การทำแผนที่พื้นมหาสมุทรทั้งหมด - จากท้องฟ้า?

เมื่อเร็วๆ นี้เพื่อนของฉันที่ทำงานในการออกแบบเกมได้แสดงโมเดล 3 มิติของโลกให้ฉันดู ซึ่งแสดงผลด้วยรายละเอียดที่ยอดเยี่ยมโดยใช้ภูมิประเทศ ข้อมูลดาวเทียมที่แม่นยำ เพื่อให้เราสามารถทะยานผ่านหุบเขาและละแวกใกล้เคียงของเราด้วยความเร็วสูงราวกับขี่ความสุข ซุปเปอร์แมน. “มาดูกันว่าเราจะลงไปใต้น้ำได้ไหม” เขากล่าวอย่างร่าเริงขณะที่เราบินออกไปเหนือมหาสมุทรแปซิฟิก

เราทำไม่ได้ แบบจำลองนี้มีความแม่นยำบนบกอย่างน่าทึ่ง เห็นได้ชัดว่าไม่มีข้อมูลใดที่จะจำลองสภาพแวดล้อมใต้ทะเลได้ มันเป็นความว่างเปล่าที่ไม่เปลี่ยนแปลงภายใต้พื้นผิวกระจกของน้ำ ราวกับว่านี่เป็นเวอร์ชั่นใต้น้ำ การแสดงทรูแมนและเราก็ได้มาถึงจุดสิ้นสุดของโลกแล้ว

เราทั้งคู่ต่างก็ประหลาดใจเป็นพิเศษ คงจะช็อกมากถ้าอยู่ในมหาสมุทร มี ได้รับการแสดงผล ข้อมูลนั้นจะมาจากไหน? และมันจะแม่นยำขนาดไหน? นั่นอาจหมายความว่าผู้สร้างแบบจำลองนั้นรู้บางสิ่งที่แม้แต่นักสมุทรศาสตร์ชั้นนำของโลกก็ไม่รู้

สำหรับความตื่นเต้นที่สมเหตุสมผลในการสำรวจอวกาศในปี 2020 (อีลอน มัสก์ คือ “

มีความมั่นใจสูง” ซึ่งมนุษย์จะพุ่งเข้าสู่ดาวอังคารภายในปี 2569) มหาสมุทรของโลกของเรายังคงเป็นพื้นที่ส่วนใหญ่ที่ยังไม่มีใครรู้จักและไม่รู้จัก ซึ่งตั้งอยู่ใกล้กับบ้านมาก น้ำปกคลุมพื้นผิวโลกประมาณ 71 เปอร์เซ็นต์ โดยน้ำจืดที่เราดื่มคิดเป็นสัดส่วนเพียง 3 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งมากกว่าข้อผิดพลาดในการปัดเศษเล็กน้อย แต่มหาสมุทรส่วนใหญ่ของโลกอย่างล้นหลาม – มากถึง 95 เปอร์เซ็นต์ – ยังเป็นปริศนาที่ยังไม่มีใครสำรวจ

แม้ว่าเรายังห่างไกลจาก Google Street View ที่เทียบเท่ากับโลกใต้ทะเล แต่ก็มีโครงการใหม่ที่กำลังดำเนินอยู่ นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดสามารถปูทางไปสู่สิ่งนี้ได้ในอนาคต และอื่นๆ อีกมากมาย นอกจาก. รูปภาพที่สามารถบินเครื่องบินเหนือผืนน้ำและมองเห็นสิ่งที่ซ่อนอยู่ใต้คลื่นได้อย่างคมชัด

มันฟังดูเป็นไปไม่ได้ ปรากฎว่ามันยากจริงๆ

ปัญหาเกี่ยวกับลิดาร์ ปัญหาเกี่ยวกับโซนาร์

“การถ่ายภาพสภาพแวดล้อมใต้น้ำจากระบบทางอากาศถือเป็นงานที่ท้าทาย แต่ก็เป็นงานที่มีโอกาสประยุกต์ได้มากมาย” ไอดาน เจมส์ ฟิตซ์แพทริคนักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษาในภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้าและวิศวกรรมไฟฟ้าของมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดบอกกับ Digital Trends

