نقشه برداری خاک با پهپاد
استفاده از طیف سنج های پرتو گاما در بررسی های هوابرد

نوشته:Ronald Koomans, Han Limburg, Steven van der Veeke 

در بخش علوم زمین، حسگرهای اندازه‌گیری ویژگی‌های زمین به سرعت برای استفاده از هواپیماهای بدون سرنشین سازگار می‌شوند، زیرا پیشرفت‌های جدید در فناوری منجر به افزایش اندازه و بار وسایل نقلیه هوایی بدون سرنشین (پهپادها یا پهپادها) شده است. این مقاله دو مطالعه را ارائه می‌کند که فرصت‌هایی را برای افزودن طیف‌سنج پرتو گاما به یک پهپاد به منظور ترسیم بافت یا آلودگی خاک بررسی می‌کند.

طیف سنج های پرتو گاما سنت طولانی استفاده به عنوان یک ابزار ژئوفیزیکی برای نقشه برداری خواص خاک و رسوب دارند، اما اندازه و وزن بزرگ آنها تاکنون مانع از استفاده این حسگرها در کاربردهای پهپادها شده است. با این حال، پیشرفت‌های اخیر در سخت‌افزار حسگر، همراه با الگوریتم‌های پردازش داده‌ها که استخراج آخرین تکه اطلاعات از داده‌های به‌دست‌آمده را امکان‌پذیر می‌سازد، منجر به تولید طیف‌سنج‌های پرتو گاما با وزن کمتر از ۳ کیلوگرم شده است. این کاهش وزن قابل توجه به این معنی است که اکنون می توان آنها را به هواپیماهای بدون سرنشین متصل کرد و طیف جدیدی از کاربردها را برای استفاده از طیف سنج های پرتو گاما در بررسی های هوابرد باز می کند.

از سنسور تا نقشه خاک

یک طیف سنج پرتو گاما به طور مستقیم غلظت رادیونوکلئیدهای موجود در محیط را اندازه گیری می کند، خواه رادیونوکلئیدهای طبیعی مانند پتاسیم، اورانیوم و توریم و یا رادیونوکلئیدهای مصنوعی مانند سزیم (137Cs). این اندازه‌گیری‌ها ورودی مدل‌های کاربردی را فراهم می‌کند که غلظت پرتوزا با ویژگی خاک یا آلاینده مورد نظر مرتبط است. برای انجام این کار، بسیار مهم است که اندازه گیری های میدانی نتایج کمی و دقیق را ارائه دهند. بنابراین کالیبراسیون مناسب سنسور و انتخاب مناسب اندازه سنسور در رابطه با کاربرد آن ضروری است.

حسگرهای پرتو گاما را می توان برای نقشه برداری خاک، مطالعات زیست محیطی و استخراج معادن بر اساس رویکرد سه مرحله ای استفاده کرد (شکل 1). این کار با اتصال یک حسگر زیر یک پهپاد برای اندازه گیری رادیونوکلئیدها شروع می شود. در مرحله بعد، یک مدل کاربردی توسعه داده می شود که داده های اندازه گیری شده را به پارامترهای خاک ترجمه می کند. سپس می توان نقشه های ویژگی های مورد علاقه را تولید کرد.

مطالعه مقایسه نقشه خاک

برای ترسیم ترکیب خاک، یک طیف سنج پرتو گاما اغلب با استفاده از وسیله نقلیه زمینی مانند تراکتور، گاتور یا کواد استفاده می شود. با این حال، استفاده از پهپاد این امکان را فراهم می‌کند که ویژگی‌های خاک زمین‌هایی را که دسترسی به آن دشوار است، مانند زمانی که زمین پوشیده از پوشش گیاهی است یا دسترسی به مزرعه نامطلوب است، ترسیم کند.

برای ارزیابی کیفیت نقشه‌های حاصل که توسط یک طیف‌سنج پرتو گاما نصب شده در زیر یک پهپاد اندازه‌گیری شد، نویسندگان مطالعه مقایسه‌ای را برای پیش‌بینی ویژگی‌های فیزیکی خاک ۴۰ هکتار از زمین‌های کشاورزی در فلوولند، هلند طراحی کردند. در این پروژه، اندازه‌گیری‌ها با استفاده از یک طیف‌سنج پرتو گاما (حسگر MS-2000 از Medusa Radiometrics) که روی یک تراکتور نصب شده بود، با اندازه‌گیری‌های یک طیف‌سنج پرتو گامای هواپیمای بدون سرنشین (سنسور MS-1000 از Medusa Radiometrics) و با اندازه‌گیری‌ها مقایسه شد.

