4.2 Fjernmåling og jordobservasjon

Å lese jorda fra rommet

Fjernmåling er kunsten å samle informasjon om noe uten å røre det. Fra satellitter hundrevis av kilometer oppe kan vi overvåke klimaendringer, kartlegge skog, oppdage skogbranner og følge isbreer som smelter. Hvordan? Fordi alle objekter sender ut, reflekterer eller absorberer elektromagnetisk stråling på måter som avslører hva de er laget av.

Nøkkelen er at sensorer kan «se» i deler av spekteret våre øyne aldri når. Synlig lys (0,4-0,7 µm) gir bilder som ligner det vi ser selv. Nærinfrarødt (NIR, 0,7-1,4 µm) er der frisk vegetasjon stråler sterkt -- perfekt for å skille levende fra stresset planteliv. Termisk infrarødt (3-15 µm) måler varme, brukt til branndeteksjon og temperaturkart. Og mikrobølger (1 mm til 1 m) trenger gjennom skyer og fungerer dag og natt.

Sensorene deles i to typer. Passiv fjernmåling registrerer naturlig stråling -- reflektert sollys eller varme. Den er avhengig av lys og kan ikke se gjennom tette skyer. Aktiv fjernmåling sender ut sin egen stråling og måler ekkoet. Radar (SAR) sender mikrobølgepulser og fungerer i all slags vær og lys. Lidar sender laserpulser og måler returtiden for høyoppløselig terrengmodellering. Aktive sensorer er uavhengige av sollys, men krever mer energi.

Spektrale signaturer og vegetasjonens fingeravtrykk

Det geniale med fjernmåling er at ulike materialer har unike spektrale signaturer -- de reflekterer, absorberer og stråler ulikt i forskjellige bølgelengder. Snø reflekterer sterkt i synlig lys (høy albedo), mens vann sluker det. Klorofyll i planter absorberer rødt og blått lys til fotosyntesen, men reflekterer grønt -- derfor ser planter grønne ut. Og alt med temperatur over absolutt nullpunkt sender ut termisk stråling, etter Plancks lov.

En særlig kraftig sammenheng utnyttes i NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), et av de mest brukte verktøyene i feltet: $\displaystyle \text{NDVI} = \frac{\text{NIR} - \text{Rødt}}{\text{NIR} + \text{Rødt}}$. Den bygger på at frisk vegetasjon reflekterer sterkt i nærinfrarødt, men absorberer rødt lys. Verdier nær +1 betyr frodig vegetasjon, nær 0 betyr bar jord, og negative verdier betyr vann eller snø. Måler en piksel NIR = 0,45 og rødt = 0,10, blir NDVI $\displaystyle = \frac{0{,}35}{0{,}55} \approx 0{,}64$ -- altså frodig skog eller aktivt jordbruk.

Men hvorfor reflekterer frisk vegetasjon så sterkt i NIR? Ikke fordi klorofyllet absorberer det -- klorofyllet tar rødt og blått. NIR-strålingen trenger inn i bladet og spres av de uregelmessige celleveggene i svampvevet. Det er derfor stresset vegetasjon, med skadet cellestruktur, reflekterer mindre NIR -- og hvorfor NIR er så god til å avsløre plantehelse.

Fra åkre til klimaovervåking

Fjernmåling har endret hvordan vi overvåker kloden. I presisjonsjordbruk kan en bonde bruke NDVI-kart fra satellitter til å se nøyaktig hvor avlingen er frisk og hvor den sliter. Røde felt med lav NDVI kan bety tørke, næringsmangel eller sykdom, og bonden kan da gjødsle, vanne eller sprøyte målrettet -- bare der det trengs. Det sparer ressurser og skåner miljøet. Termiske sensorer oppdager skogbrann-«hotspots» innen minutter, og fjernmåling brukes til å kartlegge flom, jordskred og tsunamiskader for å koordinere nødhjelp.

Når det gjelder isovervåking i Arktis, skinner radaren. Hvorfor er SAR-radar overlegen optiske sensorer her? For det første er den uavhengig av sollys, og Arktis har polarnatt i opptil seks måneder. For det andre trenger mikrobølger gjennom det hyppige skydekket, mens synlig lys blokkeres. Og for det tredje samhandler radarsignalet ulikt med nyis, gammelis og åpent vann, så vi kan klassifisere istyper. Tidsserier av isdata dokumenterer issmeltingen klimaendringene fører med seg.

Mye av disse dataene kommer fra Copernicus -- EUs jordobservasjonsprogram, utviklet med ESA, som gir gratis, åpne data til alle. Det består av spesialiserte Sentinel-satellitter: Sentinel-1 (SAR-radar for is og oljeutslipp), Sentinel-2 (multispektral optikk for landbruk og skog), Sentinel-3 (hav og temperatur) og Sentinel-5P (atmosfærekjemi som måler $\text{NO}_2$ og metan). Norge bruker dataene aktivt til isovervåking langs kysten og skogkartlegging. Satellittbasert klimaovervåking har likevel begrensninger: skydekke hindrer optiske sensorer, oppløsningen kan være for grov, og satellittæraen er kort, så lange historiske tidsserier er vanskelige å bygge.

Oppsummering

Vi har sett at fjernmåling samler informasjon uten kontakt, ved å analysere elektromagnetisk stråling i ulike bølgelengder. Passiv fjernmåling bruker naturlig stråling, mens aktiv fjernmåling (radar, lidar) sender ut egen. Spektralanalyse utnytter at materialer har unike signaturer, og NDVI avslører vegetasjonshelse ved å sammenligne nærinfrarødt og rødt lys.

Fjernmåling brukes til presisjonsjordbruk, branndeteksjon, isovervåking og katastrofehåndtering, der SAR-radar er uunnværlig i Arktis fordi den fungerer i mørke og gjennom skyer. Copernicus-programmet med Sentinel-satellittene gir gratis, åpne data til hele verden -- men satellittovervåking har sine grenser i skydekke og korte tidsserier.