研究團隊基於日間天空偏振發展的生物啟發地理定位方法
背景
地理定位一直是人類導航的關鍵，從使用緯度和經度來表達的地理座標，到現在的全球導航衛星系統。然而這些系統往往不可靠，容易受到干擾和欺騙。地磁羅盤雖然仍然有用，但容易受到磁場干擾，而星空導航僅在晴朗的夜晚，沒有光污染的干擾下才可能實現。
研究發現
一個法國的研究團隊開發了一種替代的地理定位方法，並從生物學中尋找地理定位方法的例子。研究人員發現，許多鳥類和昆蟲透過觀察天空中的星星運動以校準它們的地磁羅盤，而一些遷徙鳥類則根據天空光偏振模式在白天校準它們的內部羅盤。該理論認為，陽光在地球大氣中的小顆粒散射，多年來研究人員已經開發出利用這種模型的無 GPS 導航技術。
研究團隊引用了 Cataglyphis 沙漠螞蟻作為具體例子。這些螞蟻在白天覓食死昆蟲，以錐旋形的方式行進。每當一隻螞蟻改變方向時，它都會抬起頭部並觀察太陽。當找到食物來源後，它會直接返回巢穴，以最小化在沙漠高溫下直接暴露在陽光下的時間，從而透過生物的天空光偏振分析計算出自己的路徑。研究團隊報告了一種名為 Skypole 的系統，它使用一個偏振攝像機來測量隨著太陽旋轉的天空光偏振程度。透過處理捕捉到的天空影象，研究團隊能夠確保北天極的位置，並精確標定觀察者的緯度和方位。他們的研究發表在《國家科學院院刊》。
研究結果
儘管當前還不清楚動物如何利用天空光偏振來確保地理位置，這個研究團隊從 Cataglyphis 螞蟻的行為中得出了一個理論，認為動物可能利用天空光偏振模式的時間特性來定位自己，並根據這個理論開發了一種系統，透過比較天空的偏振影象來尋找真正的北方。
研究團隊比較了兩個不同時刻拍攝的影象，時間間隔從 30 到 60 分鐘不等，並計算了兩個特徵的差異：線偏振度和線偏振角度。他們的算法考慮到了天空北極的線偏振度的恆定性以及影象中捕捉到的兩個變數。他們描述的方法有幾個優點：僅使用視覺訊息，系統能夠以合理的精度推斷地理位置，而不依賴於時間、日期或初始位置。他們的影象處理包非常簡單，並且運算資源要求不高。然而影象採集間隔和系統的精度當前約束了某些地理定位應用的實現。研究人員寫道：“值得注意的是，這個算法已盡可能保持簡單，未來的研究中，可以更加重視影象過濾以減少噪聲的影響。”此外他們指出，他們的研究可能對動物利用視覺訊息進行地理定位提出了一個新的假設。
結論
這項研究開發了一種基於白天天空偏振的生物啟發地理定位方法。透過觀察鳥類和昆蟲使用天空光偏振進行自我定位的現象，研究團隊提出了一個系統，利用這一現象來確保真正的北方和定位觀察者的緯度和方位。儘管該方法還需要進一步改進，但它具有很大的應用潛力，特別是在無法使用 GPS 等傳統導航系統的環境中。未來的研究可以更加注重影象處理算法的改進，以提高精度並擴大應用範圍。
相關研究：
Thomas Kronland-Martinet et al, SkyPole—A method for locating the north celestial pole from skylight polarization patterns, Proceedings of the National Academy of Sciences (2023). DOI: 10.1073/pnas.2304847120
引用：
Researchers develop bioinspired geolocation method based on daytime sky polarization (2023, August 17) retrieved 17 August 2023 from https://techxplore.com/news/2023-08-bioinspired-geolocation-method-based-daytime.html
