1.4 Fjernanalyse og satellittbilder

Et bilde tatt fra 700 kilometers høyde

Tenk deg at du vil vite hvor mye av regnskogen i Amazonas som forsvant i fjor, eller hvor tykk havisen i Arktis er akkurat nå. Du kan ikke gå rundt og måle det selv – områdene er enorme og utilgjengelige. Likevel vet forskerne svaret ganske nøyaktig. Hvordan? Svaret er fjernanalyse, eller remote sensing på engelsk.

Fjernanalyse er innsamling av informasjon om jordoverflaten uten fysisk kontakt. Satellitter og fly utstyrt med sensorer registrerer elektromagnetisk stråling som blir reflektert eller sendt ut fra jordoverflaten. Mer presist er fjernanalyse teknologien for å samle inn informasjon om jordoverflaten fra avstand, vanligvis ved hjelp av sensorer montert på satellitter eller fly, som registrerer elektromagnetisk stråling i ulike bølgelengder for å kartlegge og overvåke jordoverflaten.

Men hvordan kan et bilde tatt fra hundrevis av kilometers høyde fortelle om en skog er frisk eller en innsjø er forurenset? Grunnprinsippet er at all materie sender ut eller reflekterer elektromagnetisk stråling, og at ulike materialer gjør det på ulike måter. Vi sier at de har forskjellige spektrale signaturer – de reflekterer og absorberer stråling ulikt i forskjellige bølgelengder. Frisk vegetasjon reflekterer for eksempel sterkt i nærinfrarødt, mens vann absorberer det meste. Nettopp dette gjør det mulig å skille ulike overflatetyper fra hverandre på et satellittbilde.

Fra solstråle til kart

La oss følge informasjonen hele veien. Selve prosessen skjer i flere trinn. Først belyser en energikilde jordoverflaten – det kan være solen, eller en radar som sender ut sine egne signaler. Deretter samhandler strålingen med overflaten: den reflekteres, absorberes eller sendes gjennom. En sensor på en satellitt eller et fly registrerer så den reflekterte strålingen, før dataene sendes ned til en mottakerstasjon og bearbeides. Til slutt presenteres den analyserte informasjonen som kart eller bilder vi kan tolke.

Ikke alle satellittbilder er like. De finnes i tre hovedtyper, og de utfyller hverandre. Optiske bilder registrerer synlig lys og nærinfrarødt. De ligner vanlige fotografier, men fanger også opp bølgelengder utenfor det synlige spekteret. Fordelen er at de gir detaljerte og intuitive bilder, men ulempen er at de blokkeres av skyer. De brukes til å kartlegge vegetasjon, arealbruk og byutvikling, og kjente eksempler er satellittene Landsat og Sentinel-2.

Radarbilder, også kalt SAR, sender ut og mottar mikrobølger. Det geniale er at de fungerer gjennom skyer og i mørke – de er væruavhengige og kan brukes døgnet rundt. Ulempen er at de er vanskelige å tolke for utrente. Radar brukes til å måle terrengbevegelser, istykkelse og til å overvåke skipstrafikk, med Sentinel-1 og RADARSAT som eksempler. Den tredje typen, termiske bilder, registrerer varmestråling i det infrarøde området og viser temperaturforskjeller på jordoverflaten. De kan oppdage varmeanomalier, og brukes til å kartlegge havtemperatur, byvarmeøyer, vulkanaktivitet og skogbranner. Her er MODIS og Landsats termiske kanal typiske kilder.

NDVI og fjernanalyse i arbeid

Et av de mest brukte verktøyene i fjernanalyse er NDVI, som står for Normalized Difference Vegetation Index – et mål på vegetasjonens tilstand. NDVI bygger nettopp på at frisk vegetasjon absorberer rødt lys til fotosyntesen og reflekterer nærinfrarødt. Indeksen beregnes fra forholdet mellom rødt og nærinfrarødt lys og gir verdier fra -1 til +1. Høy NDVI mellom 0,6 og 0,9 betyr tett, frisk vegetasjon, mens lav NDVI mellom 0 og 0,2 betyr lite eller ingen vegetasjon, som ørken, snø eller vann. Negative verdier indikerer vann. Med NDVI kan man overvåke avlinger og plantehelse, kartlegge tørke og ørkenspredning, studere vegetasjonsendringer over tid og måle hvordan klimaendringer påvirker økosystemer.

Bruksområdene er mange. Innen miljøovervåking følger man avskoging i Amazonas, issmelting i Arktis og Antarktis, oljesølflak på havet og korallbleking. Ved naturkatastrofer gir fjernanalyse tidlig varsling av tørke, sanntidskartlegging av flomområder, skadevurdering etter jordskjelv, orkaner og vulkanutbrudd, og overvåking av skogbranner. I landbruk og ressursforvaltning brukes presisjonsjordbruk med NDVI, kartlegging av vannressurser og overvåking av fiskeriressurser. I Norge bruker NVE fjernanalyse til å kartlegge flom- og skredfare, NIBIO overvåker skog og arealendringer, Norsk Romsenter koordinerer norsk bruk, og EUs Copernicus-program gir gratis satellittdata som Norge bruker aktivt.

Et godt eksempel er overvåkingen av arktisk is. Her samspiller flere systemer: radarsatellitter som Sentinel-1 kartlegger isutbredelsen uavhengig av skydekke og mørke gjennom den lange polarvinteren, optiske satellitter som MODIS og Sentinel-2 gir detaljerte sommerbilder, altimetersatellitten CryoSat-2 måler istykkelsen ut fra avviket mellom is- og havoverflate, og termiske sensorer registrerer temperaturen. Resultatene er tydelige: den arktiske sommerisen har minsket med rundt 13 prosent per tiår siden 1979, og fordi satellittene passerer hvert få dager, får forskerne en sammenhengende tidsserie som mater klimamodellene. Uten fjernanalyse ville det vært umulig å overvåke så store og utilgjengelige områder systematisk.

Oppsummering

Fjernanalyse er innsamling av informasjon om jordoverflaten uten fysisk kontakt, der sensorer på satellitter og fly registrerer elektromagnetisk stråling. Prinsippet hviler på spektrale signaturer: ulike materialer reflekterer og absorberer stråling ulikt. Passive sensorer registrerer reflektert sollys eller utsendt varmestråling, mens aktive sensorer som radar og lidar sender ut egne signaler. Det finnes tre hovedtyper bilder: optiske (synlig og nærinfrarødt, blokkeres av skyer), radar (mikrobølger, ser gjennom skyer og mørke) og termiske (varmestråling). NDVI måler vegetasjonens tilstand på en skala fra -1 til +1. Fjernanalyse brukes til overvåking av skog, is, byer, jordbruk og naturkatastrofer, og er helt avgjørende for å følge klimaendringer globalt – som issmeltingen i Arktis, der den arktiske sommerisen har minsket med rundt 13 prosent per tiår siden 1979.