Wyłoniono najlepsze prace z dziedziny badań kosmicznych

• Dzięki teledetekcji satelitarnej rolnicy będą mogli oceniać etapy rozwoju plonu z poziomu komputera.
• Dane optyczne są szeroko używane, ale zła pogoda utrudnia obserwacje – lepszym rozwiązaniem bywają niewrażliwe na zachmurzenia dane radarowe.
• Niskokosztowe odbiorniki GNSS URANUS mogą służyć do poprawy krótkoterminowych prognoz pogody.

Konkurs Nagrody Prezesa Polskiej Agencji Kosmicznej promuje indywidualne oraz zespołowe osiągnięcia studentów polskich szkół wyższych. Do czwartej edycji zgłoszono 31 prac obronionych w ostatnim roku akademickim. Najwięcej zgłoszeń, bo aż sześć, pochodziło z UPWr.

Teledetekcja satelitarna pomoże rolnikom

Marta Pasternak, obecnie studentka studiów magisterskich na kierunku geodezja i kartografia, zdobyła w konkursie za swoją pracę inżynierską „Wyznaczanie faz fenologicznych zbóż uprawnych z zastosowaniem danych Sentinel-1 oraz Sentinel-2” nagrodę I stopnia.

W swojej zwycięskiej pracy, Marta skupiła się pod opieką swojej promotorki, dr Kamili Pawłuszek-Filipiak, na znalezieniu metod pozwalających na monitorowanie faz fenologicznych zbóż uprawnych, czyli ich etapów rozwoju, na podstawie satelitarnych danych teledetekcyjnych. Wyniki jej badań będą mogły znaleźć w przyszłości zastosowanie w rolnictwie.

– Obecnie, aby ocenić na jakim etapie wzrostu jest roślina, rolnik musi wyjść na pole i samodzielnie na podstawie jej wyglądu zdecydować, czy jest gotowa do zbioru. Wiem z doświadczenia, że to jest bardzo praco- i czasochłonne, a metody oparte na podstawie teledetekcji satelitarnej pozwoliłyby oceniać całe pola o wiele szybciej – tłumaczy magistrantka.

Rozwiązaniem są dane optyczne i radarowe

Do swojej pracy Marta użyła dwóch typów danych – optycznych i radarowych. Dane optyczne są już szeroko stosowane w monitorowaniu roślinności, można za ich pomocą kontrolować rozwój rośliny na podstawie zawartości chlorofilu. Na przykładzie roślin zbożowych widać, że jego zawartość wzrasta do okolic fazy 75-80 skali BBCH wykorzystywanej w Unii Europejskiej do identyfikacji fenologicznych faz roślin uprawnych, natomiast na ostatnich etapach rozwoju, kiedy roślina żółknie, chlorofil zanika. Na podstawie tej informacji rolnik może stwierdzić, kiedy roślina gotowa będzie do zbioru. 

Oprócz danych z satelitów optycznych, duże znaczenie dla rolnictwa mogą mieć satelity radarowe. Główną ich zaletą jest niewrażliwość na pogodę i czas rejestracji danych. Przy wykorzystaniu danych radarowych możliwe jest mapowanie obszarów rolniczych i identyfikowanie typów upraw, analizowanie wilgotności gleby czy szacowanie plonów. Fale radarowe mogą przenikać przez chmury i mgłę, a obrazy mogą być pozyskiwane zarówno w dzień, jak i w nocy. Dzięki temu obserwacje z wykorzystaniem takich sensorów mogą być stale prowadzane, a rzeczywista rozdzielczość czasowa zdjęć radarowych przewyższa rozdzielczość czasową zdjęć optycznych, wrażliwych na warunki atmosferyczne. Niektóre z parametrów, jak np. współczynnik rozpraszania wstecznego VH, ze względu na dostarczanie informacji o odbiciu objętościowym, mogą być skorelowane z ilością biomasy na polu, dlatego bardzo często obrazy radarowe stanowią ważną część modeli szacujących wielkość plonu.