نمونه های سنتی خاک MS-1000 یک سیستم آشکارساز پرتو گاما کم مصرف، سبک و قوی است که مخصوص استفاده با هواپیماهای بدون سرنشین طراحی شده است. این حسگر که 7.7 کیلوگرم وزن دارد، تحت یک پهپاد استاندارد و تجاری (DJI M600 PRO) نصب شده است. این پهپاد در ارتفاع متوسط ​​14 متری با خطوط بررسی 30 متری پرواز کرد.

مدل کاربردی در این مطالعه بر اساس 14 نمونه خاک برداشت شده و در آزمایشگاه بر روی محتوای رادیونوکلئید و کسر رس آنالیز شد. از مدل (شکل 2) برای ترجمه مقادیر میدان 232Th به نقشه ای استفاده شد که غلظت ریزدانه ها (<50μm) را نشان می دهد.

شکل 3 نقشه‌های حاصل را نشان می‌دهد که این مدل کاربردی برای ترجمه غلظت فضایی 232th به تغییرات اندازه دانه فضایی استفاده شد. اندازه‌گیری‌های زمینی، تغییرات محتوای خاک رس را هنگام اندازه‌گیری آن با آشکارساز MS-2000 در تراکتور نشان می‌دهد. نقشه هوابرد، محتوای خاک رس را بر اساس اندازه‌گیری‌های با استفاده از آشکارساز هواپیمای بدون سرنشین MS-1000 نشان می‌دهد. مجموعه جداگانه ای از 44 نمونه خاک برداشت شد و برای اعتبار سنجی آماری مستقل استفاده شد.

نقشه‌های اندازه‌گیری‌های زمینی و اندازه‌گیری‌های هواپیمای بدون سرنشین مطابقت نزدیکی دارند، اما نتایج حاصل از پهپاد «صاف‌تر» هستند و وضوح فضایی کمتری را نشان می‌دهند. این تفاوت در اندازه ساختارهای فضایی قابل انتظار است زیرا پهپاد تابش را از یک منطقه بزرگتر می گیرد و در نتیجه ردپای بزرگتری دارد. تجزیه و تحلیل دقیق‌تر و اعتبارسنجی نقشه‌ها نشان داد که کیفیت نقشه هواپیمای بدون سرنشین با بررسی زمینی برابری می‌کند و هر دو رویکرد به خوبی نمونه‌برداری از خاک هستند.

نقشه برداری آلودگی خاک

آلودگی محیطی ناشی از فعالیت های انسانی به عنوان یکی از خطرات مدرن پیشرفت های صنعتی جامعه شناخته شده است. این آلودگی شامل آلاینده‌های آلی و فلزات سنگین به دلیل انتشار تاریخی توسط شیوه‌های صنعتی فعلی و سابق است. از آنجایی که آلاینده ها می توانند با جذب موجودات زنده وارد زنجیره غذایی شوند، بازسازی محیطی یا بسته شدن مکان های آلوده در اولویت است.

رویکرد فعلی برای مدیریت و نظارت بر سایت‌های آلوده شامل روش‌های تهاجمی و اغلب کار فشرده است، به‌ویژه به منظور جمع‌آوری نمونه‌ها برای تعیین کمیت و نقشه‌برداری توزیع آلاینده‌ها. در نتیجه، خطوط توزیع آلاینده بر اساس نمونه‌ها، بسته به اندازه نمونه و فاصله بین نمونه‌ها در معرض تعدادی خطای بالقوه است، با این خطر که «نقاط داغ» بدون نقشه باقی بمانند.

بسیاری از آلاینده ها در رسوبات آبی به ذرات رس جذب می شوند. این بدان معنی است که سطوح آلاینده به شدت با ترکیب این رسوبات در هنگام زیر آب، یا زمانی که رسوبات در دشت های سیلابی رسوب می کنند، مرتبط است. در نهر Spittelwasser، یکی از شاخه های رودخانه البه در آلمان، دشت های سیلابی به عنوان حوضه های انباشته برای فاضلاب های بسیار آلوده در طول حوادث سیل مورد استفاده قرار می گرفت و باعث می شد که آنها با مواد شیمیایی آلی مانند دیوکسین ها آلوده شوند.

دشت های سیلابی قبلاً موضوع تحقیقات متعددی در مورد آلودگی رسوبات و خاک بوده است. تصمیم برای انجام یک بررسی نقشه برداری از طریق هواپیماهای بدون سرنشین گرفته شد، تا حدی به این دلیل که دسترسی به برخی از مناطق از نظر فیزیکی دشوار بود و تا حدودی به دلیل ناشناخته بودن مالکان زمین برای برخی از مناطق، که به این معنی بود که مجوز دسترسی نمی توانست به دست آورد. برای بررسی هوابرد، MS-1000 زیر یک پهپاد DJI M600 نصب شد. این پهپاد در ارتفاع متوسط ​​7 متری با خطوط بررسی به فاصله 10 متر از هم پرواز کرد و این امکان را فراهم کرد که این سایت 50 هکتاری تنها در سه روز نقشه برداری شود.

