ドローン、MossCam、スマートセンサー、AIを使用した南極のコケ

Nov 20, 2023

ヨハン・バルテルミー、ウロンゴン大学。 バーバラ・ボラード、オークランド工科大学。 クイーンズランド工科大学のフアン・サンディーノ氏とウロンゴン大学のクリスタル・ランドール氏

南極大陸は白い氷と青い空のビジョンを思い起こさせます。 しかし、パースの真南3,880kmにあるオーストラリアのケーシー基地からそれほど遠くないところに、苔の層が青々と茂っています。

悲しいことに、気候条件の変化、オゾン層破壊、熱波により、これらの苔床の健全性は低下しています。 しかし、問題に対する私たちの理解は限られています。 南極での研究は難しい。 データ収集の期間は短く、各研究機会の間に何年もかかる場合があります。 幸いなことに、新しいテクノロジーが解決策を提供します。

2022年12月、私たちはケーシーステーションに旅行しました。 私たちは現地で 2 か月を費やし、生物学、ドローン飛行、プログラミング、人工知能のスキルを組み合わせて、コケについてさらに学び、生物学的変化を遠隔監視するより良い方法を見つけました。

私たちは大きな苔床をマッピングし、年間を通じて継続的に苔データを提供できる新しいセンサー システムを試行しました。 この研究は進行中ですが、ここで初期の結果を皆さんと共有できることを嬉しく思います。

植物には日光、暖かさ、そして液体の水が必要です。 南極の植物は何ヶ月にもわたる暗闇、氷点下の気温、凍った水による干ばつに直面していますが、コケはこの過酷な環境に適応しています。

コケは南極の主要な植物です。 ここは、南極大陸の陸上生物多様性の 99% 以上を占める無脊椎動物、微生物、菌類の生息地となっています。 小さな森のような苔床には、生命が息づいています。

南極のコケは、色素を使用して太陽光を吸収し、独自の暖かい微気候を作り出します。 この暖かさは光合成を助け、コケが雪を溶かして液体の水を得るのを助けます。 コケ層を横切る小さな丘や谷は、コケが受け取る光の量を決定し、コケの微気候と健康状態に違いを生み出します。

苔に到達したら、慎重に岩の上でバランスをとり、サンプルを採取し、データロガーを設置しました。 これらは、苔床の異なる位置で樹冠の温度を測定する 4 つのセンサーで構成されていました。 また、光合成を測定し、健康状態やストレスレベルを示す色素分析用のコケサンプルを収集しました。

下の写真は、当社の設備を取り付けた苔床です。 複雑な微地形と、健全な苔とストレスを受けた苔のモザイクを見ることができます。 健康な苔は緑色でビロードのような質感です。 ストレスを受けた苔は赤くなり、最終的には灰色に変わります。

わずか数センチメートル離れて成長するコケは、大きく異なる微気候を経験する可能性があります。 下の写真では、一部の苔は 19℃ (赤いマーカーの隣) まで温まっていましたが、わずか約 30 cm 離れた苔は 0.6℃ (白いマーカーの隣) でした。

このデータを収集することで、苔床の物理的構造、微気候、苔の健康状態の指標の間の関連性を調査できるようになります。

南極滞在中に、私たちはインテリジェントで自律的な長期センシング プラットフォームの最初のプロトタイプもテストしました。 冬季を含む通常の夏季フィールドキャンペーン以外の長期間にわたってデータを収集および送信できるため、以前のデータ収集デバイスよりも多くの情報を科学者に提供できます。

プロトタイプは、ケーシー駅近くの苔層を 1 か月半にわたって監視しました。 そのセンサーは、光の強さ、周囲の気温と湿度、苔の樹冠の温度、そして最後に土壌と空気の間で交換されるエネルギーを捕捉しました。 愛情を込めて「MossCam」という愛称で呼ばれるウェブカメラは、苔床の定期的な画像を撮影しました。

科学記事の最新情報を受信箱に直接配信します。

また、LoRaWAN ワイヤレス ネットワーク用に南極に最初のアンテナを設置しました。 このネットワークは低電力、長距離であり、無料で使用できます。 これにより、ほぼリアルタイムでデータをオーストラリアに送り返し、オーストラリア人のみが閲覧できる Web サイトのダッシュボードに表示できるようになりました。

