Storebror ser deg


For et utrent øye kan det se ut som en grå masse. For de som vet hva de leter etter, er det et skattkammer.

Den tyske Terrasar-X er en av satellittene som gir forskerne ved UiT data. Foto: DLR / Wikimedia Commons

Den tyske Terrasar-X er en av satellittene som gir forskerne ved UiT data.

Foto: DLR / Wikimedia Commons

Artikkelen er hentet fra Labyrint nr. 2 2015

Over oss, der ute i verdensrommet et sted, kretser tusenvis av satellitter rundt jorda, med ulike forskningsformål. Noen av disse, såkalte jordobservasjonssatellitter, tar bilder, gjør målinger, overvåker. Og daglig lastes det ned enorme mengder med data, som må analyseres og prosesseres for at de skal bli forståelig.

– Her er et bilde som viser hva radaren faktisk ser. Det ser egentlig bare ut som grøt, sier stipendiat Thomas Kræmer i jordobservasjonsgruppa ved Institutt for fysikk og teknologi.

Slik kan et radarbilde se ut idet forskerne begynner å jobbe med det. Prosessert: Yngvar Larssen, Norut

Slik kan et radarbilde se ut idet forskerne begynner å jobbe med det.

Prosessert: Yngvar Larssen, Norut

Han peker på et bilde tatt med SAR, eller syntetisk apertur-radar, som for de fleste av oss bare framstår som tusenvis av små prikker tegnet med gråblyant.

Men for ham, og de andre i gruppa han jobber i, er det utgangspunktet for enorme mengder spennende informasjon. Men hva skjuler seg bak den grå massen?

Mørke skyer
Informasjonen forskerne får ut kan brukes til å avdekke oljeutslipp, måle isdrift, overvåke skipstrafikken eller skredutsatte steder, og lage iskart. Disse brukes blant annet i klimamodeller.

– Poenget med vår forskning er å få mer detaljert informasjon ut av dataen. Filosofien er å dykke inn i signalet for å hente ut mer informasjon om vårt fysiske miljø, som strekker seg fra global skala til meterskala, forklarer professor Torbjørn Eltoft.

Men hvorfor er det så tungvint å få tak i informasjonen? Svaret ligger blant annet i at det er mørkt store deler av året i de arktiske områdene der SAR-satellitter ofte brukes. I tillegg er det ofte så mye skydekke at et vanlig, optisk bilde ikke vil vise det man er ute etter, nemlig hva som skjer på jordas overflate.

– Fordelen med SAR er at radarsignalene kan gå rett gjennom skyene og vekselvirke med overflata. Noe av signalet blir reflektert tilbake og kan måles av radarantennen. Man kan sammenligne SAR med måten flaggermus ser. De kartlegger verden ved å sende ut et signal og få informasjon tilbake. Det samme gjør radarsatellitter, sier Kræmer.

Et hvitt landskap
I tillegg er det mye is i Arktis, noe som bare vil framstå som hvitt på et vanlig bilde. Mens en radar kan belyse overflata med flere frekvenser og polarisasjoner.

– Avhengig av hvilken retning det er på radarsignalet vi sender, kan vi få forskjellig informasjon om det vi ser på. Det hjelper oss for eksempel å skille mellom glatt og ruglete is, som også kan gi oss kunnskap om den er ny eller gammel. Ved å bruke litt lur matematikk, klarer vi å fokusere all denne dataen til et bilde man kan tolke, forklarer Kræmer.

For tolkning må til. I dag sitter det 12 ansatte ved UiT og studerer og analyserer bilder som daglig hentes ned fra ulike satellitter. Å analysere ett bilde kan ta over tre år, og fortsatt vil det være mye informasjon man ikke har fått tak i.

– Alt er dataprogrammer, det er bare spørsmål om hva slags algoritmer du bruker. Når man konverterer de rå, grøtete, støyete dataene til bilder, skjer det ved hjelp av rein matematikk som tar hensyn til hvordan satellitten har fløyet og en modell av jorda. Så kan man bruke geometrien mellom satellitten og jorda til å regne seg fram til hvordan det skal se ut, forklarer Kræmer.

