德國開發低成本水位傳感器 可應用到更多河流

德國一所大學研發出一種可全天候監測河流水位感應器，因為成本低廉，可廣泛應用於江川河流。這給更多的民眾及時躲避洪水帶來福音。

德國波恩大學（Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn）的這項研究成果11月21日發表在《水資源研究》雜誌上。

測量水道水位的方法很多，但多數測量設備因長期在水中和暴露在陽光之下而容易損壞，導致許多測量設備無法進行連續監測，使得遠程讀數和警報系統很容易出問題。

此外，傳統的檢測設備因雷達系統太過昂貴，無法將這些設備普及到更多河川區域。

雖然反射測量水位是用類似於GPS的全球導航衛星系統（GNSS），但實驗室專用的或大地測量的GNSS儀器都價格昂貴（超過10,000美元）。波恩大學的科學家們研發的這種以樹莓派反射器（Raspberry Pi Reflector，RPR）為原型的GNSS儀器，並使用GNSS干涉反射器（GNSS-IR）對地面海平面和湖泊平面進行監測。

該機器裏面的低成本和易維護的單頻GPS模塊能與衛星數據配對和連網，它還有一個便宜的微型晶片用於校準、驗證。利用樹莓派在機器上使用Linux系統和Python代碼建立模型，將機器連接到導航太線和接收器上，完成整個樹莓派反射機器，該機器整體價格花費不到150美元。 

另外，該機器功耗低，能夠採用太陽能的方式獲取能源，也能用12V免維護循環密封鉛酸電池（壽命長達5年），而且它的安裝也不需依靠橋樑或碼頭等基礎設施，且能在極端天氣情況下安全運行。 

報告中提到，傳統的GNSS由24-32顆中軌的地球衛星組成，使用在來自多顆衛星的直接信號波，並依靠無線電的強弱信號來判斷周遭環境。不過GNSS-IR的觀測主要依靠反射衛星信號到接收器天線之間訊號疊加，並依靠兩者產生建設波和破壞波進行檢測。

反射信號總是比直接信號傳播更遠的距離，更晚到達天線。這種干擾模式在每個衛星軌道的信噪比（SNR）（科學和工程用於比較所需訊號的強度與背景雜訊的強度）數據中，產生周期性振盪，讓科學家利用此特性來測量水位。 

實驗中，研究人員將機器放到德國萊茵河畔韋塞爾附近，長達兩年時間。他們把樹莓派反射器放置在距離河水水位高12.5米的鋼製桅杆上，而大部份數據是使用天頂方向的天線設置收集的。

為了量化天線方向的影響，研究人員使用gnssreflPython的軟件包檢索RPR機器收集到的前一天和當天的水位，分析河水漲落，並通過比較水位數據，來驗證RPR從GNSS-IR技術中檢索該站水位的準確性。

報告提到，他們實驗的萊茵河這一段的水位在冬季流量高，夏季流量低，因此在冬天較容易出現洪災。但該段水位在2021年7月9日至16日監測到強降雨，導致河水水位暴漲，從 4.5 m 急劇上升至 8.9 m，最終導致萊茵河西歐國家段出現嚴重洪災。 

波恩大學大地測量學和地理信息研究所馬坎卡雷加爾（Makan Karegar）博士對波恩大學新聞社表示，「設備核心是一個低成本的GNSS接收器和天線，可以安裝在橋樑、河邊的樹木或柵欄上，也能在不接觸水的情況，全天候測量河流水位，目前測量的平均誤差值只有1.5厘米左右。」

接著他補充，「雖然這種設備在極端洪水中不太可能受損，但它只適用於至少為40米寬的河流，因為這是天線可以接收反射衛星信號的最小半徑，如果河道太窄，大部份反射信號都會來自陸地」。 

目前相關研究人員計劃進一步優化他們的評估代碼，希望能將該設備投入更多小型河川中進行水位監測，以減少洪水帶來的災害。同時他們也希望該款感應器能運用到湖泊、堤壩和海洋等多種領域，幫助他們估算河流流量。@

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