ผู้สมัครที่ชัดเจนสำหรับงานถ่ายภาพนี้คือลิดาร์ ลิดาร์คือ. เทคโนโลยีเลเซอร์เด้ง มีชื่อเสียงมากที่สุดในการช่วยเหลือยานพาหนะอัตโนมัติ (ที่ไม่ใช่เทสลา) ในการรับรู้โลกรอบตัว มันทำงานโดยการปล่อยคลื่นแสงเป็นจังหวะ จากนั้นวัดระยะเวลาที่คลื่นแสงกระเด็นออกจากวัตถุและกลับไปยังเซ็นเซอร์ การทำเช่นนี้ช่วยให้เซ็นเซอร์คำนวณว่าพัลส์แสงเคลื่อนที่ไปไกลแค่ไหน และเป็นผลให้สามารถสร้างภาพของโลกรอบๆ ตัวมันได้ แม้ว่ารถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยตนเองยังคงใช้ LIDAR ที่รู้จักกันดีที่สุด แต่ก็สามารถใช้เป็นเครื่องมือทำแผนที่ที่ทรงพลังในบริบทอื่นได้เช่นกัน ตัวอย่างเช่น นักวิจัยใช้มันในปี 2559 เพื่อ ค้นพบเมืองที่สูญหายไปนานที่ซ่อนอยู่ ใต้ใบไม้หนาทึบในป่ากัมพูชา

แม้ว่า Lidar จะไม่เหมาะสมกับการทำแผนที่ประเภทนี้ แม้ว่าระบบลิดาร์กำลังสูงขั้นสูงจะทำงานได้ดีในน้ำที่ใสสะอาดมาก แต่มหาสมุทรส่วนใหญ่ โดยเฉพาะน้ำชายฝั่ง มีแนวโน้มที่จะมืดครึ้มและทึบแสง จากผลที่ตามมา ฟิทซ์แพทริคกล่าวว่า การถ่ายภาพใต้น้ำส่วนใหญ่ที่ดำเนินการจนถึงทุกวันนี้อาศัยระบบโซนาร์ในน้ำที่ใช้คลื่นเสียงที่สามารถแพร่กระจายผ่านผืนน้ำที่มืดครึ้มได้อย่างง่ายดาย

น่าเสียดายที่ยังมีสิ่งที่จับได้ที่นี่เช่นกัน ระบบโซนาร์ในน้ำถูกติดตั้งหรือลากโดยเรือที่แล่นช้าๆ การถ่ายภาพจากอากาศโดยใช้ยานพาหนะที่บินได้ทางอากาศจะมีประสิทธิภาพมากกว่าเนื่องจากสามารถครอบคลุมพื้นที่ได้กว้างกว่ามากโดยใช้เวลาน้อยลง แต่มันเป็นไปไม่ได้เนื่องจากคลื่นเสียงไม่สามารถผ่านจากอากาศลงสู่น้ำแล้วกลับมาอีกครั้งโดยไม่สูญเสียพลังงานถึง 99.9999 เปอร์เซ็นต์

สิ่งที่มาถึง PASS

ด้วยเหตุนี้ ในขณะที่ระบบไลดาร์และเรดาร์ได้ทำแผนที่ภูมิทัศน์ของโลกทั้งหมด (เน้นที่ “แผ่นดิน”) เพียงประมาณร้อยละ 5 ของน่านน้ำทั่วโลกเท่านั้นที่เป็นเป้าหมายของการถ่ายภาพที่คล้ายกันและ การทำแผนที่ นั่นเทียบเท่ากับแผนที่โลกที่แสดงเฉพาะประเทศออสเตรเลีย และปล่อยให้ส่วนที่เหลือมืดมนเหมือนไม่มีใครสำรวจ อายุของจักรวรรดิ แผนที่.

“เป้าหมายของเราคือการนำเสนอเทคโนโลยีที่สามารถติดตั้งบนยานพาหนะที่บินได้เพื่อให้ครอบคลุมพื้นที่ขนาดใหญ่ในขณะที่ใช้เทคนิคการถ่ายภาพที่แข็งแกร่งในน้ำขุ่น” ฟิทซ์แพทริคกล่าว “เพื่อบรรลุเป้าหมายนี้ เรากำลังพัฒนาสิ่งที่เราสร้างระบบโซนาร์ในอากาศแบบโฟโตอะคูสติก PASS ใช้ประโยชน์จากการแพร่กระจายของแสงในอากาศและเสียงในน้ำเพื่อสร้างภาพสภาพแวดล้อมใต้น้ำจากระบบทางอากาศ”

