研究團隊發展出以日間天空極化為基礎的仿生地理定位方法
背景
自古以來，人類總是追求著能夠準確地確保自身地理坐標的方法。從最早的磁羅針、六分儀，到後來的全球導航衛星系統，人類用各種方式來確保自己的位置和導航。然而這些系統往往不太可靠，容易受到干擾和欺騙。磁性羅盤雖然仍然有用，但容易受到磁場干擾，而天文導航則只能在沒有光汙染的晴天進行。因此有一支法國研究團隊開發了一種以仿生生物學為基礎的替代地理定位方法。
仿生地理定位方法的理論基礎
這些研究人員從生物學中尋找了地理定位方法的例子。他們指出，許多鳥類和昆蟲透過星星圍繞地球磁極的移動來校準自己的磁性羅盤。而一些遷徙的鳥類則根據白天的天空光極化模式來進行內部羅盤的校準。這個理論表明，陽光會被地球大氣中的微小顆粒散射，多年來，研究人員已經開發出了基於這個模型的無需全球定位系統（GPS）的導航技術。
仿生地理定位方法的實際應用
這些研究人員引用了拉泰沙穆蟻（Cataglyphis）這種蟻類作為特定的例子。這種蟻類在白天覓食死去的昆蟲時會呈鋸齒狀移動。每當蟻子改變方向時，它會抬起頭部並觀察太陽位置。在找到食物來源之後，為了減少在沙漠的高溫下直接暴露在陽光下的時間，蟻子會直接返回巢穴，以直線方式計算出自己的路徑，這是透過對生物天空光極化進行分析而達到的。
Skypole 系統
研究團隊報告了一種名為 Skypole 的系統，該系統使用一個極化攝像頭來測量隨著太陽旋轉的天空光極化程度。透過處理捕獲的天空影象，團隊能夠確保北極星的位置並準確計算觀察者的緯度和方位。該研究發表在《國家科學院院刊》上。
基於天空光極化的生物地理定位方法的未來發展
當前人們普遍認為，動物利用天空光極化來確保地理坐標，但還不清楚它們如何使用這些訊息。研究團隊從一個理論中得到了靈感，該理論認為像拉泰沙穆蟻這樣的動物物種利用天空光極化模式的時間特性來定位自己，並開發了一種比較天空極化影象以找到真正北方的系統。團隊比較了 30 到 60 分鐘不同時間間隔下拍攝的影象，並計算了兩個特徵的差異：線性極化度和線性極化角度。他們的算法考慮到了天空極化度在天空北極點的恆定性以及影象中捕捉到的兩個變數。這種方法具有許多優點：僅使用視覺訊息，系統能夠以合理的準確度獲取地理位置，而不依賴時間、日期或初始位置。他們的影象處理軟體包體積小，執行所需的計算資源較少。然而當前的影象獲取間隔和系統的準確度還不足以覆蓋某些地理定位應用。研究人員寫道："值得注意的是，這個算法已經盡可能簡單，未來更複雜的資料處理算法無疑會大大提高準確度......未來的研究中，應該特別注重影象過濾，以減少噪音影響。" 此外他們指出，他們的研究可能提出了關於動物利用視覺訊息進行地理定位的新假設。
結論與展望
這項研究為我們提供了一種全新的以生物為靈感的地理定位方法，該方法利用日間天空極化模式來確保地理坐標。雖然當前這種方法還有一些約束，且準確度有待提高，但它已經為未來發展提供了重要的基礎。這種方法可能應用於無線電干擾或惡劣天氣條件下的地理定位，並且可能在智慧手機、導航系統或無人機等領域中發揮重要作用。未來的研究應該集中在改進影象處理算法和降低噪音干擾方面，以提高這種方法的準確度和應用範圍。
參考資料：
Thomas Kronland-Martinet 等人，《SkyPole—A method for locating the north celestial pole from skylight polarization patterns》，《國家科學院院刊》（2023 年）。DOI：10.1073/pnas.2304847120
來源：https://techxplore.com/news/2023-08-bioinspired-geolocation-method-based-daytime.html
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