علامة على المعارضة الأفلام في مجال تعزيز التصوير الساتلي للمسح الهندسي

وقد أصبح التصوير بواسطة السواتل حجر الزاوية في الدراسات الهندسية الحديثة، مما يتيح منظوراً متبادلاً لا يمكن تحقيقه من الأرض، إذ إن الصور العالية الاستبانة والمتعددة الأطياف توفر المعلومات الجغرافية المكانية اللازمة للتخطيط للطرق السريعة، ورصد الأنابيب مباشرة للطرق، وتضاريس الخرائط، وتقييم الأثر البيئي على المناطق الشاسعة، كما أن أجهزة الاستطلاع الضوئي التي تتحكم بصورة انتقائية في هذه الأجهزة.

وفي هذه المادة، نستكشف العلوم والأنواع والتطبيقات الحرجة للمرشحات البصرية في الاستشعار عن بعد بواسطة السواتل، وسننظر في كيفية تعزيز أعمال المسح الهندسي، والمبادلات التي تنطوي عليها عملية اختيار المرشات، والاتجاهات الناشئة التي تعد بقدر أكبر من الدقة والقابلية للتكرار.

ما هي الأفلام المعارضة؟

والمرشح البصري هو جهاز ينقل بصورة انتقائية الضوء على بعض الألواح أثناء امتصاصه أو التعبير عنه، وفي التصوير بالسواتل، توضع المرشحات في المسار البصري - على نحو مباشر قبل صفيفة الطائرات المحورية - لتشكل المحتوى الطيفي للصورة التي تشكل على جهاز الكشف، ويمكن أن تُصنع من الزجاج المكدس، أو المعاطف الديكلتري، أو مواد البلورية، التي توفر الاستقرار.

وهناك مبدأان تشغيليان أوليان:

• Absorptive filters] — Embedded dyes or ions within a glass substrate absorb specific wavelengths. They are robust, inexpensive, and suitable for broad blocking, but have limited spectral selectivity and can heat up under intense solar radiation.
• Interference (dichroic) filters] — Thin —film coating deposited on glass or sapphire create constructive and destructive interference to transmit a precise band of wavelengths while rejecting others. they achieve very sharp cuton and cut‐-hinoff transitions and can be designed for narrow (<5 nm) or wide (>)100m

]

" أجهزة الترشيحات البصرية هي بوابات الطيف الكهرومغناطيسي في الاستشعار عن بعد، وبدونها، سيسجل كل بيكسل نفس كثافة النطاق العريض، وسنفقد التوقيعات الطيفية التي تكشف عن صحة النبات وتكوين المعادن ونوعية المياه " - مستمدة من دروس مرصد الأرض في ناسا.

كما أن المرشّحات لا تعمل بأدوار غير مرئية، إذ تخفض الكثافة المحايدة من الانطلاقات الضوئية عموماً لمنع تسرب الحساسات على الأهداف المشرقة (الثلج والصحراء) وتقطع المرشّحات الجليدية من المياه أو من الهياكل التي يُصنعها الإنسان، وتكشف عن تفاصيل مخفية عن طريق التأملات المضاربة.

أنواع الأفلام البصرية المستخدمة في التصوير الساتلي

Bandpass Filters

أجهزة استنشاق الغازات المزودة بأجهزة تنقية محددة، تستخدم عدة مقاييس ذات نطاق متعدد الأطياف، وتخفض إلى بضعة مقاييس من أجل أدوات الفائقة الأطياف، وهي أكثر الأنواع شيوعاً، مما يتيح التلقيم المتزامن في إطارات متعددة من الطيفات مثل النطاقات الزرقاء والخضر والحمراء والقرب من الحمراء، ومقياس الموجات المتوسطة والنصفية القصيرة (SWIR1]).

وتستخدم مرشحات النطاق الترددي الشمالي (مثلاً، 10 أمتار كاملة في نصفها الأقصى) في صور فائقة الأطياف مثل AVIRIS AVIRIS، مما يوفر عينات ضوئية ملتوية يمكن أن تحدد خصائص محددة للاستيعاب (مثلاً، الكلوروفيل عند 690 نانو متراً، وأكسيدات حديدية عند 900 نانوتر).

أطباء الأسنان

وتخفض مرشحات البيوت من كثافة جميع الأغصان الموجية بشكل موحد، وتمنع أجهزة التكتل أو أجهزة الاستشعار المكملة للمعادن ذات السمة العالية، وتسمح أجهزة الاستشعار المحتوية على مواد مشرقة جداً (الصخرة المعرضة الآن، والأسطح البيضاء) وبدون مرشحات من طراز ND، يمكن أن تزدهر منطقة واحدة مشرقة عبر أكياس متاخمة أو تسبب في أضراراً لا رجعة فيها.

