Le fotocamere e i computer Raspberry Pi flessibili e facili da usare riducono il costo della modellazione 3D dei ghiacciai – Leeds University

Dopo il successo di una sperimentazione europea, i ricercatori della School of Geography dell’Università di Leeds stanno utilizzando i computer Raspberry Pi e le fotocamere di alta qualità Raspberry Pi in sistemi di allarme del degrado dei ghiacciai a lungo termine ea basso costo nelle Ande e nell’Himalaya.

Tra gli indicatori più visibili del ritmo del cambiamento climatico troviamo i tassi di accelerazione con cui le distese di ghiaccio si stanno ritirando e i ghiacciai si sciolgono. Le osservazioni climatiche della NASA confermano che l’acqua aggiunta dai ghiacciai e dalle calotte glaciali mentre si sciolgono e l’espansione dell’acqua di mare mentre si riscalda, sono i maggiori contributori all’innalzamento del livello del mare.

Di conseguenza, diversi studi importanti stanno monitorando da vicino la velocità con cui le regioni polari stanno cambiando. Tra questi notiamo gli studi di Arribada e Penguin Watch che utilizzano telecamere Raspberry Pi per filmati timelapse a lungo termine di luoghi specifici, misurando i cambiamenti nella distribuzione di ghiaccio e iceberg, nonché nelle popolazioni di animali selvatici nel corso delle stagioni. Tuttavia, ci sono meno studi sul restringimento dei ghiacciai continentali, non da ultimo a causa dell’ubicazione di tali ghiacciai. Un gruppo di scienziati che svolgono questo lavoro è il team dietro un progetto di ricerca sul distacco dei ghiacciai presso la School of Geography dell’Università di Leeds, guidato dal docente Liam Taylor.

La sfida

Per monitorare efficacemente i cambiamenti dei ghiacciai, le indagini dettagliate sul campo devono andare di pari passo con le osservazioni su scala più ampia dei paesaggi glaciali e dei cambiamenti ambientali in atto. È qui che la scansione 3D e la fotografia timelapse possono svolgere un ruolo fondamentale. Tuttavia, sebbene esistano robuste videocamere timelapse e sistemi di monitoraggio ambientale, il loro costo elevato è proibitivo, poiché le risorse sono spesso scarse proprio nei luoghi soggetti agli effetti più estremi del riscaldamento globale. Come osserva Taylor, “In effetti, la maggior parte dei ghiacciai si trova in paesi come il Perù, il Nepal e l’India”.

Spesso, le persone che vivono in queste aree sono a rischio di insicurezza alimentare e di perdita improvvisa delle loro case in caso di catastrofe ambientale come un’alluvione a seguito del distacco dei ghiacciai. “Stiamo lavorando con le comunità indigene là fuori che vivono a centinaia di metri dal rischio reale di inondazioni improvvise”.

“Il punto cruciale del progetto era, possiamo sviluppare qualcosa che sia una sorta di tecnica di monitoraggio?” spiega Taylor. Il suo team voleva sviluppare qualcosa che potesse fungere da sistema di allerta precoce per un evento di distacco, in cui pezzi di ghiacciaio si staccano, con il potenziale di causare inondazioni diffuse. Il team di Leeds ha scelto di concentrarsi sui ghiacciai perché “si stanno ritirando più velocemente che mai, i pericoli ad essi associati stanno crescendo e ci sono sempre più persone in tutto il mondo vulnerabili ai pericoli”.

Mantenere i costi molto bassi – meno di £ 100 – era un principio fondamentale del progetto del team di Leeds, dato che uno dei suoi obiettivi era sostenere le comunità nei paesi in via di sviluppo.

La soluzione

Il team dell’Università di Leeds, Liam Taylor e i colleghi Duncan Quincey e Mark Smith, hanno completato un processo in Islanda. Hanno installato dieci unità di monitoraggio, ciascuna costruita attorno a una fotocamera di alta qualità Raspberry Pi e a un Raspberry Pi Zero W, e le hanno utilizzate per creare immagini fotogrammetriche del ghiacciaio Fjallsjökull. Le telecamere sono state collocate all’interno di un alloggiamento resistente alle intemperie, la parte più costosa di ogni configurazione della telecamera, e sono state programmate per scattare un’istantanea a intervalli prestabiliti per diversi mesi. Le unità erano alimentate da batterie ricaricate con energia solare, mentre le telecamere stesse erano posizionate per catturare una vista lineare ma sovrapposta del ghiacciaio.

Le foto risultanti sono state raccolte alcuni mesi dopo e poi elaborate utilizzando il software Agisoft Metashape per creare scene 3D realistiche. I geografi dell’Università di Leeds hanno eseguito test simultanei con un dispositivo aereo senza pilota (UAV o drone) concentrandosi sulla stessa area del ghiacciaio e hanno elaborato anche questi risultati con Metashape. Il team ha confrontato sottoinsiemi dei risultati di ciascun sistema di monitoraggio, costituiti da immagini di regioni del ghiacciaio lunghe 250 metri.

