切尔诺贝利核辐射地图

无人机激光雷达的使用正在切尔诺贝利禁区复杂的地形中进行测试。布里斯托尔大学研究小组的目的是证明，在发生核事故时，可以使用无人机代替载人飞机提供有关辐射扩散和强度的实时态势数据。

1986年切尔诺贝利核电站(ChNPP)释放的放射性核素仍然是民用核能发电历史上最严重的核事故。周边地区被称为切尔诺贝利禁区(CEZ)，是地球上辐射污染最严重的地区之一。在如此大规模地向环境中释放放射性物质后，有效地确定放射性的空间分布至关重要。在CEZ的表面环境中仍然保留着相当多的高放射性物质，而且没有足够的放射性监测和危险意识。自从2019年的电视短剧叫切尔诺贝利核事故在美国，经济特区的旅游兴趣激增，到当年年底，年游客超过12.4万人次。尽管2020年和2021年的访日人数因COVID-19而下降，但该地区的人员增加突显出缺乏适当的辐射防护和潜在致命放射性热点的知识。因此，监测和了解放射性污染目前和正在演变的性质对地面和空气的影响，对人类安全和当地生态都是至关重要的。

绘制切尔诺贝利地图的项目

英国的布里斯托大学正在与乌克兰当地研究所密切合作进行几个机器人项目，以解决在经济特区进行辐射测绘的需要。测绘切尔诺贝利项目旨在帮助提高监测和测绘的效力，并开发新的、有效的方法，几乎消除直接的人类风险。汤姆教授斯科特，项目负责人，评论:“这种独特的环境也使我们有机会测试具有辐射测绘能力的新型固定翼无人机系统(UASs)，以证明，在发生核事故时，可以使用无人机代替载人飞机，提供有关辐射扩散和强度的实时态势数据。”该项目将为研究CEZ高流动性污染所带来的全球环境危害的科学家和负责管理居民和其他进入该地区的人的辐射安全的人提供见解。

布里斯托尔队在地面

该团队是高度多学科的，包括空中、地面和水下机器人，机器人小组的成员主要来自工程和物理培训和背景。除了目前的切尔诺贝利项目，该小组还参与了使用无人机(uav或“无人机”)进行的其他几种类型的地球物理调查，包括高光谱和热成像。然而，近年来，他们把重点放在了核工业上，绘制了人为和自然辐射源的地图。此前的研究涉及在世界各地不同地点部署伽马制图无人机，包括英国、美国、日本、罗马尼亚、葡萄牙和阿联酋。例如，他们与火山学家密切合作，测量和绘制偏远地区的火山气体羽流，那里的安全问题与核场所类似，无法通过物理途径进入。研究小组将传感器放入火山口，以帮助预测大爆发。这些可部署的传感器被命名为“Dragon Eggs”，未来将进一步开发，以便在不太频繁的测绘事件之间提供更多的定期测量。

在切尔诺贝利事故发生后的几十年里，远程/自动化表征技术有了长足的发展。特别是，具有辐射测绘能力的UASs已在许多场合显示出在灾后环境和周围环境中测绘辐射的出色结果。在这些项目中，技术不断发展，变得更自动化、更精确、更敏感。在目前的项目中，该团队已经开发并正在部署一系列先进的传感器系统，用于在CEZ中收集实时数据。

无人机激光雷达:最合适的方法

激光雷达被认为是与传统载人飞机方法相比的优势方法，后者能够快速测绘大面积区域，但在某些情况下存在重大缺陷。这些问题包括由于飞机的操作高度而导致的低空间分辨率，以及操作人员暴露于潜在有害电离辐射的风险。Routescene的LidarPod是一个理想的系统，因为它能够收集精确的数据和高分辨率的输出，并可部署在复杂的，危险的环境，如这个核场所。基兰博士木他说:“研究目标之一是开发一种更精确的方法来绘制一个地区的辐射模式。在这个过程中，一部分需要高精度的物理结构和地形的三维模型，而激光雷达是复杂地形三维测绘的理想选择。由于大多数放射性物质都包含在地下，我们还需要一个裸地球模型，激光雷达的后处理可以提供高精度。”摄影测量方法与LidarPod系统结合使用，因为它们也可以生成高度精确的结构和地形的3D模型。除了使用伽马和激光雷达传感器进行测绘外，无人机还配备了摄像机，使研究小组能够并行地收集摄影测量图像集。对于这些平坦地形，摄影测量数据的处理速度通常较快。然而，根据Wood的说法，激光雷达将在一些复杂的CEZ环境中发挥更大的作用，包括近垂直结构。