Torbjørn Eltoft (t.v.), Anthony Doulgeris, Thomas Kræmer og Malin Johansson forsker på fjernmåling innenfor jordobservasjonsgruppa ved Institutt for fysikk og teknologi. Foto: Karine Nigar Aarskog

Torbjørn Eltoft (t.v.), Anthony Doulgeris, Thomas Kræmer og Malin Johansson forsker på fjernmåling innenfor jordobservasjonsgruppa ved Institutt for fysikk og teknologi.

Foto: Karine Nigar Aarskog

Noen ganger kan forskerne få ny kunnskap gjennom noe de først trodde var feil. Det skjedde med førsteamanuensis Anthony Doulgeris, som oppdaget noe han ikke skjønte hva var på et bilde fra Alaska. Det viste seg å være et radiosignal som kom fra militære stasjoner langs kysten.

– Vi klarte å identifisere signalene og fjerne dem fra bildet, slik at det ga den informasjonen man kunne forvente. Først var det et problem, men så ble det en forbedring av produktet, sier Doulgeris.

Det tok tre år, og i 2012 fikk kolleger i Alaska er pris for publikasjonen om funnet, med Doulgeris som bidragsyter.  

Blir stadig flere
Gjennom opprettelsen av det nye senteret CIRFA (Centre for Integrated Remote Sensing and Forecasting for Arctic Operations) ved UiT blir de snart enda flere her i Tromsø som skal forske på den grå materien. Så mange at de ikke lenger får plass i Teknologibygget og må flytte til Forskningsparken.

– Vi har hatt stor aktivitet her de siste årene. Særlig fra 2011 og fram til i dag, sier Eltoft, som skal lede CIRFA.

Les også: Et løft for fjernmåling

Forskerne samarbeider på tvers av landegrenser. Dataene kommer fra satellitter som er canadiske, tyske, indiske og japanske. Akkurat nå samarbeider gruppa tett med Norsk Polarinstitutt, i forskningsprosjektet N-ICE. R/V ”Lance” er fryst inne i den arktiske drivisen, og følger isen fra den frøs til i januar og fram til den smelter utover sommeren.

I april sikret forskerne seg et helt unikt datasett. Da klarte de å få satellittbilder med ulike frekvenser fra tre forskjellige satellitter, på akkurat samme tid som et helikopter fløy over med et instrument som målte isens tykkelse på samme sted. 

– Der var vi heldige og fikk gode overlapp mellom tre satellittyper, samtidig som det var vær til å fly med helikopter. Dette blir et fantastisk datasett som vi kan begynne å jobbe med når ”Lance” kommer tilbake, sier Malin Johansson, som har en postdoc-stilling i jordobservasjonsgruppa.

– Ved å analysere disse dataene kan vi finne ut hvilken frekvens vi skal bruke når vi klassifiserer sjøis. Skal vi bruke de lange, de middels lange eller de korte bølgelengdene? Eller skal vi kombinere to frekvenser? Ved hjelp av disse dataene kan vi utvikle en algoritme som klassifiserer sjøis i så og så mange klasser, som også kan si noe om hva slags type is det er, supplerer Eltoft.

Is og olje
Målinger fra andre instrumenter, samtidig som satellittbildene er tatt, er viktig for den videre forskningen. Slike instrumenter kan være bøyer som står i havet eller på isen, måleinstrumenter som festes under fly eller helikoptre, og annet avansert utstyr.

– Vi kan bruke dataen instrumentene samler inn til å validere algoritmene vi utvikler til våre modeller, forklarer Eltoft.

R/V "Lance" blir brukt som forskningsbase, mens forskerne måler isen rundt. Foto: Anja Rösel

R/V "Lance" blir brukt som forskningsbase, mens forskerne måler isen rundt.

