리즈대학교 빙하 연구
유연하고 사용하기 쉬운 Raspberry Pi 카메라와 컴퓨터로 3D 빙하 모델링 비용 절감
리즈대학교 연구진은 세계에서 몇 안 되는 열대 만년설 중 하나인 페루의 쿠엘카야 만년설을 모니터링하고 있습니다.
성공적인 유럽 실험 이후, 리즈 대학 지리학 대학 의 연구원 들은 안데스 산맥과 히말라야 산맥의 저가형 장기 빙하 저하 경고 시스템에 Raspberry Pi 컴퓨터와 Raspberry Pi 고품질 카메라를 사용하고 있습니다.
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기후 변화 속도를 가장 눈에 띄게 나타내는 지표 중 하나는 빙원이 사라지고 빙하가 녹는 속도가 빨라지고 있다는 점입니다. NASA의 기후 관측에 따르면 빙하와 빙상이 녹을 때 추가되는 물과 따뜻해지면 해수가 팽창하는 것이 해수면 상승에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었습니다.
따라서 몇몇 중요한 연구에서는 극지방이 변화하는 속도를 면밀히 모니터링하고 있습니다. 여기에는 Arribada와 Penguin Watch가 Raspberry Pi 카메라를 사용하여 특정 지역의 장기 저속 영상을 촬영하고 계절에 따른 얼음과 빙산 분포는 물론 야생 동물 개체수의 변화를 측정하는 연구가 포함됩니다. 그러나 대륙 빙하 수축에 대한 연구는 적습니다. 특히 그러한 빙하가 위치한 곳 때문에 그렇습니다. 이 작업을 수행하는 과학자 그룹 중 하나는 Liam Taylor 강사가 이끄는 리즈 대학교 지리학부의 빙하 분리 연구 프로젝트를 진행하는 팀입니다.
도전
빙하 변화를 효과적으로 모니터링하려면 빙하 지형과 현재 일어나고 있는 환경 변화에 대한 대규모 관측과 함께 상세한 현장 조사가 병행되어야 합니다. 여기서는 3D 스캐닝과 타임랩스 사진이 중요한 역할을 할 수 있습니다. 그러나 강력한 타임랩스 카메라와 환경 모니터링 시스템이 존재하기는 하지만, 지구 온난화의 가장 극심한 영향을 받는 바로 그 장소에서는 자원이 부족한 경우가 많기 때문에 비용이 너무 많이 듭니다. Taylor는 "사실 대부분의 빙하는 페루, 네팔, 인도와 같은 국가에 위치하고 있습니다."라고 말합니다.
종종 이 지역에 사는 사람들은 식량 불안의 위험에 처해 있을 뿐만 아니라 빙하 분열로 인해 홍수와 같은 환경 재앙이 발생하면 갑자기 집을 잃을 위험도 있습니다. Taylor는 “우리는 폭발적인 홍수와 같은 실제 위험으로부터 수백 미터 떨어진 곳에 살고 있는 원주민 공동체와 협력하고 있습니다.”라고 설명합니다.
"이 프로젝트의 핵심은 일종의 모니터링 기술을 개발할 수 있느냐는 것이었습니다." 테일러는 말한다. 그의 팀은 빙하 조각이 부서져 광범위한 홍수를 일으킬 가능성이 있는 분리 사건에 대한 조기 경보 시스템 역할을 할 수 있는 장치를 개발하고 싶었습니다. 리즈 팀은 빙하에 초점을 맞추기로 결정했습니다. "빙하가 그 어느 때보다 빠르게 사라지고 있고, 이와 관련된 위험이 커지고 있으며, 전 세계적으로 위험에 취약한 사람들이 점점 더 많아지고 있기 때문입니다."
개발도상국의 지역 사회를 지원하는 것이 목표 중 하나였기 때문에 비용을 £100 미만으로 매우 낮게 유지하는 것이 Leeds 팀 프로젝트의 최우선 원칙이었습니다.
페루 Cordillera Vilcanota 산맥에 있는 Quelccaya Ice Cap의 얼음 감소를 모니터링하는 Raspberry Pi 시스템
해결책
리즈 대학교 팀인 Liam Taylor와 동료 Duncan Quincey 및 Mark Smith는 아이슬란드에서 시험 과정을 완료했습니다. 그들은 각각 Raspberry Pi 고품질 카메라와 Raspberry Pi Zero W를 중심으로 구축된 10개의 모니터링 장치를 설치하고 이를 사용하여 Fjallsjökull 빙하의 사진 측량 이미지를 생성했습니다. 카메라는 각 카메라 설정 중 가장 비싼 부분인 내후성 하우징 내부에 배치되었으며 몇 달에 걸쳐 미리 설정된 간격으로 스냅샷을 찍도록 프로그래밍되었습니다. 장치는 태양 에너지로 보충된 배터리로 구동되었으며, 카메라 자체는 빙하의 선형적이지만 겹치는 모습을 포착하도록 배치되었습니다.
결과 사진은 몇 달 후에 수집된 후 Agisoft Metashape 소프트웨어를 사용하여 처리되어 사실적인 3D 장면을 만들었습니다. 리즈 대학교 지리학자들은 빙하의 동일한 영역에 초점을 맞춘 무인 항공기(UAV 또는 드론)를 사용하여 동시 테스트를 실행하고 해당 결과를 Metashape로 처리했습니다. 팀은 250미터 길이의 빙하 지역 이미지로 구성된 각 모니터링 시스템의 결과 하위 집합을 비교했습니다.
