NASA-instrumentforskaren Bryan Blair hade precis skrivit färdigt flygprogramvaran för byråns Mars Orbiter Laser Altimeter, eller MOLA, när han 1991 blev inbjuden att flyga ett lidarinstrument ombord på ett P-3 forskningsflygplan för att testa nya lidartekniker över inlandsisen på Grönland. På väg, han samlade in mätningar av skogsområden i delstaten New York. Det han upptäckte i uppgifterna gjorde honom chockad, resulterade i en 27-årig strävan att bygga en rymdburen lidar för att mäta skogar.

Det instrumentet – Global Ecosystems Dynamics Investigation, eller GEDI – samlar nu in data som en nyttolast kopplad till den japanska experimentmodulen, den största vetenskapliga anläggningen på den internationella rymdstationen. Det förväntas samla in data i minst två år.

"Vi sköt laser över skogar och det vi såg var galet, komplicerade resultat i att signalerna som kom tillbaka möjligen indikerar strukturen i skogarna nedan, "mindes Blair, GEDIs biträdande huvudutredare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

Flygplanets flygning och upptäckt fick honom att tänka:kunde ljusdetektering och avstånd, eller lidar – tekniken som forskare använde för att kartlägga den karga marstopografin med MOLA – vara lika effektiv på att kartlägga skogar? Med hjälp av forsknings- och utvecklingsfonder samlade han ihop från olika NASA FoU-program, han utvecklade en innovativ idé till det första uppdraget någonsin som ägnas åt att tillhandahålla tredimensionella vyer av skogar och detaljer om skogarnas roll i kolets kretslopp.

"GEDI:s nästan tre decennier av utveckling är ett bevis på värdet av forskning och utveckling, som ofta mognar "galna idéer" till instrument. Det understryker också vikten av att skapa en idé, bygga en prototyp, testa instrumentet, och, som i GEDI:s fall, bygga ett flygplansinstrument först för att slutföra mättekniken och nödvändiga teknologier, ", sa Goddards chefsteknolog Peter Hughes. "GEDI är en affisch för vad som kan hända när NASA investerar i bra idéer."

Innovativ teknik möjliggör GEDI

Leds av University of Maryland professor Ralph Dubayah, GEDI, uttalas Jedi, som i Star Wars berömmelse, utför sitt jobb med flera innovativa teknologier. Centralt för GEDI:s kapacitet är dess trio av specialiserade lasrar som skickar laserstrålar mot jorden där de tränger in i skogar och rikoschetterar bort allt de träffar, som kan vara löv ovanpå ett tätt tak, utskjutande grenar, och, så småningom, marken från vilken skogen kommer fram. Dess inbyggda teleskop tar sedan emot de reflekterade signalerna som märker den tid det tar att återvända.

Dock, GEDI, som NASA:s Earth Venture-program valde ut för utveckling för fyra år sedan, gör mer. Till skillnad från många andra lidarinstrument som flögs i rymden, GEDI använder den så kallade vågformsbaserade mättekniken som analyserar formen på den returnerade ljussignalen, inte bara tiden det tog att återvända. Vågformen avslöjar fördelningen av ytor ovanför terrängen, vilket gör det särskilt användbart för att mäta tätheten och strukturen hos träd och vegetation, och till och med strukturen av löv och grenar i en skogs tak.

Därför, det tillåter forskare att få fram den tredimensionella strukturen av vegetation från rymden. Denna information är användbar för att kartlägga vilda livsmiljöer, biologisk mångfald, samt mängden biomassa och kol som lagras i vegetationen.

Den 1, 160-pund GEDI sitter också på en kardan, och därför, pekar aktivt på specifika markspår på jorden nedanför. För att ge den en ännu bredare bild av ytan, GEDI använder sofistikerad optik som delar upp de tre laserstrålarna i åtta markspår – två av lasrarna genererar två markspår vardera, och den tredje genererar fyra. Tillsammans, dessa teknologier gör att GEDI kan ta prov på all mark mellan 51,6 grader nordlig latitud och 51,6 grader sydlig latitud som täcker tempererade och tropiska skogar.

"Utan peksystemet, det skulle ha tagit tre gånger så lång tid att slutföra den täckning vi behöver, " förklarade Blair.

LVIS:The Essential Pathfinder

Blair betonar att GEDI inte skulle ha varit möjligt utan sin föregångare, ett flygplansbaserat instrument som heter Land, Vegetations- och issensor, eller LVIS, som Blair började flyga i slutet av 1990-talet, bara några år efter att han tänkte ut instrumentkonceptet. Sedan dess, LVIS har blivit något av en stöttepelare för mer lokaliserade mätningar. Förutom att kartlägga skogar, LVIS har mätt in istäcken.

LVIS tillhandahöll inte bara data som aldrig tidigare erhållits om trädkronor, det skapade en gemenskap av dataanvändare som är bekanta med mättekniken och dess användbarhet – en gemenskap som kommer att använda GEDI:s mer globala mätningar under de kommande månaderna, sa Blair. "Utan denna redan etablerade gemenskap av användare, det skulle ha varit svårare att få uppdraget finansierat, " han sa.

"Vi var pionjärer för detta uppdrag på Goddard, ", tillade Blair. "Vi hade inte kunnat åstadkomma detta utan stöd från Goddard och NASAs huvudkontors geovetenskapsavdelning under åren. Detta är ett egenodlat instrument baserat på en egenodlad mätteknik."