A seguito di questa prova di successo, hanno installato dispositivi di monitoraggio basati su Raspberry Pi nella Cordia Vilcanota, a circa 50 miglia da Cusco, in Perù, dove si trova una serie di ghiacciai. E a oltre 10.000 miglia di distanza, in India e Nepal, il team di Leeds ha supportato i ricercatori locali per avviare nuove indagini sul distacco dei ghiacciai himalayani. I team locali stanno conducendo la ricerca da soli, assistiti dalle conoscenze tecniche acquisite dai geografi di Leeds.

Il team desidera che il proprio lavoro vada a beneficio di quante più persone possibile. “Il sistema sarà sempre open source e cercheremo sempre di offrire aiuto e supporto a tutti i cittadini scienziati che desiderano implementare sistemi simili per rispondere alle proprie sfide”.

Perché Raspberry Pi?

I requisiti del team erano chiari: cercavano hardware a basso costo in grado di svolgere il compito, disponibile per l’acquisto in quantità presso i rivenditori locali e abbastanza semplice da poter essere configurato da qualcuno con solo un paio d’ore di formazione.

Liam e colleghi hanno esaminato ciò che era disponibile nei mercati di strada vicino alle regioni in cui speravano di istituire il monitoraggio dei ghiacciai. Hanno scoperto che i computer e le fotocamere Raspberry Pi soddisfacevano tutti i loro requisiti ed erano disponibili per l’acquisto in loco a una frazione del costo dell’hardware convenzionale.

I risultati

Gli straordinari risultati delle telecamere, anche giudicati insieme a quelli dei droni con potenti telecamere progettate per compiti di sorveglianza, hanno superato le aspettative di tutti. Le fotocamere Raspberry Pi sono state in grado di catturare immagini 3D dei ghiacciai di qualità simile a quella dei droni, a un costo notevolmente inferiore. Meglio ancora, poiché le richieste computazionali dell’attività sono moderate, il sistema funziona anche sul Raspberry Pi Zero a bassissimo costo.

Il documento di ricerca del team che valuta l’idoneità dell’hardware Raspberry Pi per il monitoraggio dei ghiacciai, pubblicato all’inizio del 2023 e disponibile gratuitamente, presenta i risultati e l’analisi completi.

Le configurazioni della fotocamera Raspberry Pi possono essere lasciate sul posto per mesi alla volta, consentendo una fotogrammetria timelapse a basso costo che produce modellazione 3D con tolleranze di errore ben all’interno della gamma della precisione di un UAV: sorprendentemente, il loro errore medio è inferiore a un metro da una distanza di 1,5 km, con appena dieci telecamere di questo tipo necessarie per creare questo livello di dettaglio tridimensionale. A differenza di un drone, che è soggetto ai capricci del maltempo e può volare solo quando le condizioni sono favorevoli, le resilienti configurazioni della fotocamera Raspberry Pi funzionano in qualsiasi condizione atmosferica e richiedono l’intervento umano solo quando un ricercatore viene a ritirare una scheda di memoria SD, quindi le foto possono essere analizzate.

L’accessibilità e la disponibilità dell’hardware Raspberry Pi consentono ai ricercatori locali di assemblare rapidamente unità aggiuntive una volta completata la formazione iniziale. Il team dell’Università di Leeds è particolarmente desideroso che la ricerca sia lasciata nelle mani dei gruppi di ricerca ambientale locali, fornendo loro competenze e conoscenze pertinenti insieme all’agenzia per le proprie indagini ambientali.

Il lavoro per estendere ulteriormente le capacità della configurazione di monitoraggio continua: in Nepal, uno dei Raspberry Pis sarà utilizzato in tandem con un sismografo Raspberry Shake insieme a un microfono per ascoltare il ghiacciaio mentre “gemora”. Il team di Leeds spera inoltre di localizzare i sensori che coprono una regione delle Alpi italo-svizzere ad alto rischio di eventi di collasso dei ghiacciai, con l’obiettivo di fornire allerta preventiva e proteggere la vita.

Alla fine del 2022, il team è tornato in Perù per un vertice internazionale sul clima per dimostrare la loro impressionante ricerca fotogrammetrica e per mostrare ai governi nazionali e locali che questo tipo di monitoraggio potrebbe far parte del loro adattamento ai cambiamenti climatici. La loro configurazione efficace ed economica basata su Raspberry Pi ha attirato l’interesse di numerosi enti governativi in Perù, nonché di organizzazioni di beneficenza. “Stiamo cercando di andare là fuori per ottenere più soldi da mettere nelle mani delle comunità in modo che possano spenderli per questi strumenti Raspberry Pi che ora sappiamo funzionare”.

Tutte le immagini © Liam Taylor, Scuola di geografia dell’Università di Leeds

 

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