三，將集水裝置和傳感器節(jié)點組合在同一個無人機中，具有相對較大的有效負載能力[ 22 ]。第四，組合式無人機被重新設(shè)計用于自適應(yīng)水采樣，其中基于車載傳感器節(jié)點的現(xiàn)場水質(zhì)測量結(jié)果來決定集水。

這項研究的目的是開發(fā)和測試用于湖泊溫度曲線和監(jiān)測的水溫測量系統(tǒng)無人機。Koparan等人報道了現(xiàn)場水質(zhì)測量無人機。[ 19 ]通過用深度和溫度傳感器替換傳感器節(jié)點進行了重新建模，并對無人機上的浮力裝置進行了修改，以實現(xiàn)更安全的著陸。這里介紹的系統(tǒng)的新穎性在于，當溫度和壓力探頭下降時，無人機開始測量溫度和深度。該系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵特征是，無人機可以降落在水面上并從水面上起飛，而不必在測量過程中懸停。

2.材料和方法

2.1無人機和傳感器節(jié)點組件

為水溫曲線開發(fā)的系統(tǒng)包括一個六旋翼無人機和一個傳感器節(jié)點。無人機是定制設(shè)計的，技術(shù)規(guī)格在以前的出版物中提供[ 19]。飛機的總重量為3100克（UAV和有效載荷）。無人機的重量為2300 g，有效載荷（傳感器節(jié)點）為800 g，包括第二個電池，帶保護殼的微控制器單元，溫度和壓力探頭，延長線（10 m）以及用于探頭的保護性鋼殼。第二個電池是鋰電池（7.4 V，2.200 mAh，Venom，Rathdrum，ID，USA）。使用帶有電池消除器電路（BEC）的第二個電池來調(diào)節(jié)微控制器的電壓。傳感器節(jié)點使用單獨的電池，無需使用UAV即可卸下設(shè)備進行獨立測量。

壓力和溫度傳感器由制造商（Bar02，Blue Robotics，T??orrance，CA，美國）作為單個單元嵌入。將該單元與微控制器單元（意大利Ivrea的Arduino Mega 2560）進行了集成，以進行校準，控制和數(shù)據(jù)記錄。壓力測量用于確定進行溫度測量的深度。測量結(jié)果記錄在安全數(shù)字卡（SD卡）（中國廣東省深圳市SunFounder）中，該數(shù)字卡已與微控制器單元一起插入。電壓轉(zhuǎn)換器電路（I2C電平轉(zhuǎn)換器，Blue Robotics，T??orrance，CA，美國）與壓力傳感器一起使用，以調(diào)節(jié)電壓并實現(xiàn)與微控制器單元的通信。壓力傳感器和電壓轉(zhuǎn)換器電路在定制設(shè)計的3D打印盒中進行了防水處理，并用環(huán)氧樹脂密封。（圖1）。將3D打印盒放置在鋼管中，以確保壓力傳感器會迅速浸入水中。鋼管上涂有Flex Seal（Flex Seal，F(xiàn)lex Seal，Weston，F(xiàn)L，美國）以防止腐蝕。微控制器平臺被密封在一個盒子里，并安裝在無人機上。壓力傳感器用10 m長的系繩懸掛。

無人機04 00035 g001 550 圖1. 傳感器節(jié)點組件：（a）壓力傳感器和電壓轉(zhuǎn)換器電路，（b）SolidWorks外殼的計算機輔助設(shè)計（CAD），（c）3D打印和密封外殼的壓力傳感器，以及（d）鋼管，以實現(xiàn)快速浸沒和傳感器保護。

2.2。實驗地點和采樣地點

基于無人機的水溫配置文件系統(tǒng)在伊薩奎納湖（南卡羅來納州皮肯斯縣）進行了評估和測試。該湖的長度為13公里，表面積約為36公頃。最大部分的湖泊寬度為400 m。Issaqueena湖的水壩頂部在基巖之上約15.7 m。夏季的水平均溫度為21.9°C，冬季的平均溫度為4°C [ 23 ]。2005年，南卡羅來納州衛(wèi)生與環(huán)境控制部（SCDHEC）報告說，該湖的水質(zhì)參數(shù)符合標準[ 24]。選擇該湖進行實驗是因為該結(jié)果可用于生成用于水質(zhì)監(jiān)測的新數(shù)據(jù)集。Issaqueena湖無法從鄰近的Keowee河乘船，從而為實驗提供了安全的無人機飛行條件。圖2顯示了無人機在湖上的集成傳感器節(jié)點和發(fā)射位置。

