Avdekker havets hemmeligheter med droner og 3D-teknologi

I en tid hvor klimaendringer og menneskelig aktivitet i økende grad påvirker våre økosystemer, har miljøovervåkning aldri vært viktigere. I NIVA er vi kontinuerlig på jakt etter nye og innovative metoder for å forbedre vårt arbeid, og akkurat nå er dronebasert sensorteknologi én av de mest spennende utviklingene.

– Norge er allerede langt fremme. Og den nyeste teknologien vi tester ut nå, er rett og slett revolusjonerende. Her bruker vi laserteknologi fra droner som gir mulighet for 3D-skanning både over og under vann, med et detaljnivå som er veldig mye høyere enn tidligere. Dette gir oss en unik mulighet til å forstå våre vannmiljøer på en helt ny måte, sier seniorforsker Kasper Hancke i NIVA.

Til tross for dyrt utstyr kan det være mye penger å spare innen naturforvaltningen.

– Sett opp mot de tradisjonelle metodene, vil vi snart kunne overvåke mye større områder med en mye høyere detaljgrad, og ikke minst mye raskere, sier NIVA-forskeren.

Raskt og effektivt

Det er allerede godt kjent at droner utstyrt med såkalte RGB og multispektrale kameraer, kan skanne store områder på kort tid. De gir oss detaljerte kart og data om vannkvalitet, forurensning og utbredelse av plante- og dyreliv. For eksempel kan droner oppdage algeoppblomstringer som kan være skadelige for både mennesker og dyr – og dermed bidra til raskere og mer målrettede tiltak.

I flere år har NIVA-forskere, blant annet gjennom SeaBee-prosjekter, overvåket alt fra vannkvalitet til livet i og langs vannet, både hav, kyst, elv og innsjø. Dataene brukes blant annet til å forstå hvordan økosystemene endrer seg over tid.

– Det siste nye er at vi ikke bare kartlegger utbredelse – som et todimensjonalt bilde – men at vi nå også kan kartlegge og skanne naturtyper i tre dimensjoner, og både over og under vann, sier Hancke.

Hvordan? Jo, med hjelp av en teknologi som du muligens allerede har i lomma.

Bruker «iPhone-teknologi»
Selv om det ikke er like avansert, finnes faktisk noe av den samme teknologien i nyere iPhone-modeller som på NIVAs toppmoderne droner. I en såkalt LiDAR-sensor på telefonen sendes det ut infrarøde laserpulser som sprer seg i omgivelsene. Når disse pulsene treffer objekter, reflekteres de tilbake til sensoren. Ved å måle hvor lang tid det tar for pulsen å returnere, kan iPhonen beregne avstanden til ulike objekter. Dette kan gi et tredimensjonalt kart av omgivelsene i sanntid.

Men la oss gå tilbake til lufta og NIVA-dronene. Selv om avstandene er større, er prinsippet det samme som i teknologien på iPhone-telefonene. Ved å beregne tiden det tar for laserpulser å returnere til en drone fra bakken eller havbunnen, kan LiDAR-sensoren på dronen raskt og nøyaktig lage et 3D-/dybdekart av omgivelsene.

For miljøovervåkningen skiller vi dessuten mellom grønn og rød LiDAR. Hancke forklarer at for landbaserte kartlegginger eller vegetasjonsanalyser, er rød LiDAR vanligvis det beste valget. Dette er en teknologi som har vært tilgjengelig de siste årene. For kartlegging under vann derimot, er grønn LiDAR nødvendig.

– Grønt lys har evnen til å trenge gjennom vannoverflaten og ned gjennom vannet. Denne teknologien er ganske nylig blitt tilgjengelig for droner og åpner opp helt nye bruksområder, som blant annet kartlegging av tang, tare og ålegressforekomster i kystsonen. Vi kan også bruke den til kartlegging av elveløp og innsjøer, og vegetasjon under vann, sier Hancke.

– Det er altså nå mulig å kartlegge havbunnen og arter og naturtyper i havets grunne områder fra droner, forklarer NIVA-forskeren.

Tre dimensjoner bedre enn to
Ved å inkludere en tredje dimensjon, gir 3D-bildene fra LiDAR-en en langt bedre forståelse av naturtypens volum og romlige utbredelse.

– Ta for eksempel ålegrasenger, som er kjempeviktige for det biologiske mangfoldet i havet. Utbredelse i form av engens areal gir bare en del av svaret på hvor mye det finnes av denne naturtypen. Først når ålegrasets høyde tas med i beregningen, får vi et mål på mengden ålegras i engen, forklarer seniorforsker Hege Gundersen i NIVA.

Dette er viktig kunnskap også for å regne oss frem til hvor mye karbon som står lagret i ålegrasets biomasse, og hvor mye karbon som potensielt kan langtidslagres i havbunnen. Slik kan forskerne gjøre en vurdering av ålegrasengenes verdi som karbonlagre og regne på hvor mye CO2 ålegressenger tar opp fra atmosfæren.

Teknologi + forskning = sant
Etter at dronene har «summet» fra seg og den enorme mengden data som er samlet inn skal analyseres, spiller maskinlæring en sentral rolle.

– Avanserte algoritmer gjør det mulig å identifisere mønstre og avvik som kan indikere miljøproblemer. Eksempler på dette kan være en plutselig reduksjon i utbredelse av en viktig naturtype, eller spredning av uønskede arter, sier Gundersen.

Ved å bruke maskinlæring kan forskere også forutsi fremtidige trender og potensielle trusler, slik at det kan settes inn forebyggende tiltak før problemene eskalerer.

– Å forstå og overvåke våre vannmiljøer er avgjørende for å bevare dem. Med droner, ny sensorteknologi og maskinlæring har vi kraftige verktøy som hjelper oss å bli kjent med våre vannmiljøer på måter som tidligere var umulige. Dette er fremtiden for miljøovervåkning, hvor teknologi og forskning går hånd i hånd mot en bærekraftig fremtid, sier Gundersen.