Från radarinstrument som är mindre än en skokartong till radiometrar lika stora som en mjölkkartong, det finns fler verktyg tillgängliga för forskare idag för att observera komplexa jordsystem än någonsin tidigare. Men detta överflöd av tillgängliga sensorer skapar sin egen unika utmaning:hur kan forskare organisera dessa olika instrument på det mest effektiva sättet för fältkampanjer och vetenskapsuppdrag?
För att hjälpa forskare att maximera värdet av vetenskapsuppdrag har Bart Forman, en docent i civil- och miljöteknik vid University of Maryland, och ett team av forskare från Stevens Institute of Technology och NASA:s Goddard Space Flight Center prototypat ett observationssystemsimuleringsexperiment (OSSE) för att utforma vetenskapsuppdrag dedikerade till övervakning av terrestra sötvattenlagring.
"Du har olika sensortyper. Du har radar, du har radiometrar, du har lidarer - var och en mäter olika komponenter i det elektromagnetiska spektrumet", säger Bart Forman, docent i civil- och miljöteknik vid University of Maryland. "Olika observationer har olika styrkor."
Terrestra sötvattenlagring beskriver den integrerade summan av sötvatten som sprids över jordens snö, markfuktighet, vegetationskronor, ytvattenuppsamlingar och grundvatten. Det är ett dynamiskt system, ett som trotsar traditionella, statiska system för vetenskaplig observation.
Formans projekt bygger på tidigare tekniska framsteg som han uppnådde under ett tidigare Earth Science Technology Office-projekt (ESTO), där han utvecklade ett simuleringsexperiment för observationssystem för kartläggning av terrestra snö.
Den förlitar sig också mycket på innovationer som banat väg för NASA:s landinformationssystem (LIS) och NASA:s Trade-space Analysis Tool for Designing Constellations (TAT-C), två modelleringsverktyg som började som ESTO-investeringar och snabbt blev häftklammer inom jordvetenskapsgemenskapen.
Formans verktyg införlivar dessa modelleringsprogram i ett nytt system som ger forskare en anpassningsbar plattform för planering av dynamiska observationsuppdrag som inkluderar en mångsidig samling av rymdburna datamängder.
Dessutom innehåller Formans verktyg också ett verktyg för kostnadsberäkning av "dollar-till-vetenskap" som gör det möjligt för forskare att bedöma de ekonomiska riskerna som är förknippade med ett föreslaget uppdrag.
Tillsammans ger alla dessa funktioner forskare möjligheten att länka observationer, dataassimilering, osäkerhetsuppskattning och fysiska modeller inom ett enda integrerat ramverk.
"Vi tog en landytamodell och försökte slå samman den med olika rymdbaserade mätningar av snö, markfuktighet och grundvatten för att se om det fanns en optimal kombination för att ge oss mest valuta för våra vetenskapliga pengar," förklarade Forman.
Även om Formans verktyg inte är det första informationssystemet dedikerat till design av vetenskapliga uppdrag, innehåller det ett antal nya funktioner. Särskilt dess förmåga att integrera observationer från rymdburna passiva optiska radiometrar, passiva mikrovågsradiometrar och radarkällor markerar ett betydande tekniskt framsteg.
Forman förklarade att även om dessa indirekta observationer av sötvatten inkluderar värdefull information för att kvantifiera sötvatten, innehåller de också var och en sina egna unika felegenskaper som noggrant måste integreras med en landytamodell för att ge uppskattningar av geofysiska variabler som forskarna bryr sig mest om.
Formans mjukvara kombinerar också LIS och TAT-C inom ett enda mjukvaruramverk, vilket utökar kapaciteten hos båda systemen för att skapa överlägsna beskrivningar av global terrestrisk hydrologi.
Faktum är att Forman betonade vikten av att ha ett stort, mångsidigt team med experter från hela jordvetenskaps- och modellgemenskaperna.
"Det är trevligt att vara en del av ett stort team eftersom det här är stora problem, och jag vet inte svaren själv. Jag måste hitta många människor som kan mycket mer än jag och få dem att liksom hoppa in och kavla upp ärmarna och hjälpa oss. Och det gjorde de", sa Forman.
Efter att ha skapat ett simuleringsexperiment för observationssystem som kan införliva dynamiska, rymdbaserade observationer i uppdragsplaneringsmodeller, hoppas Forman och hans team att framtida forskare kommer att bygga vidare på sitt arbete för att skapa ett ännu bättre program för uppdragsmodellering.
Till exempel, medan Forman och hans team fokuserade på att skapa uppdragsplaner för befintliga sensorer, kan en utökad version av deras programvara hjälpa forskare att avgöra hur de kan använda framtida sensorer för att samla in ny data.
"Med den typ av saker som TAT-C kan göra kan vi skapa hypotetiska sensorer. Tänk om vi fördubblar strängbredden? Om den kunde se dubbelt så mycket utrymme, ger det oss mer information? Samtidigt kan vi ställa frågor om påverkan av olika felegenskaper för var och en av dessa hypotetiska sensorer och utforska motsvarande kompromiss, säger Forman.
Tillhandahålls av NASA