عدد المصورين

ويمنع المستنقعات المتسلسلة أو التعميمية الضوء الذي يُستقطب بالتفكير من المياه أو الطرق أو نوافذ البناء، ومن خلال تناوب محور الاستقطاب (أو استخدام توجه ثابت بالنسبة للزيموت الشمسي)، يمكن للمهندسين أن يقللوا كثيرا من الجليد، ويكشفوا عن قياس الأعماق تحت الماء، أو ارتداء سطحي، أو البقع النفطية.

قاذفة طويلة وصغيرة الحجم (الدج)

وهذه المرشات تقطع عن طريقها نقلا حادا تحت )الجوازات( أو فوقها )الطول( موجة محددة، وتستخدم لتحديد النطاق الشامل لمجس، مثل مرشحة طويلة جدا تحجب جميع الميكروفونات الموجية أقصر من ٤٠٠ نانوغرام )الأشعة فوق البنفسجية( لحماية جهاز الاستشعار والحد من الارتداد الشعاعي)٤(.

مصورون

وتحجب أجهزة التليفزيون (أو الضمادات) مجموعة ضيقة من الألواح الموجية بينما تنقل كل شيء آخر، وتستخدم هذه الرش لإلغاء خطوط الامتصاص الجوي القوية أو " منطقة امتصاص بخار الماء " المهددة التي من شأنها أن تلوث الإشارة من السمات الأرضية، أما بالنسبة لبيانات المطياف الضوئية، فإن أجهزة التصفير لا يمكن أن تكون جزءا من عمليات التنظيف المتطورة.

أهمية الدراسات الاستقصائية الهندسية

وتعتمد الدراسات الاستقصائية الهندسية على القياسات الدقيقة والمكررة لسطح الأرض، ولا تقتصر المرشّحات الضوئية على " النافع " فحسب، بل تتيح أساسا التمييز الطيفي الذي يحول صورة إلى خريطة كمية، بل هي مجالات التطبيقات الرئيسية التي تحدث فيها المرشّحات فرقا ملموسا.

رسم الخرائط الطبوغرافية ورسم الخرائط

وتطبق المرشحات المكانية العالية التجويف (التحسينات) أحياناً في مرحلة ما بعد التجهيز، ولكن المصفوفات الضوئية نفسها تكفل أن تكون الصورة الخام متناقضة ودينامية على نحو كاف، وأن الصور المتحركة (الزوارق) المستخدمة في نماذج التضاريس الرقمية تستفيد من مرشحة قصيرة جداً تحجب الهزات الحمراء، بينما تتيح النطاقات المتعددة الأطياف التصنيف التلقائي للغطاء الأرضي قبل إحداث تحولات أو الارت.

رصد الهياكل الأساسية

وبالنسبة للجسور، وخطوط الأنابيب، وأبراج النقل، يمكن للصور الساتلية أن تكتشف التغيرات الخفية في درجة حرارة السطح، أو الرطوبة، أو تدهور الطلاء، وتستهدف مرشحات النطاق الترددي الخفي المحددة لمنتجات التهوية الخرسانية (مثلاً، فإن الأشعة تحت الحمراء عند 2 ميكروم) تساعد على التمييز بين الخرسانة الطازجة والأعية القديمة.

موارد المياه والهندسة الساحلية

وترصد بصورة روتينية قياس الأعماق الساحلية، والأعمدة الرسوبية، وأجهزة الاستنشاق بالغال بأجهزة استشعار ساتلية مثل لاندرسات - ٨/٩ و " ستينيل - ٢ " ، وتخفض أجهزة التصفيق التي تعزل الهباء الساحلي )٤٣٠-٤٥٠ نانو متر( وأجهزة التنظيف السطحي )٥٦٠ نانو متر( من الاختراق الجوي لكشف المياه، بينما تتجنب الترددات العالية

التنقيب عن المعادن والتعدين

وتستخدم الدراسات الاستقصائية الجيولوجية لأغراض التعدين وتحديد المواقع صورا عالية الاستبانة للمركبات ذات الترددات الحرارية والأشعة تحت الحمراء، وتسمح أجهزة الاستيعاب التي تعزل مجموعات من المعادن الطينية (2.2 ميكروم) والكربونات (2.35 ميكروم) وأكسيدات الحديد (0.9 ميكروم) للأخصائيين الجيولوجيين برسم خرائط للهبوط المحوِّر من المدار.