이 성공적인 실험에 이어 그들은 일련의 빙하가 있는 페루 쿠스코에서 약 50마일 떨어진 Cordia Vilcanota에 Raspberry Pi 기반 모니터링 장치를 설치했습니다. 그리고 10,000마일 이상 떨어진 인도와 네팔에서 리즈 팀은 히말라야 빙하 분리에 대한 새로운 조사를 시작하기 위해 현지 연구원들을 지원했습니다. 리즈 지리학자들이 습득한 기술 지식의 도움을 받아 현지 팀이 직접 연구를 진행하고 있습니다.
팀은 가능한 한 많은 사람들에게 혜택을 주기 위해 노력하고 있습니다. "시스템은 항상 오픈 소스일 것이며, 우리는 자신의 과제에 대응하기 위해 유사한 시스템을 구현하려는 모든 시민 과학자에게 도움과 지원을 제공하기 위해 항상 노력할 것입니다."
이와 같은 여러 개의 Raspberry Pi 카메라 장치를 사용하여 연구자들은 빙하의 3D 모델을 생성하여 빙하가 기후 변화에 어떻게 대응하고 있는지 측정할 수 있습니다.
왜 라즈베리 파이인가?
팀의 요구 사항은 간단했습니다. 작업을 수행할 수 있고 현지 리셀러로부터 대량 구매가 가능하며 몇 시간만 교육을 받은 사람이 설정할 수 있을 만큼 간단한 저가형 하드웨어를 찾았습니다.
Liam과 동료들은 빙하 모니터링을 설정하려는 지역 근처의 거리 시장에서 무엇을 이용할 수 있는지 살펴보았습니다. 그들은 Raspberry Pi 컴퓨터와 카메라가 모든 요구 사항을 충족하고 기존 하드웨어 비용의 극히 일부만으로 현지에서 구입할 수 있다는 사실을 발견했습니다.
결과
감시 작업을 위해 설계된 강력한 카메라를 장착한 드론의 결과와 함께 평가된 카메라의 놀라운 결과는 모든 사람의 기대를 뛰어넘었습니다. Raspberry Pi 카메라는 훨씬 저렴한 비용으로 드론과 유사한 품질의 3D 빙하 이미지를 캡처할 수 있었습니다. 더 좋은 점은 작업의 계산 요구 사항이 적당하기 때문에 시스템이 초저가 Raspberry Pi Zero에서도 작동한다는 것입니다.
2023년 초에 발표되어 무료로 제공되는 빙하 모니터링을 위한 Raspberry Pi 하드웨어의 적합성을 평가하는 팀의 연구 논문은 전체 결과와 분석을 제시합니다.
아이슬란드 Fjallsjökull 빙하의 Raspberry Pi 카메라 이미지. 이 위치의 결과는 현재 페루와 네팔에서 적용되고 있는 시스템의 개념을 입증했습니다.
Raspberry Pi 카메라 설정은 한 번에 몇 달 동안 그대로 둘 수 있으므로 UAV의 정확도 범위 내에서 오류 허용 범위를 갖춘 3D 모델링을 생성하는 저비용 저속 촬영 사진 측량이 가능합니다. 놀랍게도 평균 오류는 1미터 미만입니다. 1.5km 거리에서 이러한 수준의 3차원 디테일을 생성하려면 단 10대의 카메라만 있으면 됩니다. 변덕스러운 날씨에 영향을 받고 조건이 좋을 때만 비행할 수 있는 드론과 달리 탄력적인 Raspberry Pi 카메라 설정은 모든 날씨에서 작동하며 연구원이 SD 저장 카드를 수집하러 올 때만 사람의 개입이 필요합니다. 사진을 분석할 수 있습니다.
Raspberry Pi 하드웨어의 경제성과 가용성은 현지 연구원이 초기 교육이 완료된 후 추가 장치를 신속하게 조립할 수 있음을 의미합니다. 리즈 대학 팀은 특히 지역 환경 연구팀에 연구를 맡기고 그들에게 자체 환경 조사에 대한 기관과 함께 관련 기술과 지식을 제공하는 데 열중하고 있습니다.
모니터링 설정의 기능을 더욱 확장하기 위한 작업은 계속됩니다. 네팔에서는 Raspberry Pi 중 하나를 Raspberry Shake 지진계와 마이크와 함께 사용하여 빙하가 "신음하는" 소리를 들을 수 있습니다. 리즈 팀은 또한 사전 경고를 제공하고 생명을 보호하기 위해 빙하 붕괴 위험이 높은 스위스-이탈리아 알프스 지역을 포괄하는 센서를 찾을 수 있기를 희망합니다.
2022년 말, 팀은 국제 기후 정상회담을 위해 페루로 돌아가 인상적인 사진 측량 연구를 시연하고 이러한 종류의 모니터링이 기후 변화 적응의 일부가 될 수 있음을 국가 및 지방 정부에 보여주었습니다. 효과적이고 저렴한 Raspberry Pi 기반 설정은 페루의 여러 정부 기관과 자선 단체의 관심을 끌었습니다. "우리는 지역 사회가 현재 작동하는 것으로 알려진 Raspberry Pi 도구에 사용할 수 있도록 더 많은 돈을 커뮤니티에 제공하기 위해 노력하고 있습니다."
모든 이미지 © Liam Taylor, Leeds University School of Geography, 허가를 받아 복제됨