無人機04 00035 g002 550 圖2. （a）與飛機集成的傳感器節(jié)點，以及（b）Issaqueena湖的發(fā)射地點。

由于聯(lián)邦航空局（FAA）施加的飛行限制和電池電量的限制，在湖的一小部分中進行了水溫剖面試驗。美國聯(lián)邦航空局（FAA）要求無人機飛行必須在視線范圍內(nèi)，且最高高度應(yīng)高于地面120 m [ 25 ]。由于這些限制，采樣位置被選擇在無人機能夠以有限的電池電量訪問而又保持在視線范圍內(nèi)的區(qū)域。圖3中的地圖將無人機發(fā)射位置標記為零，并將水采樣位置標記為數(shù)字1到7。。無人機發(fā)射地點沒有樹木，為安全起降提供了平坦的地面。水采樣位置以網(wǎng)格采樣方式分配，同時分散以提供水溫測量值，以代表任務(wù)計劃邊界內(nèi)的整個區(qū)域。采樣位置之間的距離為80 m至90 m。從發(fā)射點到采樣點一的最短飛行距離為73 m，從發(fā)射點到采樣點七的最長的飛行距離為290 m。

無人機04 00035 g003 550 圖3. 湖的一部分被用作測量的實驗地點。

2.3水溫分析數(shù)據(jù)收集

水溫分布圖實驗于2019年4月25日下午3:00進行，任務(wù)計劃范圍內(nèi)從20 m高度到水面的平均氣溫為24°C。空氣溫度測量值是從無人機的內(nèi)部溫度傳感器獲得的。帶有集成傳感器節(jié)點的無人機通過自動駕駛儀控制的自主飛行被部署到每個采樣點。由于將探頭安裝在10 m長的系繩上，因此導(dǎo)航高度設(shè)置為20 m，以在旅行期間提供安全飛行。到達導(dǎo)航目的地后，自動駕駛儀讓無人機緩慢下降并降落在水面上5秒鐘。在下降直到降落期間進行溫度和水深的測量。完成測量后，圖4）。使用地面任務(wù)控制站，使用開源的任務(wù)計劃程序（MP）軟件對自主飛行進行編程，并將每個單獨的飛行分配為任務(wù)計劃[ 26 ]。由于電池電量有限且飛行距離較長，因此有必要將所選區(qū)域劃分為各個任務(wù)計劃。第一個任務(wù)計劃中包括了位置1和2，第二個任務(wù)位置中包括了位置3，第二個位置中包括了位置3和4，第五個位置中包括了位置4和5，第四個位置中包括了位置6，第五個任務(wù)計劃中包括了位置7。

無人機04 00035 g004 550 圖4. 使用無人機進行水溫測量的應(yīng)用方法。

當無人機到達20 m高度的預(yù)定采樣位置時，自動駕駛儀會啟動水深和溫度測量。當無人機降落速度為2 m / s時，以100毫秒的間隔記錄水深和溫度測量值。在自動駕駛儀的配置中，將耀斑高度指定為10 m，以實現(xiàn)安全，平穩(wěn)和穩(wěn)定的著陸。耀斑高度是自動著陸程序的最后階段，在該階段，自動駕駛儀會降低油門并降低無人機的速度，以在著陸之前重新調(diào)整下降速度[ 26 ]。

每個位置的測量次數(shù)取決于水深。深度測量表明下降過程中探頭的深度。因此，一旦探頭到達水柱底部，就有望進行重復(fù)測量。在一定深度后重復(fù)進行的測量被指定為該采樣位置的最大水深。收集的水深和溫度數(shù)據(jù)用于創(chuàng)建測深圖和水溫圖，以可視化地表（0.3 m）以及2 m和4 m深度處的水溫分布。逆距離加權(quán)插值（IDW）方法用于ArcMap（ESRI，Redlands，CA，美國）中的處理和插值。27 ]。評估水深，水溫和位置之間的關(guān)系。在R軟件（R-GUI，維也納，奧地利）驅(qū)動的3D散點圖中說明了水溫分布[ 28 ]。

3結(jié)果與討論

與水柱內(nèi)的參考深度值相比，使用傳感器節(jié)點進行的室內(nèi)深度測量精度為100％。3D打印的防水外殼可保護探頭和電路免受水的損害。室內(nèi)實驗表明，該探頭可浸入水中，并提供可靠的水深和溫度測量結(jié)果。表格1顯示室內(nèi)測試的摘要統(tǒng)計信息，以評估3D打印盒是否影響傳感器深度測量。使用0.05的顯著性水平時，實際傳感器深度值與測量傳感器深度值之間的差異不顯著（t（18）= 2.03，p = 0.57）。兩次深度測量之間的差異顯示小于1％的誤差。沒有對傳感器的水溫測量準確性進行調(diào)查，因為據(jù)報道，溫度測量值在制造商的規(guī)范中在2°C以內(nèi)。目視觀察以確認傳感器溫度測量。

如預(yù)期的那樣，鋼管封閉的傳感器探頭迅速下降到湖底。壓力傳感器的快速下降減少了無人機必須停留在水面的時間，并提高了數(shù)據(jù)收集的速度。由于減少了無人機的空閑模式持續(xù)時間，因此減少了在水面上的漂浮時間可以最大程度地減少電池的使用。飛行控制器的空閑模式使螺旋槳以最慢的速度旋轉(zhuǎn)，以確保無人機可以根據(jù)任務(wù)計劃或地面控制站的要求立即起飛。水深評估估計中心附近實驗邊界內(nèi)的最大水深為8.4 m（圖5）。）。由于是最深的采樣點，在采樣位置3的水深為7.3 m，而在采樣位置4的水深為4 m。