Environmental Impact Assessments (EIA)

وقبل الموافقة على طريق جديد أو سد أو لغم، يجب على المهندسين تقييم ظروف خط الأساس، إذ أن الصور الساتلية المجهزة بمصفوفات تميز أنواع النباتات، والحدود الرطبة، ورطوبة التربة تساعد على وضع خطوط الأساس هذه، كما أن مرشحات النطاقات الحمراء (مثلاً، 705-745 نانو متر) حساسة بوجه خاص لمحتوى الكلوروفيل ويمكن أن تكشف عن الإجهاد الناجم عن التلوث أو التآكل قبل ظهور أعراض تنظيمية.

الزراعة الدقيقة والحراجة

ورغم أن هذه الدراسات الاستقصائية لا تصنف دائما على أنها " محرك، " ، فهي تُبلِّغ التخطيط لاستخدام الأراضي، وحقوق المياه، وحصاد الأخشاب، وتعتمد مؤشرات الغطاء النباتي )الدراسة الاستقصائية الوطنية عن الكوارث، والدراسة الاستقصائية الوطنية، وما إلى ذلك( على التناقض بين النطاقات الحمراء وخطوط النقل الوطنية، وتتوقف دقة هذه المؤشرات مباشرة على النقاء الطفيفية للمرشحات التي تُستخدم في سعة النطاق الترددي والتي تُصمّدُ على درجة الحرارة أو تتميز بمؤشرات المتأصل إلى درجة الحرارة.

فوائد استخدام الأفلام البصرية في الدراسات الاستقصائية الهندسية

تعزيز كلاريتي الصور وشبكة SNR

فبمنع الضوء على النطاق البعيد، تزيد المرشّحات نسبة الإشارة إلى الأنظار بالنسبة إلى النقاط الموجية المثيرة للاهتمام، فعلى سبيل المثال، يزيل جهاز تحديد النطاق الترددي الوطني الجليد الشمسي من الطرف الأزرق، مما يؤدي إلى توقيعات نظيفة، وتخفض الكثافة المحايدة والمصفوفات المستقطبة من النطاق الدينامي، مما يحول دون إلقاء الضوء على التفاصيل السطحية.

التمييز الأفضل في مجال المرأة

وكل مادة على الأرض لها طيف فريد من نوعه من المواد المميزة، إذ أن جهاز استشعار ساتلي بدون مرشحات لن يسجل سوى متوسط النطاق العريض، مما يجعل العديد من المواد غير قابلة للتفكك (مثلاً، الأسفلت ضد التربة المظلمة) ومع عدة مرشحات من الضمادات، يمكن للمهندسين أن يكوّنوا توقيعات على الطيف تفصل بين فئات الغطاء الأرضي ودقتها 90 في المائة، وهذا التمييز ضروري للتصنيف آلي في الدراسات الاستقصائية الكبيرة.

زيادة موثوقية البيانات ومعايرة البيانات

وتُعد مرشحات مُؤقتة جزءاً من سلسلة المعايرة اللامعية، ويُحمل العديد من سواتل رصد الأرض مصابيح معايرة على متنها أو مُشَهِّرات شمسية ينظر إليها من خلال نفس المرشَّحات، مما يكفل إمكانية تعويض أي تردي في المرشِّح بمرور الوقت، إضافة إلى أنَّ أجهزة الترشيح تحجب عن بوادر الماء في الغلاف الجوي التي من شأنها أن تُحدث مقارنات راقية أكثر تعقيداًاًاًاًاًاً.

انخفاض الاحتياجات بعد التجهيز

ويمكن للمرشحات المتطورة في جهاز الاستشعار أن تقلل من الحاجة إلى إصلاح بالغ في الغلاف الجوي في البرمجيات، ووفر الوقت والموارد الحاسوبية، وعلى سبيل المثال، فإن مرشحا يحجب نطاق استيعاب ثاني أكسيد الكربون بالقرب من ٧٦٠ نانو مترا يبسط نموذج الإصلاح الجوي، لأن هذه القناة لا تحتاج إلى اختراق الأوكسجين من البيانات التكميلية.

التحديات والتحديات التجارية

وعلى الرغم من فوائدها، فإن مرشحي المقاييس البصرية يطرحون تحديات يجب على المهندسين أن ينظروا فيها:

