Tillgången till högupplösta data som samlats in av miniatyriserade satelliter förebådar en vändpunkt i jorden och miljöavkänning från rymden.

Tillkomsten av små, specialiserade satelliter som kallas CubeSats förändrar vår förmåga att övervaka jordens yta och påverkan av mänsklig aktivitet på planeten. Forskare vid KAUST är banbrytande med forskningstekniker baserade på CubeSat-data och är entusiastiska över potentialen hos dessa satelliter, särskilt för områdena hydrologi och precisionsjordbruk.

Traditionell satellitdata som används för forskning, samlas in främst av statliga rymdorganisationer, uppvisar vissa begränsningar. Rent generellt, antingen ger data hög rumslig upplösning ibland – detaljerade bilder tagna varannan vecka – eller så ger data ofta låg rumslig upplösning. I det senare scenariot, betydande detaljer kan missas. CubeSats förändrar detta paradigm, samlar meterskaliga rumsliga detaljer över jordens markytor varje dag.

"Jag förväntade mig verkligen inte att dessa begränsningar skulle hävas någon gång snart, säger hydrolog och fjärranalysspecialist, Matthew McCabe, av KAUST. "I vanliga fall, satellitdesign tar år – att forska och utveckla sensorer, förhandla med en statlig rymdorganisation och finansieringsorgan – innan du eventuellt ser ditt uppdrag valt för uppskjutning. Sedan, det finns en chans att något kan gå fel vid lansering eller driftsättning eller att du helt enkelt inte får den data du behöver."

De senaste framstegen inom CubeSat-tekniken kan ändra detta. Dessa satelliter i skokartongstorlek är jämförelsevis billiga att tillverka och skjuta upp:de är byggda av hyllplanskomponenter och sensorer och skickas in i omloppsbana antingen som följeslagare eller på liten, återanvändbara raketer. När den väl har lanserats, CubeSats kretsar runt jorden på höjder av 350 till 500 kilometer under en period av några veckor till mer än ett år, vidarebefordra data till jorden (innan den slutligen bränns vid återinträde i atmosfären).

Den stora fördelen med deras ringa storlek och kostnad gör att "konstellationer" av CubeSats kan lanseras, sätta upp ett transportband av satelliter som fångar flera högupplösta bilder med höga temporala upprepningshastigheter.

"Den här typen av högupplöst repeterbarhet från rymden har aldrig varit tillgänglig förut, " säger McCabe. "Den har potential att förvandla fält, såsom katastrofhantering och insatser genom att övervaka och styra hjälpinsatser, eller för att spåra miljöförändringar genom att identifiera olaglig avskogning i Amazonas, till exempel. Om vi ​​kan observera och identifiera problem innan, eller när de uppstår, vi kan vidta åtgärder för att ta itu med dem."

McCabes team lanserade nyligen ett projekt i linje med den saudiarabiska regeringens Vision 2030 som använder data från CubeSats och andra satelliter för att övervaka vatten- och livsmedelssäkerhetsfrågor. Med jordbruk som använder stora mängder av kungarikets begränsade sötvattenförråd, teamet kommer att använda dessa satellitdata för att övervaka grödans hälsa och bevattningshastigheter för att bygga upp en tydlig bild av landets vattenanvändning. Detta arbete kommer att hjälpa till att vägleda framtida policyer för vattensäkerhet.

Liknande, statusen för global livsmedelssäkerhet kunde analyseras med hjälp av data från CubeSats. Som McCabes team nyligen visade, det är nu möjligt att hämta högkvalitativa bilder av enskilda fält dagligen, ner till en upplösning på tre meter. Från dessa, maskininlärningstekniker kan bedöma hälsan och tillståndet hos enskilda grödor med hjälp av mätningar, såsom bladareaindex och transpirationshastigheter. Detta kommer att möjliggöra mer exakta förutsägelser av potentiell avkastning och kan verifiera när och var problemen börjar, gör det möjligt för jordbrukare att vidta lämpliga åtgärder.

"CubeSat-tekniken tillåter oss också att förhöra data för att ta reda på vilka grödor som odlas var, " tillägger McCabe. "I afrikanska länder, till exempel, det finns få register som visar vad varje bonde odlar på sin lilla bit mark. Denna information kan överföras till globalt relevanta databaser för att hjälpa till att hantera livsmedelssäkerhetsfrågor genom att spåra utbudet."

CubeSats byggs och lanseras för närvarande av kommersiella företag, även om rymdorganisationer, som NASA och ESA, finansierar också några CubeSat- och nano-sat-initiativ.

"Jag har utvecklat ett starkt samarbete med ett CubeSat-företag som heter Planet, " säger McCabe. "Data från deras CubeSat-uppdrag är tillgängliga för forskare inom alla olika områden för analys – det är en otrolig resurs. Även om de flesta CubeSats inte är dyra, komponenter av forskningsgrad, vilket innebär att kalibrering kan vara ett problem, vi arbetar med en rad innovativa maskininlärnings- och modelleringstekniker som tillhandahåller forskningskvalitetsdata för jordobservation."

McCabe ser potentialen hos CubeSats i att tillhandahålla nya insikter inom miljövetenskaper men också i att tillhandahålla en plattform för demonstration av nya sensorer och teknologier i rymden. Genom att utnyttja dessa framväxande system, strategier som tar itu med några av de stora globala utmaningarna inom livsmedel, vatten och miljö kan snart implementeras.