Foto: Anja Rösel

Noe av det som det i dag forskes mest på i Arktis, er isen. Hvor tykk den er, hvor den driver, hva som påvirker den, om den smelter eller flytter på seg. Dette er informasjon som er interessant å ha i sann tid, for skipstrafikken eller de som driver med oljeleting, men også for klimaforskerne som prøver å spå hvordan framtida vil se ut. Algoritmene som lages kan også brukes i modeller som kan forhindre falsk alarm om oljeutslipp.

– Det finnes en algoritme som plukker ut oljesøl, men også det som kan ut som olje, men ikke er det. Det kan være alger, bølger, tynn is, flatt hav. Når overflaten blir som et speil, vil radarsignalene forsvinne, og det kan se ut som olje. Utfordringen er å se forskjellen, sier Johansson.

Nye utfordringer
Et av målene med forskningen innen fjernmålinger å utvikle modeller og algoritmer som er så gode at man i framtida skal slippe å tolke satellittbilder manuelt. Et eksempel på noen som vil få bruk for det, er istjenesten til Meteorologisk institutt, som i dag har egne personer som tegner inn isen på iskart, basert på satellittbilder. Det tar tid, og forskning har vist at det det er en stor grad av subjektivitet når analysene gjøres. Det kan man unngå med gode dataprogram.

– Selve utviklingen av algoritmene kan ta mange år, men vi ønsker å lage programmer som er så kjappe at det bare går noen minutter fra man forer inn et bilde til informasjonen kommer ut på den andre siden, sier Kræmer. 

Forskningsresultatene er også med på å utvikle sensorer til nye satellitter som skal sendes ut i verdensrommet.

– Nye anvendelsesområder krever ofte høyere oppløsning både i rom og tid. Samtidig er det sånn med SAR at jo høyere oppløsning man har, jo mer støy blir det. Det krever bedre algoritmer og mer detaljert kjennskap til hvordan instrumentet fungerer. Det dukker hele tiden opp nye utfordringer, sier Kræmer.

Tromsøya åpenbarer seg bak alt det grå. Prosessert: Yngvar Larssen, Norut

Tromsøya åpenbarer seg bak alt det grå.

Prosessert: Yngvar Larssen, Norut

Basert på fysikk
Det er på tide å avsløre hva den grå massen Kræmer viste fram er, etter at Yngvar Larssen fra Norut har gjort avansert signalbehandling av den. Professor Eltoft mener forskerne i Tromsø har en helt unik fordel når de skal forstå slike bilder:

– Fjernmåling er mange steder knyttet opp mot geografiske informasjonssystemer, men noe av suksessen for Tromsø er at vi har startet med basis i fysikk og forståelse av signaler. Å lage et sånt bilde, er en kombinasjon av radarteknologi og signalbehandling. Min filosofi er at hvis vi skal komme lenger i å utvikle og få mer informasjon ut av disse signalene, må vi komme enda lenger i å forstå interaksjonen mellom signalene og det vi måler. Der mener jeg hemmeligheten ligger.

Og hva som skjuler seg bak alt det grå? Svaret er snublende nært: det er rett og slett Tromsøya og nærområdene rundt. Hvem hadde vel gjettet det?

 

FAKTA Fjernmåling

* En satellitt er et objekt som går i bane rundt et annet, mye større objekt.

* Naturlige satellitter er månen i bane rundt jorda og jorda i bane rundt sola.

* Satellittene passerer nær polene i hvert omløp, og det er mottaksstasjoner nær polene som leser ned data.

* Fjernmåling er å måle uten å være i direkte kontakt med objektet det måles på.

* Fjernmåling brukes i meteorologi og jordobservasjon.

* Man har drevet med fjernmåling siden 1858, da man brukte luftballong. Siden har systemene utviklet seg, fra kamera festet på duer, via fly, til de avanserte satellittene vi har i dag.

* Den første radarsatellitten, Seasat, ble skutt opp i 1978 og fløy bare i tre måneder. Den genererte data og problemstillinger som folk jobbet med helt til den neste radarsatellitten (IRS1) kom i 1992.

På Twitter   #norgesarktiske