いくつかの初期のバグ修正の後、プラットフォームは予想よりも優れたパフォーマンスを発揮しました。 私たちはそれをシーズンの終わりに持ち帰って、来シーズンのさらなる改良と展開に備えました。 https://www.youtube.com/embed/ctiW3TZvF5I?wmode=transparent&start=0 MossCam で撮影した 24 時間のタイムラプス。 ヨハン・バルテルミー。

私たちはドローンを 25 回飛行させ、南極の 2 つの特別保護地域 (ASPA 135 および 136) からデータを収集しました。

南極でのドローンの運用には大きな課題があります。 磁極に近づくと GPS 航行が妨げられ、強風により飛行が困難になります。 極度の寒さはバッテリーの寿命を縮めます。また、オペレーターの指にも負担がかかります。 私たちは、RTK (リアルタイム運動学、位置誤差を排除する技術) GPS、複数の冗長性、バッテリー ウォーマーを搭載してドローンをカスタマイズし、過酷な条件に対する耐性を高めました。 https://www.youtube.com/embed/bDTZ9VveO1o?wmode=transparent&start=0 小型のミニドローンを偵察機として使用し、新たなエリアを偵察し、このようなビデオ撮影を提供しました。 フアン・サンディーノ。

当社のドローンは、飛行ごとに 5,000 ～ 10,000 枚の画像を撮影できます。 ハイテクセンサーも装備されていました。 これらのセンサーは、「スペクトル シグネチャ」を記録するようにプログラムされています。これは、画像内の苔、岩、雪などの風景の特徴を区別する、一種の光学的アイデンティティまたは視覚的な「DNA」を説明するために使用される用語です。

これらの画像は結合され、地上座標にマッピングされます。 機械学習を使用して、コケ、地衣類、シアノバクテリアなどの植生を識別するモデルをトレーニングします。 また、保全と管理に関する意思決定をサポートするため、植生および水文地図、3D フライスルー、および仮想現実体験も開発します。

私たちが仕事をしている間、好奇心旺盛なペンギンが私たちが何をしているのか見ようと歩き回ることもよくありました。 地元の人々と友達になるのはいつもその日のハイライトでした。 https://www.youtube.com/embed/Wovm6zCZHOM

しかし、フィールドで素晴らしい数か月間過ごした後、荷物をまとめて家に帰る時が来ました。 ウィルキンス飛行場までの内陸への60kmの旅で、私たちは南極圏に足を踏み入れました。 私たちはマイナス20℃の中で飛行機が青い氷の滑走路に着陸するのを待ってから、搭乗してタスマニアに戻りました。 そこでは、まさに夢から覚めたような気分でした。

私たちの南極冒険は終わりましたが、私たちは皆、この経験にとても感謝していました。

現在、私たちはコケセンシングプラットフォームをさらに開発しながら、データがどのようなストーリーを語れるのかを調べるためにデータを調査しています。 私たちは年末に南極に戻って配備したいと考えています。

著者らは、オーストラリア研究評議会の南極環境の未来を守る特別研究イニシアティブ（SAEF）の一環として、ケーシー基地を訪れた。

Johan Barthélemy 氏、NVIDIA 開発者関係マネージャー、ウロンゴン大学名誉上級研究員。 Barbara Bollard 氏、オークランド工科大学計算保存学教授。 クイーンズランド工科大学博士研究員フアン・サンディーノ氏とウーロンゴン大学博士研究員クリスタル・ランドール氏

この記事は、クリエイティブ コモンズ ライセンスの下で The Conversation から再公開されています。 元の記事を読んでください。

当初は、ドローン、MossCam、スマート センサー、AI を使用した南極の苔のスパイイングとして Cosmos によって出版されました。

The Conversation は、学術および研究コミュニティから提供されたコンテンツを使用する独立した非営利メディアです。

事実を説明し、証拠に基づいた知識を大切にし、最新の科学、技術、工学の進歩を紹介することが、今ほど重要な時期はありません。 Cosmos は、人々と科学の世界を結び付けることに特化した慈善団体であるオーストラリア王立研究所によって発行されています。 財政的な貢献は、大小を問わず、世界が最も必要としているときに、信頼できる科学情報へのアクセスを提供するのに役立ちます。 今すぐ寄付または定期購読を購入して私たちをサポートしてください。