从农场到失落的城市，无人机正在悄悄地彻底改变现代科学
快速阅读: 《ZME 科学》消息，无人机已成为科学研究的重要工具，应用于考古、农业、环保和地质等领域。它们以低成本、高精度提供数据，助力解决环境、农业等问题，但也需关注隐私和伦理问题。
2020年8月，研究人员在Tempelfjorden开展野外工作。照片来源：理查德·汉恩/挪威科技大学。
装备了热成像仪和光谱传感器的这些飞行机器人，能够绘制融冰地图、发现隐藏的藻华，并以比说出“气候临界点”还要快的速度传回数据。这不仅仅是酷炫的技术——这是科学研究的一场革命。无人机如今已成为科学研究中的变革者。无人机曾是业余爱好者和士兵的专属品，如今已成为现代科学的意想不到的英雄。它们价格低廉、灵活且功能强大。它们正在以前所未有的方式帮助科学家接触世界。
这一转变非常迅速。十年前，大多数研究人员甚至不会考虑将无人机作为严肃的工具。而今天，它们在从考古学到火山学，再到海洋生物学和精准农业等各个领域都不可或缺。
多光谱相机显示受压与健康的农业区域。无人机（技术上称为无人驾驶航空器或UAV）解决了科学中的三个老问题：获取、分辨率和成本。有人驾驶飞行昂贵且危险。卫星缺乏细节和灵活性。地面调查需要时间和汗水。无人机填补了这个空白。
但真正令人惊叹的是无人机能携带的传感器种类越来越多。它们可以进入狭窄的空间——例如火山口、丛林树冠、倒塌的建筑物——而不会危及人类生命。它们可以一次又一次地以极低成本做到这一点。
让我们来具体谈谈。对考古学的推动
激光雷达，简称光探测和测距，是一种遥感技术，它使用激光脉冲来测量距离，精度惊人。想象一下雷达，但用激光代替无线电波。安装在无人机上的激光雷达系统每秒向地面发射数千个激光脉冲，并测量每个脉冲返回所需的时间。激光雷达的非凡之处在于它能够“穿透”植被。与普通相机或卫星不同，它们只能捕捉可见表面，激光雷达可以穿透树冠，揭示下面的东西——无论是裸露的土地、微妙的地貌变化，还是失落的古代建筑。
这项技术特别擅长检测表明埋藏考古遗址存在的细微地表和地下特征。这些特征可能包括作物标记（埋藏结构上方的植被生长差异）、土壤标记（土壤颜色或质地的变化），或轻微的地貌异常。这种能力彻底改变了考古勘探，使大范围的快速、经济高效且无损的调查成为可能，通常会发现之前未知的遗址。
著名的例子包括在玻利维亚卡萨拉贝文化中和新墨西哥州蓝J遗址中通过激光雷达辅助发现的隐藏结构，以及在吴哥窟和奇琴伊察等主要遗址中的发现。事实上，无人机正在揭示我们不知道的整个文明和城市网络，尤其是在南美洲。
但这不仅仅局限于激光雷达。通过无人机摄影测量（将多个重叠的照片拼接在一起）获得的数据被用来创建高度详细和准确的考古遗址和历史结构的三维模型、数字高程模型和正射镶嵌图。简而言之，它们正在帮助科学家精确地再现考古遗址。
即使是在像巨石阵这样的知名遗址，激光雷达也能帮助考古学家可视化新的特征。这些数字表现形式具有多重用途。它们为文档记录和归档提供全面支持；它们有助于对场地布局和建筑特征进行详细的空间分析；它们有助于监测结构健康状况及其随时间的退化；并且它们为保护和修复规划提供信息。这种方法为文化遗产保护提供了宝贵的工具，能够在最小化对脆弱遗址影响的同时实现虚拟重建用于研究和公众参与。
但考古学只是冰山一角。精准农业
你可以辩称，从社会的角度来看，考古学为我们提供的好处是有限的。也许你想实际一点，只看实用的、有影响力的解决方案。那么，还有什么比农业更有影响力呢？
无人机处于精准农业革命的前沿，为农民和农业研究人员提供了前所未有的精准度和效率来监控作物和管理资源。在这里，多光谱相机发挥了作用。无人机上的这些相机捕获特定波长的光线图像——通常包括可见光带如红色、绿色和蓝色，以及不可见光带如近红外或红边。当无人机飞过一个区域时，它会收集来自植物、土壤或水等表面反射的光线。由于不同的材料在不同波长下反射和吸收光线的方式不同，科学家可以利用这些数据检测肉眼看不到的特征——如作物压力的早期迹象、水污染或植物疾病。
通过分析光谱带间的对比度，研究人员可以生成高精度的详细地图，显示植物健康状况、土地覆盖类型或环境变化。例如，一项研究表明，借助无人机辅助杂草检测，除草剂的使用量减少了52%。它们还可以将化肥的使用量减少三分之一。无人机还可以通过绘制土壤特性（如水分或有机质）来协助。你可以看到哪些田地需要施肥或如何优化灌溉。
