De beschikbaarheid van gegevens met een hoge resolutie die zijn verzameld door geminiaturiseerde satellieten, luidt een keerpunt in voor de aarde en de omgevingswaarneming vanuit de ruimte.

De komst van kleine, gespecialiseerde satellieten genaamd CubeSats transformeren ons vermogen om het aardoppervlak en de impact van menselijke activiteit op de planeet te volgen. Wetenschappers van KAUST zijn baanbrekende onderzoekstechnieken op basis van CubeSat-gegevens en zijn enthousiast over het potentieel van deze satellieten, met name op het gebied van hydrologie en precisielandbouw.

Traditionele satellietgegevens die worden gebruikt voor onderzoek, voornamelijk verzameld door overheidsruimteagentschappen, bepaalde beperkingen met zich meebrengt. Over het algemeen, ofwel bieden de gegevens af en toe een hoge ruimtelijke resolutie - gedetailleerde afbeeldingen die om de twee weken worden gemaakt - of de gegevens bieden vaak een lage ruimtelijke resolutie. In het laatste scenario, belangrijke details kunnen worden gemist. CubeSats veranderen dit paradigma, elke dag ruimtelijk detail op meterschaal verzamelen over het aardoppervlak van de aarde.

"Ik had zeker niet verwacht dat deze beperkingen snel zouden worden opgeheven, ", zegt hydroloog en teledetectiespecialist, Matthew McCabe, van KAUST. "Normaal gesproken, satellietontwerp duurt jaren - het onderzoeken en ontwikkelen van sensoren, onderhandelen met een ruimtevaartorganisatie van de overheid en financieringsinstanties - voordat je mogelijk ziet dat je missie wordt gekozen voor lancering. Vervolgens, er is de kans dat er iets misgaat bij de lancering of implementatie of dat je gewoon niet de gegevens krijgt die je nodig hebt."

Recente ontwikkelingen in CubeSat-technologie kunnen hier verandering in brengen. Deze satellieten ter grootte van een schoenendoos zijn relatief goedkoop om te maken en te lanceren:ze zijn opgebouwd uit kant-en-klare componenten en sensoren en worden in een baan om de aarde gestuurd, hetzij als begeleidende lading of op kleine, herbruikbare raketten. Eenmaal gelanceerd, CubeSats draaien om de aarde op een hoogte van 350 tot 500 kilometer voor een periode van enkele weken tot meer dan een jaar, gegevens doorgeven aan de aarde (voordat ze uiteindelijk verbranden bij terugkeer in de atmosfeer).

Het grote voordeel van hun kleine formaat en kosten betekent dat 'constellaties' van CubeSats kunnen worden gelanceerd, het opzetten van een transportband van satellieten die meerdere afbeeldingen met een hoge resolutie vastleggen met hoge temporele herhalingssnelheden.

"Dit soort herhaalbaarheid met hoge resolutie vanuit de ruimte is nog nooit eerder beschikbaar geweest, ", zegt McCabe. "Het heeft het potentieel om velden te transformeren, zoals rampenbeheersing en respons door toezicht te houden op en leiding te geven aan de hulpverlening, of om veranderingen in het milieu te volgen door illegale ontbossing in de Amazone te identificeren, bijvoorbeeld. Als we problemen eerder kunnen observeren en identificeren, of zoals ze zich voordoen, we kunnen actie ondernemen om ze aan te pakken."

Het team van McCabe heeft onlangs een project gelanceerd in overeenstemming met de Vision 2030 van de Saoedi-Arabische regering, waarbij gegevens van CubeSats en andere satellieten worden gebruikt om problemen met water- en voedselzekerheid te helpen bewaken. Nu de landbouw grote hoeveelheden van de beperkte zoetwatervoorraden van het Koninkrijk gebruikt, het team zal deze satellietgegevens gebruiken om de gezondheid van gewassen en irrigatiesnelheden te monitoren om een ​​duidelijk beeld te krijgen van het watergebruik in het land. Dit werk zal richtinggevend zijn voor toekomstig beleid op het gebied van waterveiligheid.

evenzo, de status van de wereldwijde voedselzekerheid zou kunnen worden geanalyseerd met behulp van gegevens van CubeSats. Zoals het team van McCabe onlangs heeft aangetoond, het is nu mogelijk om dagelijks hoogwaardige beelden van afzonderlijke velden op te halen, tot een resolutie van drie meter. Van deze, machine learning-technieken kunnen de gezondheid en conditie van individuele gewassen beoordelen met behulp van metingen, zoals bladoppervlakte-index en transpiratiesnelheden. Dit zal nauwkeurigere voorspellingen van potentiële opbrengsten mogelijk maken en kan verifiëren wanneer en waar problemen beginnen, zodat boeren passende maatregelen kunnen nemen.

"CubeSat-technologie stelt ons ook in staat om gegevens te ondervragen om erachter te komen welke gewassen waar worden verbouwd, "voegt McCabe toe. "In Afrikaanse landen, bijvoorbeeld, er zijn maar weinig gegevens waaruit blijkt wat elke boer op zijn kleine stukje land verbouwt. Deze informatie kan terechtkomen in wereldwijd relevante databases om voedselzekerheidsproblemen aan te pakken door het aanbod te volgen."

CubeSats worden momenteel grotendeels gebouwd en gelanceerd door commerciële bedrijven, hoewel ruimteagentschappen, zoals NASA en ESA, financieren ook enkele CubeSat- en nano-sat-initiatieven.

"Ik heb een sterke samenwerking ontwikkeld met een CubeSat-bedrijf genaamd Planet, ", zegt McCabe. "Gegevens van hun CubeSat-missies zijn beschikbaar voor wetenschappers op alle verschillende gebieden voor analyse - het is een ongelooflijke bron. Hoewel de meeste CubeSats niet duur zijn, componenten van onderzoekskwaliteit, wat betekent dat kalibratie een probleem kan zijn, we werken aan een reeks innovatieve machine learning- en modelleringstechnieken die onderzoekskwaliteitsgegevens opleveren voor aardobservatie."

McCabe ziet het potentieel van CubeSats in het bieden van nieuwe inzichten op het gebied van milieuwetenschappen, maar ook in het bieden van een platform voor de demonstratie van nieuwe sensoren en technologieën in de ruimte. Door gebruik te maken van deze opkomende systemen, strategieën die een aantal van de grootste mondiale uitdagingen op het gebied van voedsel aanpakken, water en milieu kunnen binnenkort worden geïmplementeerd.