APEX is een hyperspectraal instrument in de lucht. Het was oorspronkelijk bedoeld als een simulator en een kalibratie- en validatie-instrument voor hyperspectrale beelden in de ruimte. APEX is sinds 2010 operationeel en heeft meer dan 250 gebieden bestreken in 15 verschillende Europese landen, ter ondersteuning van meer dan 100 onderzoeksprojecten.
HET ONTWARREN VAN DE SCHERPE RANDEN VAN GEREFLECTEERD ZONLICHT
Om cruciale processen op aarde te bestuderen, zoals de wereldwijde en lokale luchtvervuiling, klimaatverandering, waterbeheer en nog veel meer, heeft een onderzoeker zoveel mogelijk details nodig van het gereflecteerde zonlichtsignaal. Het is daar dat hyperspectrale sensoren bij van pas komen, door de signaalsterkte te meten in honderden zeer smalle spectrale banden.
Gereflecteerd zonlicht van objecten op de aarde bevat een grote hoeveelheid informatie. Het signaal wordt beïnvloed door alles wat het tegenkomt op zijn weg van de zon naar de sensor: het reflecterende oppervlak (bodem, vegetatie, water of menselijke constructies) of de atmosfeer waar het doorheen gaat. Het ontrafelen en verkennen van deze informatie is een spannend onderdeel om de volgende stappen voor toekomstige aardobservatietoepassingen voor te bereiden.
DE COMBINATIE VAN PLATFORMEN OM DE GEGEVENS TE VERBETEREN
Een teledetectie-instrument heeft een dragerplatform nodig. Dat kan een vliegtuig, een drone of een satelliet zijn. De selectie van het juiste platform is de sleutel tot het gebruik van het volledige potentieel van het instrument.
Bijvoorbeeld: een vliegtuig is in staat meerdere, zware, ultraperformante instrumenten te vervoeren en grotere gebieden te bestrijken dan een drone. Satellieten daarentegen zijn in staat bijna elke locatie op aarde te bestrijken met een lagere ruimtelijke resolutie. Bij validatieoefeningen worden beide gebruikt om elkaar te ondersteunen en hun resultaten te vergelijken om de gegevensverwerking te optimaliseren.
VAN SIMULATOR TOT OPERATIONEEL HYPERSPECTRAAL SYSTEEM
APEX, de afkorting van Airborne Prism Experiment, is een hyperspectrale sensor met een hoge spectrale en ruimtelijke resolutie, ontwikkeld door een Zwitsers-Belgisch consortium in opdracht van het ESA. Het is operationeel sinds 2010 met de steun van het Federaal Wetenschapsbeleid.
APEX was oorspronkelijk bedoeld als een simulator en een kalibratie- en validatie-instrument voor hyperspectrale beelden in de ruimte. Samen met de Remote Sensing Laboratories (RSL) van Zürich hebben we het instrument uit de laboratoriumomgeving naar de echte wereld gehaald, met inbegrip van kalibratie van het instrument vóór de campagne, jaarlijkse vluchtcampagnes en gegevensverwerking.
Bijna 10 jaar na de eerste missie hebben we zo'n 250 gebieden in 15 verschillende Europese landen bestreken en hebben we datakubussen geleverd die meer dan 100 onderzoeksprojecten ondersteunden om:
- invasieve vegetatie te monitoren
- de organische koolstof in bodems te schatten
- stedelijke landschappen te kenmerken
- ziekten op te sporen in boomplantages
- de Alpengletsjersneeuw te monitoren
- de oorzaken van de graaspatronen van dieren in de Alpen te onthullen
- de waterkwaliteit en de luchtvervuiling te monitoren
- multitemporele referentiedatasets te bouwen en nog veel meer
ENKELE GEBRUIKSSITUATIES
BIRA-IASB, het Koninklijk Belgisch Instituut voor Ruimte-Aeronomie heeft APEX in verschillende projecten gebruikt sinds 2015. Frederik Tack, atmosferische teledetectiewetenschapper bij BIRA, legt uit waarom APEX interessant is voor hen:
“Hyperspectrale gegevens verkregen van APEX stellen ons in staat de concentratie van vervuilende stoffen zoals NO2 op te vragen en met een hoge resolutie en nauwkeurigheid in kaart te brengen. Dit biedt een breed scala aan onderzoeksmogelijkheden, zoals de studie van de horizontale variabiliteit van vervuilende stoffen in stedelijke gebieden, top-down schatting en satellietvalidatie van emissies."
De onderstaande kaart toont de APEX NO2-kolomconcentratie die op 27 juni 2019 in de buurt van Antwerpen, België, werd waargenomen. Er kunnen duidelijke patronen worden waargenomen van een verhoogde NO2-concentratie die benedenwinds van de emissiebronnen in de haven en de stad getransporteerd worden. Er zijn ook enkele gedetailleerde smalle rookpluimen van individuele schoorstenen zichtbaar, naast verhoogde waarden langs de ring en de kruispunten met de hoofdverkeerswegen. Satellietobservatiegegevens van TROPOMI op Sentinel-5P worden als kleurgecodeerde polygonen over elkaar heen gelegd en komen grotendeels overeen met de APEX-gegevens.
In 2018 werd APEX ingezet in een grote campagne in de lucht. Andreas Hueni van RSL coördineerde de verschillende sensormissies voor het ESA om:
- de kalibratie en validatie van de Sentinel 3B-sensor in de baan te ondersteunen
- gegevens te verzamelen ter ondersteuning van de engineering van de volgende generatie op ruimtevaart gebaseerde hyperspectrale sensoren
- oppervlakte-informatie te verstrekken over de verschillende toepassingen, van de bodem tot de vegetatie en de mineralen
Een belangrijk aspect was ook de werking van APEX in combinatie met de AVIRIS-ng-sensor die eigendom is van de NASA en die wordt bediend door JPL.
ESA vroeg APEX in 2013 om over het Bos van Harth (Frankrijk) te vliegen in het kader van de voorbereidingen op de Copernicus Sentinel-2- en FLEX-missie.
Voor Sentinel-2 werden deze gegevens gebruikt voor het maken van een prototype, het testen en valideren van ophaalalgoritmen over beboste regio's.
Voor de FLEX-missie vormden de verzamelde gegevens met een hoge resolutie een waardevol inzicht in de cruciale rol van de ruimtelijke heterogeniteit bij het beheersen van de relatie tussen fluorescentie en bruto primaire productie (BPP), waarbij er rekening moet worden gehouden met een grovere resolutie. Daarnaast hielpen de gegevens in de lucht om het potentieel te verkennen van nieuwe methoden om de functionele diversiteit van terrestrische ecosystemen in kaart te brengen.
Om vooruitgang te boeken bij het onthullen van cruciale informatie over de complexe processen op aarde is verdere samenwerking nodig tussen meerdere instrumenten van verschillende instituten. Op deze manier dragen technologie en wetenschap bij aan onze toekomst.
