Ultrahøj opløsning indsigt i vegetationsdynamik og terrestrisk fordampning

Tilgængeligheden af ​​højopløsningsdata indsamlet af miniaturiserede satellitter varsler et vendepunkt i Jorden og miljøsansning fra rummet.

Fremkomsten af ​​små, specialiserede satellitter kaldet CubeSats transformerer vores evne til at overvåge jordens overflade og indvirkningen af ​​menneskelig aktivitet på planeten. Forskere ved KAUST er banebrydende forskningsteknikker baseret på CubeSat-data og er begejstrede for potentialet i disse satellitter, især inden for områderne hydrologi og præcisionslandbrug.

Traditionelle satellitdata brugt til forskning, overvejende indsamlet af statslige rumbureauer, frembyder visse begrænsninger. Generelt, enten giver dataene høje rumlige opløsninger lejlighedsvis - detaljerede billeder taget hver anden uge - eller dataene giver ofte lav rumlig opløsning. I sidstnævnte scenarie, væsentlige detaljer kan gå glip af. CubeSats ændrer dette paradigme, indsamler meterskala rumlige detaljer over Jordens terrestriske overflader hver dag.

"Jeg havde bestemt ikke forventet, at disse begrænsninger ville blive ophævet på et tidspunkt, " siger hydrolog og fjernmålingsspecialist, Matthew McCabe, af KAUST. "Normalt, satellitdesign tager år – forskning og udvikling af sensorer, forhandle med en statslig rumfartsorganisation og finansieringsorganer – før du eventuelt ser din mission valgt til opsendelse. Derefter, der er en chance for, at noget kan gå galt ved lancering eller implementering, eller at du simpelthen ikke får de data, du har brug for."

Nylige fremskridt inden for CubeSat-teknologi kan ændre dette. Disse satellitter i skoæskestørrelse er forholdsvis billige at fremstille og opsende:de er bygget af hyldekomponenter og sensorer og sendt i kredsløb enten som ledsagende nyttelast eller på lille, genanvendelige raketter. Når først lanceret, CubeSats kredser om Jorden i højder på 350 til 500 kilometer i en periode på et par uger til mere end et år, videresende data til Jorden (før den i sidste ende brænder ved genindtræden i atmosfæren).

Den store fordel ved deres lille størrelse og pris betyder, at 'konstellationer' af CubeSats kan lanceres, opsætning af et transportbånd af satellitter, der optager flere billeder i høj opløsning ved høje tidsmæssige gentagelseshastigheder.

"Denne form for gentagelighed i høj opløsning fra rummet har aldrig været tilgængelig før, " siger McCabe. "Det har potentialet til at transformere felter, såsom katastrofehåndtering og reaktion ved at overvåge og lede nødhjælpsindsatsen, eller for at spore miljøændringer ved at identificere ulovlig skovrydning i Amazonas, for eksempel. Hvis vi kan observere og identificere problemer før, eller når de opstår, vi kan tage skridt til at løse dem."

McCabes team lancerede for nylig et projekt i overensstemmelse med den saudiarabiske regerings Vision 2030, der bruger data fra CubeSats og andre satellitter til at hjælpe med at overvåge problemer med vand og fødevaresikkerhed. Med landbruget, der bruger enorme mængder af kongerigets begrænsede ferskvandsforsyninger, holdet vil bruge disse satellitdata til at overvåge afgrødes sundhed og vandingshastigheder for at opbygge et klart billede af landets vandforbrug. Dette arbejde vil hjælpe med at guide fremtidige politikker inden for vandsikkerhed.

Tilsvarende status for global fødevaresikkerhed kunne analyseres ved hjælp af data fra CubeSats. Som McCabes team for nylig demonstrerede, det er nu muligt at hente billeder af høj kvalitet af individuelle felter dagligt, ned til en opløsning på tre meter. Fra disse, maskinlæringsteknikker kan vurdere individuelle afgrøders helbred og tilstand ved hjælp af målinger, såsom bladarealindeks og transpirationshastigheder. Dette vil muliggøre mere præcise forudsigelser af potentielle udbytter og kan verificere, hvornår og hvor problemer starter, giver landmændene mulighed for at træffe passende foranstaltninger.

"CubeSat-teknologien giver os også mulighed for at udspørge data for at finde ud af, hvilke afgrøder der dyrkes hvor, " tilføjer McCabe. "I afrikanske lande, for eksempel, der er få optegnelser, der viser, hvad hver enkelt landmand dyrker på deres lille stykke jord. Disse oplysninger kan overføres til globalt relevante databaser for at hjælpe med at tackle fødevaresikkerhedsproblemer ved at spore forsyningen."

CubeSats bygges og lanceres i høj grad af kommercielle virksomheder i øjeblikket, selvom rumfartsorganisationer, som NASA og ESA, finansierer også nogle CubeSat- og nano-sat-initiativer.

"Jeg har udviklet et stærkt samarbejde med et CubeSat firma kaldet Planet, " siger McCabe. "Data fra deres CubeSat-missioner er tilgængelige for videnskabsmænd inden for alle forskellige områder til analyse - det er en utrolig ressource. Selvom de fleste CubeSats ikke er dyre, komponenter af forskningskvalitet, hvilket betyder, at kalibrering kan være et problem, vi arbejder på en række innovative maskinlærings- og modelleringsteknikker, der leverer forskningskvalitetsdata til jordobservation."

McCabe ser potentialet i CubeSats i at give ny indsigt på tværs af miljøvidenskaber, men også i at skabe en platform for demonstration af nye sensorer og teknologier i rummet. Ved at udnytte disse nye systemer, strategier, der adresserer nogle af de store globale udfordringer inden for fødevarer, vand og miljø snart kunne implementeres.