Đều đặn mỗi ngày, Jim Geach - nhà vật lý thiên văn tại Đại học Hertfordshire (Vương quốc Anh) lại đến văn phòng làm việc để theo dõi các thiên thể, sử dụng hình ảnh từ kính viễn vọng nhằm suy ra cách các thiên hà xa xôi tập hợp và phát triển. Bỗng một ngày, ông chợt nhận ra mình có thể sử dụng vệ tinh theo cách tương tự để theo dõi cách thảm thực vật phát triển trên Trái đất.
Đó không phải là một ý tưởng chỉ lóe lên vài giây rồi chợt tắt, ông đã thực sự nắm bắt lấy nó và hợp tác với các chuyên gia khác sáng lập nên Aspia Space, với sứ mệnh giúp người nông dân khai thác tối đa, bền vững phần đất đai của họ.
“Tôi nhận ra rằng các vệ tinh quan sát Trái đất về cơ bản là những chiếc kính thiên văn hướng xuống”, ông mô tả. “Khi quan sát dải ngân hà, chúng ta tìm hiểu về các tính chất vật lý của nó. Việc nhìn vào một cánh đồng lúa mì cũng tương tự như vậy”.
Từ những dữ liệu thu được, các chuyên gia sẽ suy luận thông tin về cây trồng, đồng cỏ và tài nguyên thiên nhiên; từ đó giúp nông dân tối đa hóa sản lượng lương thực. Ông tin rằng dữ liệu từ không gian có thể hỗ trợ con người quản lý đất đai mà không cần phải nhọc công theo dõi sự phát triển của cây trồng mỗi ngày - và hệ thống của ông chính xác đến mức có thể đo được chiều cao trung bình của các ngọn cỏ với độ chênh lệch khoảng 1,5cm.
Aspia Space được thành lập vào năm 2021 tại Cornwall, Vương quốc Anh và vẫn đang trong giai đoạn khởi động. Tệp khách hàng tiềm năng của startup này bao gồm nông dân và chủ trang trại có diện tích đất canh tác tương đối lớn ở các vùng nông thôn. Đối tác đầu tiên của họ là Công ty Công nghệ nông nghiệp Origin Digital có trụ sở tại Bắc Ireland. Công ty này hiện đang làm việc với các tổ chức hỗ trợ nông dân và kỹ sư nông nghiệp. Trong dự án này, Aspia Space đã phối hợp lập bản đồ chiều cao trung bình và tốc độ phát triển của cỏ dùng để nuôi bò. Mỗi pixel trên bản đồ đại diện cho một hình vuông trên Trái đất có cạnh 10 mét. Dữ liệu này có thể cho biết phần nào của cánh đồng hoặc đồng cỏ đang phát triển tốt và phần nào đang bị ảnh hưởng. Nông dân có thể sử dụng thông tin để cập nhật kế hoạch cắt cỏ hoặc báo cho người chăn nuôi biết khi nào nên đưa một đàn gia súc đến ăn.
Duncan Robertson, Trưởng phòng R&D tại Origin Digital, đã mô tả đây là “thời điểm thay đổi cuộc chơi” đối với những người nông dân trồng cỏ và các doanh nghiệp hợp tác với họ. Lần đầu tiên họ có thể tính toán từ xa và tự động số lượng cỏ trên cánh đồng và bãi cỏ của mình - một cách thường xuyên và trên quy mô lớn.
Điều này giúp nông dân xây dựng một kế hoạch sáng suốt hơn về lịch trình chăn thả, dinh dưỡng động vật và cắt giảm cỏ ủ chua, đảm bảo nguồn cung cấp thực phẩm bền vững, ổn định hơn.
“Công nghệ đo chiều cao cỏ từ xa mang đến những lợi ích to lớn cho việc quản lý cỏ, đồng thời loại bỏ quy trình đo lường thủ công tốn nhiều công sức hiện nay”, Kieran Holden, chuyên gia kỹ tại Origin Digital, cho biết thêm. “Công nghệ này giúp nông dân Ireland tiết kiệm khoảng 2 giờ mỗi tuần, hoặc 1.600 Euro mỗi năm, chỉ tính riêng chi phí đo đạc.”
Đây là cách họ vận hành công nghệ: Trước tiên, Aspia thu thập hình ảnh radar xuyên qua đám mây từ các vệ tinh Sentinel-1 của Cơ quan Vũ trụ châu Âu. Sau đó, thuật toán trí tuệ nhân tạo của họ, có tên là ClearSky, chuyển chúng thành hình ảnh quang học - giúp các chuyên gia dễ dàng trong việc diễn giải thông tin hơn. Nhóm đã đào tạo và hiệu chỉnh thuật toán bằng cách sử dụng dữ liệu về độ cao thực tế của cỏ do Origin Digital thu thập. Họ còn sử dụng một công cụ để đo chiều cao và số lượng cỏ trong một cánh đồng và chuyển đổi nó thành đơn vị kilogam vật chất khô trên một ha. Phép chuyển đổi này giúp ClearSky tự suy luận, biến hình ảnh đồng cỏ thành dữ liệu cụ thể ở những nơi các chuyên gia chưa có số liệu đo đạc trực tiếp. Cuối cùng, ClearSky có thể đưa ra dự báo về sự phát triển của thảm thực vật trong tương lai.