Marta podkreśla, że wraz z promotorką zauważyły jednak, że te dane nie dają jednoznacznych informacji. – Wszystko jest zależne od gatunku uprawianych roślin i indeksu, który się oblicza. Potrzebne są dalsze badania, które mam zamiar kontynuować w pracy magisterskiej – mówi laureatka, podkreślając, że w ramach magisterki, chce skupić się głównie na danych radarowych.

Do tej pory w swoich badaniach Marta używała danych satelitarnych Sentinel-1 oraz Sentinel-2, które są udostępniane przez program Copernicus Europejskiej Agencji Kosmicznej bez opłat. Zaś w pracy magisterskiej, dzięki dofinansowaniu z projektu Young Minds, magistrantka chce wykorzystać również dane TSX zbierane przez Niemiecką Agencję Kosmiczną, które będą w stanie dostarczyć jej więcej informacji o zachowaniu teledetekcyjnego sygnału radarowego.

Czy będziemy mieli lepsze krótkoterminowe prognozy pogody? 

Za pracę magisterską dotyczącą modelowania opóźnienia troposferycznego w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem sieci niskokosztowych odbiorników GNSS URANUS, Grzegorz Marut zdobył w konkursie nagrodę II stopnia. – Wykorzystanie niskokosztowych odbiorników GNSS do badań troposfery w ramach pracy naukowej zaproponował mi promotor, prof. Tomasz Hadaś, ponieważ początkowo szukałem ciekawego projektu, z którym mógłbym wybrać się na zagraniczną konferencję – mówi Grzegorz, będący obecnie doktorantem Szkoły Doktorskiej UPWr. 

Grzegorz Marut z prof. Hadasiem oraz spółką U+Geo na potrzeby zwycięskiej pracy zaprojektowali oprogramowanie pozwalające na zdalny dostęp i obsługę odbiorników, po czym zainstalowali na dachu Instytutu Geodezji i Geoinformatyki dwa urządzenia na próbę. Wyniki, które uzyskali w czasie rzeczywistym z obu próbnych odbiorników, charakteryzowały się dużą zgodnością i powtarzalnością.

– Różnica, która powstała względem referencyjnych wartości finalnych na znajdującej się w pobliżu stacji geodezyjnej WROC była na tyle mała, że podjęliśmy decyzję o kontynuacji badań, ponieważ odbiorniki wykazały ogromny potencjał na zastosowanie w meteorologii. Po udoskonaleniu oprogramowania odbiorników zamieściliśmy 16 urządzeń na terenie Wrocławia i okolicznych miejscowości, starając się równomiernie pokryć obszar miasta, tak aby nie były one zbyt blisko siebie – podkreśla Grzegorz, tłumacząc, że chcieli tym sposobem sprawdzić, czy rozkład pary wodnej wpływającej na opóźnienie troposferyczne jest zmienny w ujęciu lokalnym. – Takie dane meteorologiczne mogłyby w przyszłości znaleźć zastosowanie poprawie krótkoterminowych prognoz z wykorzystaniem numerycznych modeli pogody – dodaje doktorant. 

Sygnał z satelitów nawigacyjnych GNSS ulega zakłóceniom podczas przechodzenia przez atmosferę ziemską. Opóźnienie troposferyczne wynika ze zmian trasy i prędkości sygnału przy przejściu przez troposferę – dolną warstwę atmosfery rozciągającą się od powierzchni Ziemi do wysokości nawet około 16 km. Zakłócenia te zawierają precyzyjną informację o zawartości pary wodnej na drodze sygnału od satelity do odbiornika. Informacja ta okazuje się niezwykle przydatna w prognozowaniu pogody, szczególnie w przewidywaniu gwałtownych zjawisk pogodowych. Profesjonalne stacje pomiarowe oddalone od siebie o dziesiątki kilometrów i podają uśrednioną informacje dla terenów dookoła. Okazuje się jednak, że nawet niskokosztowe stacje rozmieszczone lokalnie w różnych częściach miasta są w stanie zarejestrować znaczące różnice.

 – Teraz planujemy udoskonalić i zmniejszyć te odbiorniki. W swoim doktoracie chcę zbadać wykorzystanie tych urządzeń do monitoringu strukturalnego różnych obiektów inżynierskich i naturalnych, ale podejrzewam, że meteorologia wciąż będzie ważnym aspektem naszych badań – podsumowuje doktorant.

is