该小组在CEZ收集的激光雷达数据有可能用于其他目的，例如估计植被的体积。随着树木和植物多年的生长，大量的放射性物质通过它们的根系进入了环境中。在CEZ及其周边地区，森林火灾经常发生。“红色森林”是距离核反应堆最近的林地，因此是受污染最严重的区域，如果发生森林火灾，可能会释放出存在于树木中的放射性粒子。在这种情况下，布里斯托尔团队对燃烧材料体积的估计可以用来预测火灾对该地区的影响，从而支持当地的安全、规划和管理目标。

地图区域的特征

该小组迄今为止使用空中激光雷达绘制的周围环境大多是自然重建的地区。它们最初是小城镇、村庄和工业场地，但许多建筑物和森林在灾后清理活动中被拆毁和掩埋。现在的地形混合了这些建筑的遗迹，一些自然林地和一些新种植的树木，以保持土壤的完整性。地形非常平坦，这是理想的探索研究，因为它简化了飞行模式要求，并允许使用单一一致的高度。

主要的测量是伽马辐射强度，它可以很容易地穿过几十米的空气。Wood解释说:“通过将伽马探测器安装在无人机上并在地形上方飞行，可以绘制测量到的伽马强度的变化，然后进行后处理，可以将测量数据插值到完整的地图中。定位变得相对简单，因为热点被测量的辐射强度非常局域化的峰值清楚地指示出来。这些测量结果都带有GNSS接收器的地理标记，因此伽马地图的视觉解释可以告诉我们辐射热点的经度和纬度。”

安全和风险管理

受损的4号反应堆周围的整个地区都受到了爆炸和火灾产生的放射性尘埃的污染，许多地区的伽马辐射水平仍在上升。然而，自1986年以来，辐射强度已大幅降低。主要的辐射危害是反应堆本身，以及一些活动异常高的有限区域，包括紧靠中国核反应堆西部的红色森林。红色森林中心的区域仍然辐射过大，无法进入，因此使用机器人进行远程检查至关重要。为了克服这些进入问题，该团队严格把守在辐射水平可接受的低的安全区域，并将无人机从这些安全区域部署到辐射水平较高的区域。尽管无人机在这些地区暴露在更高水平的辐射中，但这并不意味着它们本身就具有放射性。由于污染只有在飞行器接触到地面时才会发生，因此操作员可以在飞行之间安全地处理无人机。

正在进行的挑战

CEZ仍然对任何商业开发关闭，该地区唯一的居民是工作人员和保卫安全的士兵。该团队面临的主要挑战之一是在设施有限的情况下工作，包括缺乏移动电话覆盖。因此，该队必须自给自足，自给自足，使用可以用卡车运送的设备进行作业。尽管尽了最大努力来维护安全，但仍然存在一些风险。例如，如果发生了严重的问题，外部援助就很难获得。由于无法直接评估任何障碍的存在或高度，情况更加复杂。该团队通过开发一种两阶段的飞行规划方法克服了这一问题:首先，手动飞行多旋翼无人机以评估最小可接受高度，其次，对固定翼进行编程以执行广域调查。将高度降到最低是很重要的，因为它直接影响到最终地图的分辨率。

项目及其成果的重要性

布里斯托尔小组所进行的调查的最终成果是一幅更精确的目标地区的伽马地图，并与小组的乌克兰合作伙伴分享。对于大学的研究人员来说，这个项目的最终成果是开发出新的方法。这是固定翼辐射测绘无人机的首次演示，比多旋翼无人机具有更长的射程和更大的区域覆盖范围。该团队正在继续使用收集到的独特数据完善数据后处理算法。将开发强大的工具，供管理和监测该区域的人员使用。

其中一些地图已于2020年4月实施，以支持应对在CEZ开始的大规模森林火灾，这些火灾破坏了该地区，并开始向红色森林移动。由于担心会有大量的放射性物质泄漏，英国气象局(UK Meteorological Office)和后来的美国国家航空航天局(NASA)都使用了辐射图来模拟可能的辐射泄露情况。幸运的是，在他们到达红森林之前，大火被雨扑灭了。

下一步和未来计划

布里斯托大学有一个非常强大的核机器人团队。他们将继续与中国国家减灾中心合作，进行测绘工作，并创新新的设备、传感器和方法，以帮助修复活动。COVID-19推迟了新设备的现场测试。然而，团队计划尽快返回，继续他们在这个重要项目上的工作。