PASS ทำงานดังนี้ ขั้นแรก ระบบเลเซอร์แบบกำหนดเองพิเศษจะยิงแสงอินฟราเรดออกมาซึ่งถูกดูดซับไว้ประมาณหนึ่งเซนติเมตรแรกของน้ำ เมื่อการดูดกลืนแสงเลเซอร์เกิดขึ้น น้ำจะขยายตัวตามความร้อน ทำให้เกิดคลื่นเสียงที่สามารถเดินทางลงไปในน้ำได้

“คลื่นเสียงเหล่านี้ทำหน้าที่เป็นสัญญาณโซนาร์ในน้ำที่สร้างขึ้นจากระยะไกลโดยใช้เลเซอร์” ฟิทซ์แพทริคกล่าวต่อ “คลื่นเสียงจะสะท้อนวัตถุใต้น้ำและเดินทางกลับไปยังผิวน้ำ เสียงบางส่วน - เพียงประมาณ 0.06 เปอร์เซ็นต์ - ข้ามส่วนต่อประสานระหว่างอากาศกับน้ำและเดินทางขึ้นไปยังระบบทางอากาศ เครื่องรับหรือทรานสดิวเซอร์เสียงความไวสูงจับคลื่นเสียงเหล่านี้ ทรานสดิวเซอร์ [จากนั้น] จะแปลงพลังงานเสียงเป็นสัญญาณไฟฟ้าซึ่งสามารถส่งผ่านอัลกอริธึมการสร้างภาพใหม่เพื่อสร้างภาพที่มองเห็นได้”

สิ่งของที่อยู่ใต้นั้น

จนถึงขณะนี้ PASS อยู่ระหว่างดำเนินการ ทีมงานได้สาธิตการถ่ายภาพสามมิติที่มีความละเอียดสูงในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการที่มีการควบคุม แต่ Fitzpatrick ยอมรับว่าสิ่งนี้อยู่ใน "ภาชนะที่มีขนาดเท่าตู้ปลาขนาดใหญ่" แม้ว่าตอนนี้เทคโนโลยีจะ "อยู่ใกล้เวที" ซึ่งสามารถนำไปใช้งานเหนือสระว่ายน้ำขนาดใหญ่ได้

แน่นอนว่ามีความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างสระว่ายน้ำขนาดใหญ่และมหาสมุทรทั้งหมดของโลก และสิ่งนี้จะต้องอาศัยการทำงานเพิ่มขึ้นอย่างมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความท้าทายใหญ่ที่ต้องแก้ไขก่อนการทดสอบในสภาพแวดล้อมขนาดใหญ่และไม่มีการควบคุมมากขึ้นคือวิธีจัดการกับการถ่ายภาพในน้ำที่มีคลื่นพื้นผิวปั่นป่วน Fitzpatrick กล่าวว่านี่เป็นการเกาหัว แต่เป็นสิ่งหนึ่งที่ "มีวิธีแก้ปัญหาที่เป็นไปได้อย่างแน่นอน" ซึ่งบางทีมกำลังดำเนินการอยู่

“บัตรผ่านสามารถใช้เพื่อทำแผนที่ความลึกของน่านน้ำที่ไม่เคยมีมาก่อน สำรวจสภาพแวดล้อมทางชีวภาพ ค้นหาซากเรือที่สูญหาย และอื่นๆ อีกมากมาย” เขากล่าว “มันไม่แปลกหรอกหรือ” เขากล่าวเสริม “ที่เรายังไม่ได้สำรวจโลกทั้งหมดที่เราอาศัยอยู่? บางที PASS อาจเปลี่ยนแปลงสิ่งนี้ได้”

การผสมผสานแสงและเสียงเพื่อแก้ปัญหาอินเทอร์เฟซของอากาศและน้ำจะเป็นตัวเปลี่ยนเกม และหลังจากนั้น? นำกองทัพโดรนทำแผนที่เข้ามาเพื่อช่วยแสดงให้เราเห็นว่ามีอะไรอยู่ใต้พื้นผิวมหาสมุทรในที่สุด

บทความที่อธิบายโครงการ PASS คือ ที่เพิ่งตีพิมพ์ในวารสาร IEEE Access.

คำแนะนำของบรรณาธิการ

• เสื้อกั๊กระบบสัมผัสแบบใหม่ที่ชาญฉลาดสามารถให้สุนัขกู้ภัยรับคำสั่งจากระยะไกลได้