این بررسی منجر به نقشه های یکپارچه سطوح آلاینده رسوب شد (شکل 5) که نشان می دهد اکثریت منطقه دارای غلظت نسبتاً کم آلاینده است، اما برخی از نقاط داغ وجود دارد. این داده ها اطلاعات دقیقی را در مورد آلودگی در مقیاس حوضه رودخانه به دولت ارائه می دهد که برای تعریف اقدامات اصلاحی مناسب بسیار مهم است.

نتیجه گیری

صنعت نقشه برداری جغرافیایی در سال های اخیر به دلیل استفاده از پهپادها برای تهیه نقشه های سطح زمین تغییرات قابل توجهی داشته است. تاکنون استفاده از پهپادها در حوزه ژئوفیزیک محدود بوده است و بیشتر این کار با بررسی های زمینی یا بررسی از هواپیماهای بزرگتر انجام می شود. با این حال، صنعت ژئوفیزیک به تکامل خود ادامه می‌دهد و حسگرها کوچک‌تر، سبک‌تر و کاربرپسندتر شده‌اند. این حسگرهای کوچکتر اکنون می توانند در ترکیب با هواپیماهای بدون سرنشین برای نقشه برداری از بافت خاک و آلودگی خاک با وضوح مکانی بالا استفاده شوند.

هر دو پیمایش هواپیمای بدون سرنشین ارائه شده در این مقاله با استفاده از یک پهپاد خارج از قفسه و یک طیف سنج پرتو گاما اجرا شدند. اولین مطالعه نشان داد که چگونه بافت خاک را می توان با استفاده از چنین تنظیماتی ترسیم کرد. مطالعه دوم نشان داد که از همین تنظیمات می توان برای نقشه برداری از آلاینده ها با وضوح فضایی بی سابقه استفاده کرد. این نتایج نشان می‌دهد که حسگرهای پرتو گاما برای استفاده معمول در پروژه‌های نقشه‌برداری هواپیمای بدون سرنشین آماده هستند. این امکان را برای انجام نقشه برداری با وضوح بالا از بافت خاک و آلودگی خاک در مناطقی که در غیر این صورت غیرقابل دسترس بودند، باز می کند.

طیف سنج پرتو گاما چیست؟

یک طیف سنج پرتو گاما غلظت عناصر رادیواکتیو را در زمین اندازه گیری می کند. همه سنگ‌ها، خاک و رسوبات حاوی آثار کوچک اما قابل اندازه‌گیری از رادیونوکلئیدهای طبیعی مانند پتاسیم (40K)، اورانیوم (238U) و توریم (232Th) هستند. تابش ساطع شده توسط این هسته ها حاوی اطلاعاتی در مورد ترکیب کانی شناسی سنگ ها و خاک ها است. این پدیده، به عنوان مثال، در اکتشاف نفت و گاز و مواد معدنی برای به دست آوردن تصویری کیفی از ترکیب معدنی یک منطقه یا ماتریس سنگ استفاده می شود.

توجه به این نکته مهم است که برخلاف بسیاری از فناوری‌های ژئوفیزیک دیگر، طیف‌سنج‌های پرتو گاما حسگرهای غیرفعال هستند. آنها به جای انتشار تشعشع، آن را جذب می کنند. احتمال جذب و در نتیجه راندمان تشخیص مستقیماً با حجم آشکارساز متناسب است. بنابراین، یک آشکارساز بزرگتر به معنای کارایی بهتر است. این وابستگی به اندازه دلیلی است که در نقشه برداری سنتی هوابرد، از بسته های آشکارساز چند کریستالی بزرگ 80 کیلوگرمی استفاده می شود. با این حال، پیشرفت‌های اخیر منجر به حسگرهای بسیار سبک‌تر شده است که استفاده از طیف‌سنج‌های پرتو گاما را در زیر هواپیماهای بدون سرنشین امکان‌پذیر می‌سازد.

سپاسگزاریها

پروژه های نقشه برداری شرح داده شده برای Landesanstalt für Altlastenfreistellung (LAF) در Sachsen Anhalt، آلمان، و برای Wageningen Environmental Research، هلند انجام شد.

بیشتر بخوانید

نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری نقشه برداری