• Cost and complexity] — Highperformance interference filters with steep spectral slopes and thermal stability require advanced coating deposition (e.g., ion —beam sputtering). These can cost tens of thousands of dollars per filter, and any manufacturing defect can destroy an entire instrument.
• ]Spectral leakage – no filter blocks all out-oflink light perfectly. A small percentage of leakage -often just 0.01%-can contaminate narrow bands, especially when imaging bright targets. Engineers must specify leakage limits based on the expected dynamic range of the scene.
• () حساسية الحساسية من حيث الحساسية ] - التلويث المركزي وموجز نقل مرشحات التدخل يتحول إلى درجة حرارة (نحو 0.01 إلى 0.05 نانوغرام/س) - في المدار، تكون درجات الحرارة 30 درجة مئوية شائعة، بحيث تكون الرشرات إما محاطة بنقطة ثابتة من حيث الموقع أو يتم تصحيح التحول الطيفي وتعالج.
• ]Weight and size - تضيف الأفلام معظمها إلى النظام البصري، وبالنسبة للمزارع والسواتل الصغرى، يتطلب التكامل الميكانيكي للمرشحات - وغالبا كجزء من عجلات التصفية - تطابق عدد النطاقات المتاحة، وتستخدم بعض التصميمات الجديدة صفائف النسيج الأحاديثية المتعددة الأطياف )مثل أنماط الموصلات المتطورة(
• (أ) الاتجار بين الحل الطيفي والمكاني - أجهزة تحديد نطاقات النارو التي تنقل أقل ضوءاً، مما يتطلب فترات اندماج أطول أو بصرية أكبر للحفاظ على SNR. ويمكن أن يحد من التسوية المكانية (أكياسات زلز) أو التغطية الأرضية (اقتناء أقصر).

الاتجاهات المستقبلية في الأفلام البصرية لأغراض التصوير الساتلي

صانعو خامات وتقنيات كريستال السائلة

ويمكن لمصفوفات التجميل السائلة البلاستيكية أن تغير نطاقها في الثانية من الألف بتعديل فولتاج مطبق، فهي تتيح للمستشعر الواحد أن يلتقط مئات من مجموعات الطيف دون عجلة من الرش أو يد العضلات للمصابيح النباتية، وعلى الرغم من أن لفرق التعدين المتطورة حالياً أقل من نطاق الترددات (نحو 10 نم) ومن خلال الانتقاء

أرايات السينمائية ذات المستوى الفائق (Fabry-Pérot on Chip)

ويدخل الباحثون مقادير فبري - بيروت مباشرة إلى صفيفة الكشف عن السيليكون، وكل بيكسيل مجهز بغطاء مختلف، مما يعطيه استجابة فريدة من نوعها من الأطياف، وقد أظهرت شركات مثل شركة إيك واكسيما كاميرات متعددة الأطياف ذات طلقات متعددة الأطنان مع فرق من ٥ إلى ١٦، وفي العقد القادم، يمكن تكييف هذه التكنولوجيا تماما من أجل الفضاء، مما يزيل الحاجة إلى أجهزة فيديو مستقلة.

Metasurface and Nano structuredd Filters

يمكن أن يخلق مصفوفات فوق سطحية ذات مسافات عالية جداً من الأنفجار الحراري ولها حواف طينية شديدة، ولأنها محددة من الناحية الصبغة الليثوغرافية، يمكن أن تُدرَس بدقة عبر صفيفة، مما يتيح للأجهزة المتعددة الأطياف على متنها دون أن تُرسل إليها أجهزة البحث عن مُصطفى الأرض إلى أجسام فضائية تقليدية.

تعليم الآلات من أجل تصميم الأفلام

وبدلا من تصميم مرشحات يدوية، يستخدم المهندسون الآن أمثل الخوارزميات في تصميم المعاطف التي تزيد من دقة التصنيف أو الدقة الاسترجاعية بالنسبة لتطبيق معين، مثلا، يمكن للشبكة العصبية أن تتنبأ بأحدث من الثقة في رسم خرائط الغطاء الأرضي الحضري، ثم يحاول فريق المفرزة التصفي تحقيق تلك المنحنىات.

خاتمة

وقد تكون مرشحات سريعة ذات طابع صغير وغير مرئي في كثير من الأحيان، ولكنها ضرورية تماماً لنوعية الدراسات الهندسية الساتلية ودقتها وموثوقيتها، ومن مرشحات الطرق المألوفة التي تتيح وضع خرائط للنباتات والمعادن إلى عناصر متقدمة من حيث الاستقطاب والمحايد، تقوم على إزالة الجليد والتشبع، وتؤدي كل مرشحة دوراً في تحويل الصور الأولية إلى معلومات جغرافية مكانية أكثر فعالية.

بالنسبة للمهندسين والمساحين الذين يعتمدون على بيانات السواتل، فهم خصائص التصفية في صورهم ليس أكاديميا فحسب، بل يؤثر على المقاييس، وعلى دقة التصنيف، وفي نهاية المطاف صلاحية القرارات التي تتخذ من تلك البيانات، وسواء كنت تخطط لطريق سريع عبر الممر الجبلي، أو ترصد خط أنابيب في القطب الشمالي، أو تقيّم أثر التحات الساحلية، فإن أجهزة التصفية الضوئية على متن الساتل المصور تعمل بهدوء من أجل إيصال أفضل نظرة معلوماتية.