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科学家用无人机监测海岸侵蚀 破解悬崖侵蚀之谜

近来,位于英格兰苏赛克斯郡东部的世界美景名胜——七姐妹白垩崖(the Seven Sisters Cliffs)大面积坍塌入海。由于很多人将七姐妹白垩崖视为英国地标性景观之一,因此英国媒体对这一事件很快就做出了反应。通常此类事件发生之后,海岸侵蚀程度和对大众造成的潜在威胁就会成为人们关注的热点。

这类疑问很难从科学角度给予回答。通常来说,岩石滚落的数据很难获取,就算能够获得也是不完整的。

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英格兰和威尔士海岸线有53%是悬崖和海滩。这些悬崖在间歇性的岩石滑落后会逐渐后撤,而岩石的面积可能从小圆石到成千上万立方米不等。历史航拍图片分析在一定程度上展示了过去几十年来海岸线后撤的程度。然而,这一方法并不能够为个别岩石滑落事件提供信息线索。

自2000年以来,海岸悬崖的发展趋势受到了越来越多地球科学家的关注。当地气候、海浪以及潮汐与悬崖之间的互相作用使得大范围内的地貌改变变得难以预测。

为提升对不同程度岩石滑落事件相对频率的了解,我们需要获取不同时段事件的记录表。这可以用来预测未来的变化,也可预测岩石滑落对人群和基础设施可能带来的潜在风险。因此,唯一能够带来突破的方法可能就是使用地图技术,在海岸出现大小岩石滑落情况时捕捉现场状况。

捕捉变化

通过测量精细的悬崖3D模型体积变化,高精度监控已经改善了我们对岩石侵蚀程度的认知。通常,这些数据会通过地球激光扫描(terrestrial laser scanning,缩写TLS)这种能够可靠地预测几百米内岩石滑落面积的渡越时间激光系统来搜集。

该方法让我们对悬崖侵蚀现象的了解更加全面,因此也被应用于世界各地的实验性项目中。然而,TLS使用的设备极其昂贵且人力耗费巨大。

数字摄影测量(Digital Photogrammetry)拥有与TLS相似的特征,可以作为TLS的替换方法使用。数字摄影测量实质上有利于瞬间数据抓取,当与无人机技术结合应用时,具有提供大范围内高分辨率地质信息的潜力。

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苏塞克斯郡Telscombe悬崖的数字摄影测量图。 摄影:John Barlow

位于布赖顿东部的Telscombe悬崖使用现成的多轴无人机和36兆像素数码相机进行试验。岩石滚落检测能力测试结果令人欣喜,与TLS技术反馈的结果相似。由这些数据构成的3D模型如上图所示。

八分钟的飞行为构建模型提供了数据。这种方式所能检测的海岸线长度的唯一限制是无人机飞行时长和相机数据储存能力。

随着无人机飞行时长和相机储存能力的增强,以相对低廉的成本为那些位于英格兰和威尔士的未受保护的海边悬崖进行地图测绘将成为可能。过去几十年内重复进行的年度调查将作为岩石坠落综合报告的根基,也可作为回答风险管理以及悬崖侵蚀之谜的依据。(来源:《科学美国人》中文版《环球科学》)

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