Антарктический мох с использованием дронов, MossCam, интеллектуальных датчиков и искусственного интеллекта

Nov 20, 2023

Йохан Бартелеми, Университет Вуллонгонга; Барбара Боллард, Оклендский технологический университет; Хуан Сандино, Технологический университет Квинсленда, и Кристал Рэндалл, Университет Вуллонгонга

Антарктический континент вызывает в воображении образы белого льда и голубого неба. Но недалеко от австралийской станции Кейси, в 3880 км к югу от Перта, появляются зеленые заросли мха.

К сожалению, здоровье этих мховых зарослей ухудшается из-за изменения климатических условий, истощения озонового слоя и волн жары. Однако наше понимание проблемы ограничено. Проводить исследования в Антарктиде сложно. Периоды сбора данных короткие, и между каждой исследовательской возможностью могут пройти годы. К счастью, новые технологии предлагают решения.

В декабре 2022 года мы отправились на станцию ​​Кейси. Мы провели два месяца в этой области, объединяя наши навыки в биологии, пилотировании дронов, программировании и искусственном интеллекте, чтобы узнать больше о мхе и найти лучшие способы удаленного мониторинга биологических изменений.

Мы нанесли на карту большие заросли мха и опробовали новую сенсорную систему, которая может предоставлять непрерывные круглогодичные данные о мхе. Хотя это исследование продолжается, мы рады поделиться с вами первыми результатами.

Растениям необходим солнечный свет, тепло и жидкая вода. Антарктические растения сталкиваются с месяцами темноты, минусовыми температурами и засухой из-за замерзшей воды, но мох приспособился к этой враждебной среде.

Мох является доминирующим растением Антарктиды. Он обеспечивает среду обитания для беспозвоночных, микробов и грибов, которые составляют более 99% наземного биоразнообразия Антарктиды. Заросли мха напоминают миниатюрные леса, в которых кипит жизнь.

Антарктический мох создает собственный теплый микроклимат, используя пигменты для поглощения солнечного света. Это тепло способствует фотосинтезу и помогает мхам растопить снег, чтобы получить жидкую воду. Крошечные холмы и долины между зарослями мха определяют количество света, которое получают мхи, и создают различия в их микроклимате и здоровье.

Достигнув мха, мы осторожно балансировали на камнях, чтобы взять образцы и разместить регистраторы данных. Они состояли из четырех датчиков, которые измеряли температуру кроны в разных местах мхового слоя. Мы также измерили фотосинтез и собрали образцы мха для анализа пигментов, который показывает уровень здоровья и стресса.

На фотографии ниже изображена мховая грядка с прикрепленным к ней оборудованием. Вы можете увидеть сложную микрорельеф и мозаику здоровых и находящихся в стрессе мхов. Здоровый мох зеленый и бархатистый. Находящиеся в стрессе мхи становятся красными и со временем становятся серыми.

Мхи, растущие всего в нескольких сантиметрах друг от друга, могут жить в совершенно разных микроклиматах. На фотографии ниже некоторые мхи нагрелись до 19 ℃ (рядом с красным маркером), тогда как всего в 30 см от него температура мха составляла 0,6 ℃ (рядом с белым маркером).

Сбор этих данных позволяет нам изучить связь между физической структурой мховых зарослей, микроклиматом и показателями здоровья мхов.

Находясь в Антарктиде, мы также протестировали первый прототип интеллектуальной, автономной и долговременной сенсорной платформы. Он предлагает ученым больше информации, чем предыдущие устройства сбора данных, поскольку может собирать и передавать данные в течение длительного периода времени, помимо регулярных летних полевых кампаний, включая зимнее время.

Прототип следил за слоем мха возле станции Кейси в течение полутора месяцев. Его датчики фиксировали интенсивность света, температуру и влажность окружающего воздуха, температуру мохового покрова и, наконец, энергию, которой обменивается почва и воздух. Веб-камера, которую ласково прозвали MossCam, регулярно делала снимки мхового слоя.

Получайте обновления научных историй прямо на свой почтовый ящик.

Мы также установили первую антенну в Антарктиде для беспроводной сети LoRaWAN. Эта сеть имеет малое энергопотребление, большой радиус действия и бесплатна в использовании. Это позволило нам отправлять данные обратно в Австралию практически в режиме реального времени и отображать их на панели управления веб-сайта, которая видна только австралийцам.

После некоторых ранних исправлений ошибок платформа работала лучше, чем ожидалось. Мы привезли его домой в конце сезона для дальнейшей доработки и внедрения в следующем сезоне. https://www.youtube.com/embed/ctiW3TZvF5I?wmode=transparent&start=0 24-часовой таймлапс, снятый MossCam. Йохан Бартелеми.