اخبار ، مقالات و تحقیقات گروهی را دنبال کنید.
نگاهی به سیستم GEDI – اکتشاف اعماق جنگلها با فناوری لیداری

پیش از پرداختن به مأموریت GEDI، آشنایی با فناوری لایدار (LiDAR) ضروری است. لایدار که مخفف عبارت Light Detection and Ranging است، یکی از ابزارهای پیشرفته در سنجش از دور و نقشهبرداری به شمار میآید. این فناوری با ارسال پالسهای لیزری به سمت یک هدف و اندازهگیری مدت زمان بازگشت این پالسها، فاصله دقیق تا آن هدف را محاسبه میکند.
این فناوری، مشابه رادار، اما با بهرهگیری از پرتوهای لیزری بهجای امواج رادیویی، توانایی تولید دادههای سهبعدی دقیق را دارد. حسگرهای لایدار میتوانند ساختار عمودی و افقی محیط را با وضوح بالا ترسیم کنند و کاربردهای گستردهای در حوزههایی نظیر جنگلداری، کشاورزی، نقشه برداری شهری، علوم زیستمحیطی و مطالعات زمینشناسی دارند.
سنسورهای لایدار به شکلهای مختلفی از جمله هوابرد (نصبشده روی هواپیما یا پهپاد)، زمینی (روی سهپایهها)، دستی (قابل حمل) و فضایی مانند ابزار (GEDI) استفاده میشوند. داده های حاصل از این فناوری معمولاً به دو صورت ارائه میشوند:
- ابر نقاط (Point Cloud): مجموعهای از نقاط بازتابیافته که اطلاعات دقیق ارتفاع و موقعیت مکانی را فراهم میکنند.
- شکل موج کامل (Full Waveform): ثبت پیوسته و مداوم بازتابهای لیزری از تمام اجسام موجود در مسیر پرتو، که اطلاعات ساختاری عمیق تری از محیط ارائه میدهد.
مطالعه دینامیک اکوسیستمهای جهانی GEDI:
مأموریت GEDI، مخفف عبارت Global Ecosystem Dynamics Investigation، یکی از مأموریتهای کلیدی ناسا است که به بررسی ساختار سهبعدی جنگلها و نقش آنها در چرخه کربن و تغییرات اقلیمی اختصاص دارد. ابزار GEDI یک سیستم پیشرفته لایدار با قابلیت ضبط کامل شکل موج است که ساختار سهبعدی سطح زمین را با دقتی بیسابقه اندازهگیری میکند.
این مأموریت در سال 2014 معرفی و در 5 دسامبر سال 2018 بر ایستگاه فضایی بینالمللی (ISS) نصب شد. بودجه مأموریت 94 میلیون دلار برآورد شده و تحت مدیریت مشترک دانشگاه مریلند و مرکز پرواز فضایی گودارد ناسا انجام میشود. هدف اصلی این مأموریت، بهبود درک علمی از نقش جنگلها در ذخیرهسازی کربن، تغییرات کاربری زمین و تنوع زیستی است.
ابتدا این مأموریت برای مدت دو سال طراحی شد، اما به دلیل اهمیت دادههای جمعآوریشده، دو بار تمدید شد. پس از اتمام اولین ماموریت خود که از دسامبر 2018 تا مارس 2023 به طول انجامید، GEDI به حالت آمادهباش قرار گرفت. سپس در روز دوشنبه، 22 آوریل (روز زمین)، به طور رسمی فعالیت خود را در ایستگاه فضایی بینالمللی از سر گرفت. در روز سهشنبه، 23 آوریل، حدود ساعت 9 صبح به وقت شرق اروپا، ابزارهای GEDI روشن شدند و جمعآوری دادهها مجدداً آغاز شد. تیم تحقیقاتی GEDI امیدوار است بتواند تا سال 2030 به جمعآوری دادهها ادامه دهد و به درک عمیقتری از تغییرات جنگلهای زمین دست یابد.
نحوه کار ماهواره GEDI در ویدئوی زیر که برگرفته از آدرس (https://svs.gsfc.nasa.gov/13090) است نشان داده شده است.
عملکرد و ویژگیهای ابزار GEDI
دستگاه لایدار GEDI به سه لیزر با طول موج 1064 نانومتر مجهز است که هرکدام به دو پرتو با انرژی کمتر تقسیم میشوند و در مجموع چهار پرتو تولید میکنند. هر پرتو ردپایی دایرهای به قطر 25 متر روی سطح زمین ایجاد میکند. این پرتوها با استفاده از تکنیکهای پیشرفته اندازهگیری نوری، اطلاعات دقیقی را از سطح زمین جمعآوری میکنند.
در طول مسیر حرکت، دستگاه دادهها را از هشت مسیر زمینی با فاصله تقریبی 600 متر از یکدیگر جمعآوری میکند. این دستگاه قادر به ثبت شکل موج کامل بازتاب شده از سطح زمین با دقت عمودی 2 تا 3 سانتیمتر است. هر ردپای لیزری، مجموعهای از پارامترهای شکل موج را تولید میکند که حاوی اطلاعات ارزشمندی درباره ساختار و ویژگیهای سطح زمین است. با ترکیب دادههای حاصل از این هشت مسیر، دستگاه قادر به پوشش نواری به عرض تقریبی 2/4 کیلومتر از سطح زمین است.
هر یک از لیزرهای GEDI با نرخ تکرار 242 هرتز عمل کرده و در نتیجه حجم عظیمی از دادهها را در مدت زمان کوتاهی جمعآوری میکند. محدوده پوشش عرض جغرافیایی این دستگاه از 6/51 درجه شمالی تا 6/51 درجه جنوبی است.