無人機04 00035 g005 550 圖5. 任務(wù)計劃范圍內(nèi)的Issaqueena湖水深圖。

跨越任務(wù)計劃邊界和水深的每個位置的水溫都不同。溫度曲線實驗表明，無論是在水面還是在底部，水的溫度都在位置1處最高（圖6）。）。水的溫度在第一位置的表面為28°C，在底部為23°C，溫度變化最大。在第六位置，地表水溫為18.3°C，底部水溫為17.6°C。位置2和5的水溫遵循相同趨勢，地表水溫為20°C，底部水溫為19°C。這兩個位置的水溫趨勢相同，因為它們都位于從東北到西南的下游方向的中心。在水位相差1°C的三個位置和七個位置也觀察到了類似的趨勢。從水柱測得的水溫表明，分別在深度3.67 m，3.93 m和3.67 m處的位置2、5和6處溫度突然變化。在這些深度處觀察到快速穩(wěn)定的水冷卻，并且冷卻持續(xù)到在每個位置到達湖底為止。水溫一直穩(wěn)定到第三位置的深度為1.4 m。在此深度之后觀察到溫度突然下降，這表明位置3處的冷卻深度小于位置2、5和6處的冷卻深度。在許多湖泊中，熱分層發(fā)生在3.6 m的深度處，上層和下層之間的溫差必須至少大于1°C [ 表明位置3處的冷卻深度小于位置2、5和6處的冷卻深度。在許多湖泊中，熱分層發(fā)生在3.6 m的深度處，上層和下層之間的溫差必須至少大于1°C [ 表明位置3處的冷卻深度小于位置2、5和6處的冷卻深度。在許多湖泊中，熱分層發(fā)生在3.6 m的深度處，上層和下層之間的溫差必須至少大于1°C [1，3 ]。雖然在平均深度3.8 m處溫度下降超過1°C，但不清楚是否根據(jù)這些測量結(jié)果發(fā)生了熱分層。

無人機04 00035 g006 550 圖6. 按位置和水深分布的水溫分布：（a）2D散點圖和（b）3D散點圖。

采樣位置最接近位于實驗邊界西角的水流。水溫升高可能是由于田間試驗之前發(fā)生的降雨事件后的徑流引起的。圖7中的水溫圖顯示了中間位置和采樣深度引起的水溫變化。。這些圖分別表示水面（0.3 m）和深度2 m和4 m的水溫。記錄的平均地表水溫為22.5°C，而在4 m深度處的平均水溫為21.5°C。在六個采樣點的所有深度處，水溫始終保持在18°C左右。在采樣位置一處，最大水溫下降記錄為3°C。采樣位置1和6之間的水溫差在10°C時在表面最高，而在6°C時在4 m的采樣深度時最低。

無人機04 00035 g007 550 圖7. 水溫圖代表中間位置和采樣深度的水溫變化。

4.結(jié)論

此處描述的基于無人機的水溫配置文件系統(tǒng)為水質(zhì)監(jiān)測實踐提供了不同的視角。與其他水質(zhì)監(jiān)測方法相比，它具有遠程訪問水體的能力以及易于部署的特點，可以更好，更快地收集數(shù)據(jù)�；�于無人機的水溫分析系統(tǒng)成功導(dǎo)航到預(yù)定義的水采樣位置，并執(zhí)行了用于水溫和深度測量的任務(wù)計劃。3D打印壓力傳感器外殼成功地防止了漏水，并保持傳感器組件的安全，同時允許其在整個水柱中快速下降。Issaqueena湖選定邊界內(nèi)的最大水深為8.4 m。在采樣位置一處，水溫迅速下降是由于水流進入水體。在位置2、5和6處，平均水深3.8 m處，水溫迅速下降，大于1°C。但是，必須進行覆蓋整個湖泊的更廣泛的數(shù)據(jù)收集實驗，以證明是否可能發(fā)生了熱分層�？梢愿鶕�(jù)所研究水體的深度重新調(diào)整探頭的延長電纜的長度，同時考慮到無人機的耐力和推力性能以及傳感器節(jié)點的最大工作深度。使用該系統(tǒng)可以在較短的時間內(nèi)完成水溫分析，與其他方法（例如傳統(tǒng)的船上采樣）相比，具有很大的優(yōu)勢。無人機輔助溫度曲線圖選件還可以通過最大程度地減少現(xiàn)場所需時間，同時又可以輕松地覆蓋更大的區(qū)域來降低成本�？紤]到維護時間，成本以及固定傳感器站的空間分辨率不足，此處描述的無人機輔助溫度分析系統(tǒng)具有獨特的優(yōu)勢，包括先進的移動性，高空間分辨率，低成本以及對災(zāi)難和其他自然事件的快速響應(yīng)。