NASA 测试无人机以提供微气象学，帮助火灾响应

快速阅读: 据《NASA （新闻稿）》称，在2024年8月，NASA的研究人员在蒙大拿州米苏拉测试了基于无人机的新技术，用于局部天气预报和微气象学。这些无人机配备了风传感器，旨在提高火灾预测精度。NASA的FireSense项目旨在将这些技术应用于实际操作机构，如美国林业局和国家气象局。通过使用已在世界范围内广泛使用的传感器，无人机能够重复飞行，降低成本和环境影响。这一技术有望改善火灾管理和消防决策。

在2024年8月，来自美国宇航局（NASA）的研究人员和合作伙伴团队聚集在蒙大拿州的米苏拉，旨在测试新的基于无人机的技术，用于局部天气预报或微气象学。研究人员将风传感器安装到无人机上，即NASA的阿尔塔X四旋翼飞行器，旨在提供精确且可持续的气象数据，以帮助预测火灾行为。野火在全球范围内，包括在美国，数量和严重性都在增加，而风是一个主要因素。它导致了不可预见和不可预测的火灾增长、公共威胁以及火灾死亡，使得微气象学成为对抗火灾的有效工具。这张合成图展示了NASA的阿尔塔X四旋翼飞行器在2024年FireSense无人机系统技术演示期间在米苏拉进行的八次飞行中的一次起飞。无人机顶部安装了一个独特的装置，该装置由NASA位于弗吉尼亚州汉普顿的兰利研究中心设计，用于携带测量风速和风向的传感器进入天空。地面，无人机系统的指挥飞行员布雷登·钱伯斯正在进行起飞前的最终检查。NASA/米兰·洛亚科诺

这项活动由NASA的FireSense项目负责，该项目致力于通过将NASA的科学和技术应用到实际操作机构中来应对野外火灾管理中的挑战。“确保新技术能够被像美国林业局和国家气象局这样的运营机构轻松采用是本次项目的主要目标之一，”NASA艾姆斯研究中心加利福尼亚硅谷分部的FireSense项目经理杰奎琳·舒曼说。FireSense团队选择了阿尔塔X无人机，因为美国林业局已经拥有一支这种四旋翼飞行器的机队和训练有素的无人机飞行员，这可能使所需传感器及其相关基础设施的整合对机构来说更加容易且更具成本效益。作为无人机系统的指挥飞行员，布雷登·钱伯斯向指挥帐篷发出“准备就绪”的手势，表明NASA的阿尔塔X四旋翼飞行器已准备好起飞。在钱伯斯身后，连接到四旋翼飞行器上的定制结构中装有一个探空仪（小白色盒子）和一个风速计（从视野中隐藏），它们将收集风速、风向、湿度、温度和气压的数据。NASA/米兰·洛亚科诺

选择这两种传感器作为无人机的有效载荷也受到其可采用性的驱动。第一种被称为探空仪，测量风向和风速、湿度、温度和气压，并且每天由国家气象局使用。另一种传感器是风速计，测量风速和风向，在世界各地的气象站和机场使用。安装在NASA的阿尔塔X四旋翼飞行器上的两种传感器是一个探空仪（左）和一个风速计（右），它们测量风速和风向。FireSense团队希望通过给它们装上翅膀，研究人员能更好地利用微气象学来预测火灾和烟雾的行为。“风速计随处可见，但通常固定不动，”位于弗吉尼亚州汉普顿NASA兰利研究中心的FireSense无人航空系统（UAS）负责人罗伯特·麦克斯温说。“我们正在使用一种已经在全世界广泛使用的传感器类型，并赋予其翅膀。”