محصولات دادهای GEDI
محصولات دادهای GEDI در سطوح مختلف پردازش ارائه میشوند که هرکدام متناسب با اهداف تحقیقاتی مختلف طراحی شدهاند.
این محصولات به چهار سطح اصلی تقسیم میشوند:
- سطح 1 (L1A و L1B):
دادههای خام شکل موج که شامل بازتابهای ثبتشده لیزر با ردپای 25 متری است. این دادهها برای پردازشهای پیشرفته در سطوح بالاتر استفاده میشوند.
- سطح 2:
L2A: دادههای بازتاب لیزری به شکل موج کامل که اطلاعات دقیقی از ساختار عمودی پوشش گیاهی ارائه میدهند و برای تولید دادههای پیشرفته مانند بیوماس کاربرد دارد.
L2B: دادههای پردازششده از L2A که ارتفاع تاج درختان و چگالی پوشش گیاهی را تخمین میزنند. این محصول برای مطالعه ساختار اکوسیستم و کربنسنجی بسیار مفید است.
- سطح 3:
این سطح با بهرهگیری از روشهای میانیابی مکانی بر روی دادههای سطح 2، شبکهای منظم از متریکهای پوشش گیاهی را ارائه میدهد. این متریکها شامل پوشش تاج، ارتفاع تاج، شاخص سطح برگ (LAI)، پروفایل عمودی تاج بوده و همراه با برآورد عدم قطعیت آنها ارائه میشوند. چنین دادههای شبکهای منظم در تحلیلهای منطقهای و جهانی پوشش گیاهی مورد استفاده قرار میگیرند.
- سطح 4:
بالاترین سطح محصولات GEDI شامل تخمینهای زیستتوده بالای سطح زمین است. این محصولات در سه سطح ارائه میشوند:
- محصول L4A: این محصول دادههای نقطهای از زیستتوده را در مختصات جغرافیایی مشخص ارائه میدهد. این دادهها با استفاده از مدلهای رگرسیون و کالیبراسیون بر اساس دادههای سطح 2 تولید شدهاند.
- محصول L4B: این محصول دادههای شبکهای از میانگین زیستتوده را در سلولهای 1 کیلومتری ارائه میدهد. این دادهها با استفاده از روش میانیابی کریجینگ و بر اساس دادههای محصول L4A تولید شدهاند. همچنین، عدم قطعیت مرتبط با هر پیکسل برآورد شده است.
- محصول L4C: این محصول شاخص پیچیدگی ساختاری شکل موج را ارائه میدهد که با تحلیل شکل موج بازتاب شده از لیزر محاسبه میشود. این شاخص نشاندهنده تنوع و پیچیدگی ساختار عمودی پوشش گیاهی در سطح هر ردپای لیزر است.
محصولات L4A و L4B برای برآورد ذخایر کربن جنگلها و مطالعه تغییرات آن در طول زمان استفاده میشوند. محصول L4C نیز در تحلیل ساختار جنگلها، پایش تغییرات اکوسیستمی و مدلسازی تنوع زیستی و عملکردهای زیستمحیطی کاربرد دارد. تمامی این محصولات با وضوح مکانی 25 متر و دقت زمانی سالانه ارائه میشوند.
روشهای دسترسی به دادههای GEDI
دادههای مأموریت GEDI از طریق چندین روش قابل دسترسی هستند:
وبسایت Earthdata: تمامی محصولات دادهای GEDI بهصورت مستقیم از این وبسایت قابل دانلود هستند. کاربران برای دسترسی به دادهها باید در وبسایت ثبتنام کنند و دادههای مورد نیاز خود را انتخاب کنند.
Google Earth Engine (GEE): پلتفرم GEE امکان پردازش ابری و تحلیل دادههای GEDI را با استفاده از ابزارهای پیشرفته فراهم میکند. این روش مناسب برای پژوهشگرانی است که به پردازشهای پیچیده و یکپارچه نیاز دارند.
زبان برنامهنویسی Python: از طریق کتابخانههای تخصصی، دادههای GEDI میتوانند بهصورت خودکار و قابل تنظیم تحلیل شوند. این روش برای تحقیقات گسترده و نیازمند کدنویسی مناسب است.
انتخاب روش مناسب برای دسترسی به دادههای GEDI، وابسته به اهداف پژوهشی، تحلیل مورد نظر و نوع محصول داده است. هر روش، امکانات منحصر به فردی را برای مطالعههای محیطی و اکوسیستمی فراهم مینماید.
کاربردهای علمی دادههای GEDI
دادههای GEDI نقش مهمی در علوم محیطی و اکوسیستمی ایفا میکنند:
- تخمین ذخایر کربن جنگلها و ارزیابی نقش آنها در کاهش تغییرات اقلیمی.
- پایش تغییرات ساختاری جنگلها در طول زمان.
- توسعه مدلهای زیستمحیطی برای مدیریت منابع طبیعی.
- مطالعه تنوع زیستی و حفاظت از اکوسیستمهای حساس.
چالشها و نیازهای پردازشی دادههای GEDI
یکی از چالشهای مهم در کار با دادههای GEDI، ماهیت گسسته و نقطهای آنهاست. برای تحلیلهای جامع و کاربردهای وسیعتر، نیاز به روشهای پیشرفته میانیابی و بازنمایی پیوسته (Wall-to-Wall) وجود دارد. همچنین، مدیریت و تحلیل حجم بالای دادهها نیازمند زیرساختهای محاسباتی مناسب است.