드론, MossCam, 스마트 센서, AI를 활용한 남극 이끼

Nov 20, 2023

울런공 대학교의 요한 바르텔레미(Johan Barthélemy); 오클랜드 공과대학교 바바라 볼라드(Barbara Bollard); Juan Sandino, Queensland University of Technology 및 Krystal Randall, University of Wollongong

남극 대륙은 하얀 얼음과 푸른 하늘을 연상시킵니다. 그러나 퍼스 남쪽으로 3,880km 떨어진 호주의 케이시역(Casey Station)에서 멀지 않은 곳에 이끼층이 푸르른 녹색으로 나타납니다.

안타깝게도 이러한 이끼층의 건강은 변화하는 기후 조건, 오존층 파괴 및 폭염으로 인해 감소하고 있습니다. 그러나 문제에 대한 우리의 이해는 제한적입니다. 남극 대륙에서 연구를 수행하는 것은 어렵습니다. 데이터 수집 기간은 짧으며 각 연구 기회 사이에는 수년이 걸릴 수 있습니다. 다행히도 새로운 기술이 솔루션을 제공합니다.

2022년 12월, 우리는 케이시역으로 여행을 떠났습니다. 우리는 이끼에 대해 더 많이 배우고 생물학적 변화를 원격으로 모니터링하는 더 나은 방법을 찾기 위해 생물학, 비행 드론, 프로그래밍 및 인공 지능 기술을 결합하여 현장에서 2개월을 보냈습니다.

우리는 대규모 이끼층을 지도화하고 연중 지속적으로 이끼 데이터를 제공할 수 있는 새로운 센서 시스템을 시험했습니다. 이 연구가 진행되는 동안 여기에서 초기 결과를 여러분과 공유하게 되어 기쁘게 생각합니다.

식물에는 햇빛, 따뜻함, 액체 물이 필요합니다. 남극 식물은 몇 달 동안 어둠과 영하의 기온, 얼어붙은 물 때문에 가뭄을 겪습니다. 그러나 이끼는 이러한 적대적인 환경에 적응했습니다.

이끼는 남극 대륙의 주요 식물입니다. 이곳은 남극 육지 생물 다양성의 99% 이상을 차지하는 무척추동물, 미생물, 곰팡이의 서식지를 제공합니다. 이끼층은 생명력이 넘치는 작은 숲을 닮았습니다.

남극 이끼는 색소를 사용하여 햇빛을 흡수하여 따뜻한 미기후를 만듭니다. 이 따뜻함은 광합성을 돕고 이끼가 눈을 녹여 액체 물을 얻는 데 도움이 됩니다. 이끼 침대를 가로지르는 작은 언덕과 계곡은 이끼가 받는 빛의 양을 결정하고 미기후와 건강에 차이를 만듭니다.

이끼에 도달하면 바위 위에서 조심스럽게 균형을 잡아 샘플을 채취하고 데이터 로거를 배치했습니다. 이는 이끼층의 다양한 위치에서 캐노피 온도를 측정하는 4개의 센서로 구성되었습니다. 또한 건강과 스트레스 수준을 나타내는 색소 분석을 위해 광합성을 측정하고 이끼 샘플을 수집했습니다.

아래 사진은 장비가 부착된 이끼 침대를 보여줍니다. 복잡한 미세 지형과 건강하고 스트레스를 받은 이끼들의 모자이크를 볼 수 있습니다. 건강한 이끼는 녹색이고 부드럽습니다. 스트레스를 받은 이끼는 빨간색을 띠다가 결국 회색으로 변합니다.

불과 몇 센티미터 간격으로 자라는 이끼들은 매우 다른 미기후 환경을 경험할 수 있습니다. 아래 사진에서 일부 이끼는 19℃(빨간색 표시 옆)까지 따뜻해졌고, 약 30cm 떨어진 이끼는 0.6℃(흰색 표시 옆)로 따뜻해졌습니다.

이 데이터를 수집하면 이끼층의 물리적 구조, 미기후 및 이끼 건강 지표 간의 연관성을 탐색할 수 있습니다.

남극 대륙에서 우리는 지능적이고 자율적인 장기 감지 플랫폼의 첫 번째 프로토타입도 테스트했습니다. 겨울철을 포함하여 정기적인 여름 현장 캠페인 외에도 장기간에 걸쳐 데이터를 수집하고 전송할 수 있기 때문에 과학자들에게 이전 데이터 수집 장치보다 더 많은 정보를 제공합니다.

프로토타입은 한 달 반 동안 Casey Station 근처의 이끼층을 모니터링했습니다. 센서는 빛의 강도, 주변 공기 온도 및 습도, 이끼 캐노피 온도, 그리고 마지막으로 토양과 공기 사이의 에너지 교환을 포착했습니다. MossCam이라는 애칭을 가진 웹캠은 이끼층의 일반적인 이미지를 포착했습니다.

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또한 우리는 LoRaWAN 무선 네트워크를 위해 남극 대륙에 최초의 안테나를 설치했습니다. 이 네트워크는 전력이 낮고 범위가 넓으며 무료로 사용할 수 있습니다. 이를 통해 거의 실시간으로 데이터를 호주로 다시 보내고 호주인에게만 표시되는 웹사이트 대시보드에 표시할 수 있었습니다.

일부 초기 버그 수정 후 플랫폼은 예상보다 더 나은 성능을 보였습니다. 다음 시즌에 더욱 개선하고 배포하기 위해 시즌이 끝날 때 집으로 가져왔습니다. https://www.youtube.com/embed/ctiW3TZvF5I?wmode=transparent&start=0 MossCam으로 캡처한 24시간 저속 촬영입니다. 요한 바르텔레미.