这一切之所以可行，是因为无人机也变得越来越便宜。如果它们太贵，农民部署它们就没有太多意义。但随着有用的无人机变得相对实惠，即使是小规模农民有时也可以负担得起基于精度的方法。事实上，无人机帮助许多农民节省了资金（同时为环境带来了额外的好处）。
环境科学
你可以写整本书来描述无人机如何帮助环境研究人员。实际上，人们确实写了整本书。
首先，它们对于调查多样化的动物种群很有用。从海豹和北极熊，到鸟群和海洋哺乳动物，无人机为生活在偏远环境中的动物提供了前所未有的视角。
杜克大学的无人机最近显示，由于保护努力，灰海豹正在返回新英格兰和加拿大的海岸。它们还用于以最小干扰的方式追踪迁徙模式。
在林业中，配备多光谱和高光谱传感器的无人机对于评估森林健康至关重要。它们可以识别疾病的早期迹象或害虫侵扰，绘制森林砍伐区域，并监测重新造林计划的进展。
森林砍伐（尤其是非法砍伐）是出了名的难以追踪，而无人机是一项宝贵的工具。但不仅仅是监测；它还包括种植。无人机可以在人工难以到达的地区快速喷洒种子。这种能力不仅使追踪非法采伐成为可能，还通过重新造林来对抗非法采伐。
当然，气候研究人员也从无人机的兴起中受益匪浅。除了像森林和土壤测绘这样可以帮助建立更好模型的事情外，无人机还可以用于测量沿海侵蚀率、观察冰川融化以及跟踪植被模式的变化。
卫星也提供有用的数据，但无人机的分辨率要好得多。例如，无人机可以绘制冰川表面温度和淡水流入海洋环境的地图，为了解冰冻圈对变暖的响应提供见解。
南安普顿大学的简·K·哈特指出：“无人机不怕寒冷——夏季冰岛通常气温在10到14摄氏度之间——我们添加了一个释放机制，以便在传感器安全放置在冰上后，我们可以控制放下携带传感器的细绳。传感器的电池是太阳能充电的，所以在零度以下不会工作，所以我们一直在忙着在冬天到来之前布置传感器。”
她强调了详细研究冰川的重要性。“冰川就像金丝雀，它们给我们提供了气候变化的预警信号。我们降落在冰川上的传感器提供了一种观察其行为的新方法。”
监测和研究地质灾害
无人机已成为研究和应对地质灾害——如滑坡、地震、火山喷发和海岸侵蚀等可能威胁生命和基础设施的自然事件——的重要工具。它们能够低空飞行并在不稳定或无法进入的地形上机动，使科学家能够在实时安全地监测危险区域。
例如，无人机可以使用摄影测量和激光雷达以厘米级的精度绘制活跃滑坡区域的地图，帮助评估移动速度和失败风险。在沿海地区，重复的无人机飞行捕捉侵蚀模式和海岸线后退，将数据输入用于减灾的预测模型。
在地震期间或之后，无人机可以快速评估建筑物、桥梁和道路的损坏情况，为应急团队提供最需要帮助的地方的清晰画面。
在火山学中，无人机被部署到直接进入气体羽流和靠近火山口的地方——这些任务对人类来说太危险了。配备了气体传感器和热成像仪，它们测量二氧化硫和二氧化碳等排放物，跟踪温度变化，并从安全距离观察喷发活动。这些数据帮助科学家预测喷发并及时发出警告。
Taylor Mill, Kentucky的滑坡。由2019年3月11日无人机UAV影像生成的斜坡倾斜视图。图片来源：Johnson等人（2023）。
Lamont助理研究教授艾因特·莱夫致力于研究火山，旨在改进火山喷发危害评估和预测。在地震频发或山区地区，无人机也被用于检查悬崖裂缝、监测落石，并随着时间推移建模地面变形。
曾经需要直升机、高昂成本和相当危险的工作现在可以快速、廉价且令人惊讶地详细完成——这一切都要归功于天空中的嗡嗡作响的机器人。
为什么这如此重要
并非全是阳光灿烂，关于无人机伦理也有大量内容需要讨论。隐私是一个严重的问题——野生动物干扰是另一个。
即使是最安静的无人机，如果使用不当也会给动物带来压力。技术本身并不完美。电池很快就耗尽。天气可能会阻碍飞行。管理大规模数据集——通常每个项目达到TB级——是一项后勤难题。
但如果使用得当，无人机是一场游戏规则的改变者。不仅仅是你可以用它们做不同类型的科学。无人机正在改变科学的规模。它们将一次性实地考察转变为持续监测。它们用硬数据取代猜测。它们节省时间、金钱，有时甚至挽救生命。它们在全球范围内发挥作用——在农田、城市、海洋，甚至深入荒野。
在科学家、学生和公民观察者的手中，无人机正成为一种地球神经系统。科学方法刚刚获得了新的翅膀；并且它正在取得显著成果。
标签：考古学、气候变化研究、无人机科学、无人机技术、无人机环境监测、激光雷达、现代考古学、摄影测量、精准农业、遥感科学工具、UAVs
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