Phân tích của Origin Digital cho thấy các vệ tinh Sentinel-2 được sử dụng phổ biến của Cơ quan Vũ trụ châu Âu đã tạo ra trung bình 13 hình ảnh rõ nét cho mỗi trang trại ở Vương quốc Anh vào năm 2021. Ngược lại, công nghệ ClearSky do Aspia Space phát triển sử dụng các kỹ thuật mang tính cách mạng để tạo ra hơn 60 hình ảnh rõ nét mỗi năm.
Công nghệ đầy tiềm năngAspia Space đang gia nhập hàng ngũ các công ty và cơ quan vũ trụ hoạt động trong lĩnh vực công nghệ viễn thám, theo dõi các thuộc tính vật lý của mọi thứ trên mặt đất bằng cách sử dụng các cảm biến trên vệ tinh. Hầu hết các vệ tinh quan sát Trái đất, chẳng hạn như chương trình vệ tinh Landsat lâu đời của NASA , sử dụng cảm biến cho hình ảnh quang học — về cơ bản là hình ảnh từ không gian. Nhưng tại mọi thời điểm, phần lớn Trái đất bị bao phủ bởi mây và lâm vào tình trạng ô nhiễm khói và không khí; chúng có thể gây cản trở các cảm biến và tạo ra những lỗ hổng dữ liệu lớn. Radar có khả năng xuyên qua các đám mây để cung cấp hình ảnh rõ ràng vào bất kỳ thời điểm nào — ngay cả ở những vùng thường xuyên có mây như vùng nông thôn Ireland.
Radar hoạt động ở tần số vô tuyến siêu cao tần, có bước sóng siêu cực ngắn, dưới dạng xung được phát theo một tần số lập xung nhất định. Trong quá trình lan truyền, sóng radar gặp bất kỳ mục tiêu nào thì nó sẽ bị phản xạ trở lại. Tín hiệu phản xạ trở lại được chuyển sang tín hiệu điện. Nhờ biết được vận tốc sóng, thời gian sóng phản xạ trở lại nên có thể biết được khoảng cách từ máy phát đến mục tiêu, từ đó tạo ra hình ảnh vệ tinh radar. Thông thường, mọi người có thể xác định các điểm mốc trong hình ảnh radar, nhưng sẽ rất khó để họ hiểu rõ ý nghĩa hình ảnh nếu không có chuyên môn về lĩnh vực này. Đó là lý do tại sao Aspia sử dụng ClearSky để chuyển đổi chúng thành hình ảnh quang học. Đội ngũ công ty nhận ra rằng độ phân giải cũng là một yếu tố quan trọng, vì vậy họ thường sử dụng “radar khẩu độ tổng hợp” (SAR) hòng mô phỏng hiệu ứng của ăng-ten dài hơn và tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao hơn.
Một số công ty trong ngành vũ trụ thương mại đã áp dụng SAR trong những năm gần đây, chẳng hạn như Capella Space và Umbra Space có trụ sở tại California và Iceye của Phần Lan. Trong khi Aspia tập trung vào việc phân tích dữ liệu từ quỹ đạo của cơ quan vũ trụ, các công ty này sở hữu các vệ tinh của riêng họ và bán hoặc cấp phép dữ liệu radar của họ cho khách hàng. Ví dụ, Adam Thomas, giám đốc phát triển kinh doanh của công ty Capella gần đây đã công bố một chương trình hợp tác phân tích để các công ty khác có thể thiết kế thuật toán của riêng họ thông qua việc sử dụng hình ảnh radar của Capella.
Todd Master, giám đốc điều hành của Umbra cho biết, công ty họ tập trung so sánh các hình ảnh radar có độ phân giải cao của cùng một khu vực để phát hiện những thay đổi nhỏ, chẳng hạn như cây trồng bị bệnh hay khỏe mạnh, theo dõi lũ lụt. Master cho rằng những ứng dụng này mới là “siêu năng lực thực sự của SAR”.
Cho đến một vài năm trước, hầu như chỉ có các cơ quan quân sự và tổ chức tình báo sử dụng dữ liệu SAR. Nhưng giờ đây, khách hàng có quyền truy cập vào dữ liệu radar từ các công ty tư nhân như Umbra, họ sẽ tìm thấy nhiều hướng sử dụng tiềm năng khác, đặc biệt là các ứng dụng liên quan đến phân tích. “Các ứng dụng này sẽ trở nên phổ biến trong thập kỷ tới,” Master nói.
Lúc này, đội ngũ chuyên gia tại Aspia đang nỗ lực tích hợp trí tuệ nhân tạo vào ClearSky để đưa ra dự báo về sự phát triển của cây trồng và khả năng hạn hán trong tương lai. “Về cơ bản, ClearSky đang sử dụng các nguyên tắc giống như GPT,” Geach tiết lộ. Giống như các mô hình ngôn ngữ lớn như ChatGPT và Bard - những mô hình đã “học hỏi” các văn bản từ internet có thể dự đoán một loạt từ có khả năng xảy ra, ClearSky sẽ lấy hình ảnh vệ tinh của một khu vực cụ thể và dự đoán một loạt hình ảnh tiếp theo. “Mô hình dự đoán các diễn biến có khả năng xảy ra nhất, giải đáp câu hỏi: Ngày mai sẽ như thế nào?” ông giải thích.
Sau khi ra mắt tại Vương quốc Anh, Origin Digital và Aspia Space đang lên kế hoạch cho các dự án bản địa hoá để ứng dụng công nghệ này cho nông dân trên toàn thế giới, ở những khu vực có khí hậu và phương thức canh tác khác nhau.