无人机可以操控在精确位置持续进行测量——现场预报员可以每几小时飞行一次，以应对条件变化——并收集及时数据以帮助确定天气如何影响火势的方向和速度。地面消防队需要这些信息来快速决定在哪里部署消防员和资源，绘制防火线，并保护附近社区。像无人机这样的可重复使用的平台还可以减少气象预测飞行的经济和环境影响。“气象气球是一次性使用的，附带的传感器也不会被回收，”福勒说。“另一方面，配备仪器的无人机可以重复飞行。”NASA的阿尔塔X四旋翼无人机停在密苏拉的一片田地上，配备了特殊结构以携带一个无线电探空仪（左侧传感器）和一个风速计（右侧传感器）进入空中。这个结构是在NASA兰利研究中心设计的，以确保传感器远离旋翼，避免干扰所收集的数据，同时不损害无人机的稳定性。NASA/米兰·洛亚科诺

密苏拉行动在将这种技术发送到火灾现场之前，它需要进行测试。这就是FireSense团队今年夏天所做的。8月29日，2024年，附近的米勒峰火灾的烟雾飘过密苏拉机场的空中交通管制塔。米勒峰是当月在密苏拉及其周围燃烧的几场大火之一，形成了烟雾弥漫的环境，加上山区地形，使该地区成为测试FireSense新型微气象技术的理想地点。NASA/米兰·洛亚科诺

麦克斯温描述了密苏拉的条件对研究来说是“众星云集”：复杂的山区地形产生了历史上难以预测的强风，而地面上监测仪器的稀少使得天气预报非常困难。在为期三天的行动中，有几场大火在附近燃烧，这让研究人员能够在烟雾条件下测试无人机的表现。来自NASA兰利研究中心的无人机团队在密苏拉进行了八次数据采集飞行。在每次无人机飞行前，爱达荷大学和蒙大拿州帕洛萨利什库廷学院的学生团队都会发射携带相同类型辐射计的气象气球。左边：爱达荷大学和萨利什库廷学院的气象气球团队在FireSense行动第二日在密苏拉准备发射气象气球。右边：NASA兰利无人机机组成员托德·费伦特（左）和布雷登·钱伯斯（右）在2024年8月27日首次测试飞行前校准NASA Alta X四旋翼无人机的内部传感器。来自NASA兰利研究中心的无人机团队在密苏拉进行了八次数据采集飞行。在每次无人机飞行前，爱达荷大学和蒙大拿州帕洛萨利什库廷学院的学生团队都会发射携带相同类型辐射计的气象气球。

创建这些数据集后，需要将其转换为可用格式。气象学家习惯于数字，但活跃火灾中的事件指挥官需要直观地查看数据，以便他们能快速理解哪些条件正在变化，以及如何变化。这就是数据可视化合作伙伴发挥作用的地方。对于密苏拉行动，MITRE、英伟达和易智瑞团队加入了NASA的实地工作。易智瑞团队早期的一个数据可视化显示了在FireSense UAS技术演示第一天在密苏拉发射的气象气球的飞行路径。这些路径按风速从紫色（低风速）到亮黄色（高风速）着色。NASA/米兰·洛亚科诺

来自气球和平流层无人机平台的测量数据立即被发送给现场的数据团队。MITRE团队与英伟达一起测试了高分辨率的人工智能气象模型，而易智瑞团队则创建了飞行路径、温度和风速方向的全面可视化。这些数据的可视化让非气象学家更容易快速得出结论。

接下来是什么？无人机在火灾监测中的应用开发不仅限于密苏拉，也不会在此结束。“这次行动利用了近十年的研究、开发、工程和测试，”麦克斯温说。“我们已建立起UAS飞行能力，现在可在整个NASA范围内应用。”NASA Alta X及其传感器有效载荷将在2025年春季前往阿拉巴马州和佛罗里达州，整合在蒙大拿州识别出的改进。在那里，团队将与来自不同地区的野外消防管理人员进行另一次技术演示。要查看更多来自FireSense行动的照片，请访问：https://nasa.gov/firesense

FireSense项目由位于华盛顿的NASA总部领导，并隶属于野火项目，项目办公室设在NASA Ames。FireSense项目的目标是将地球科学和技术能力应用于运营中的野火管理机构，以应对美国野火管理在火灾前、期间和之后面临的挑战。

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