【技术创新】NASA展示机载水质传感器
来源: http://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-demonstrates-airborne-water-quality-sensor
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2016-04-06

2016年2月26日

 

美国地质调查局(USGS)“玛丽兰·德斯泰纳号”科考船在旧金山北部河口短暂停留开展研究工作。USGS科学家Bryan Downing正在对船载实时测量系统进行校准。

图片由de Ropp媒体公司Stephen de Ropp提供。

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淡水供给水质监测受到全球关注,旧金山湾三角洲河口及其流域地区作为加州干旱地区主要淡水来源,水质监测尤为重要。位于加州帕萨迪纳市的美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室(JPL)和加州门洛帕克市和萨克拉门托市的美国地质调查局(USGS)的科学家们成功地展示了NASA研发的机载环境监测仪器不仅能够帮助水资源管理者监测旧金山湾水质,而且还可能应用于世界其他地区的内陆和沿海水体监测。

在发表于最新一期《环境科学与技术》期刊的研究成果中,研究人员将同一时期USGS科学家在科考快船上采集的旧金山湾北部水样本测量结果与JPL科学家“双獭”飞机上的机载数据相结合。

飞机搭载JPL研发的便携式远程成像光谱仪(PRISM),此仪器可对可见光波长和从水面反射向仪器的近红外辐射值进行测量。PRISM数据使得研究人员监测到通常被用作水质指标的一些水成分的独特光谱特征。在实验室完成两组数据的分析与对比,PRISM数据与船载水质数据严密匹配。

PRISM的优点在于可以在水质监测方面极大地扩展传统船载和固定监测、监测站点监测的空间覆盖范围。例如,一次PRISM机载单程飞行能够评价整个旧金山湾三角洲河口的水质,接近于科考船用数周时间完成的测量范围。

在此研究中,研究人员分析了浊度(水体浑浊程度)、叶绿素-a(一种水中浮游植物指标)、溶解性有机碳(一种消毒饮用水时产生的副产物)和悬浮在水中的沉积物。

溶解性有机碳也是一个测量溶解甲基汞量的有用指标,一种在旧金山湾三角洲河口能够积聚在鱼类和其他野生动物体内的强力神经毒素。此项实验展示了一幅PRISM影像如何能够对一个庞大而多样化水体重要水质指标即时提供详细快照的能力。

类似PRISM的新型成像光谱仪能够对现有卫星传感器难以测量的水质指标进行有效和准确的测量。科学家们希望将PRISM技术应用于提供持续全球监测的未来在轨地球卫星传感器中。

此论文主要作者,JPL博士后Cedric G. Fichot指出,此研究成功展示了遥感对旧金山湾三角洲河口水质指标及其变异性的监测潜力,该地区是加州最重要水资源供给之一,这里的湿地恢复、人类活动和气候变化会影响水质和生态系统生产力。基于空间高分辨率和良好的精度,遥感对广大地区有效地收集水质信息拥有更大潜力。Fichot牵头这项通过NASA、USGS和三角洲科学研究组共同合作的项目研究。

旧金山湾三角洲河口及其流域的生态系统在过去的150年里发生了显著变化。水质监测对这一重要水资源管理和生态系统健康评估至关重要。USGS持续对旧金山湾水质监测将近50年。但是,基于船体的水质监测项目既浪费时间,又消耗劳力。

研究人员指出,受限于采样精度和/或技术成本,有些指标在实验室中很难测量。所以,通过机载传感器成功地、精确地监测水质指标是很重要的。

USGS生态学家,论文联合作者Lisamarie Windham-Myers提到,虽然卫星遥感测量水体浊度已经有许多年,这次研究人员能够对水浊度中诸如悬浮沉积物、溶解有机碳和叶绿素-a的单个要素进行评估。

USGS微生物学家,论文联合作者Mark Marvin-DiPasquale指出,此研究中的一个亮点是展示了在一英里高度对一个复合湿地和开放水源地区的甲基汞浓度监测的能力。这是第一次基于这个分辨率和空间尺度对这种有毒物质进行成像。

Fichot补充指出,考虑到通过抽样对甲基汞测量的难度和成本升高,这个新型遥感技术表明在湿地污染物监测热点方面能力的一个重大飞跃。

USGS生物地球化学家,论文联合作者Brian Bergamaschi提出,基于潮汐导致的分钟时间尺度和英尺空间尺度的水质变化观测,船载和机载并行测量方法也能够成功地捕捉到河口地区发生的快速变化。这种方法结合在广泛区域的船载水体监测,同时结合空中机载传感器的收集数据可产生很好的效果。实验室方法测量也能够直接与机载传感器数据关联。Bergamaschi又补充,为了扩大观测角度,研究团队正在使用此项技术对卫星观测结果进行校准。

 

原文题目:

NASA Demonstrates Airborne Water Quality Sensor

资料来源:

http://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-demonstrates-airborne-water-quality-sensor

 

(王化、刘岳明编译,殷永元审核)