ويتزايد سكان المدن بمعدل غير مسبوق، حيث يمارسون ضغوطا هائلة على الهياكل الأساسية والموارد والبيئة، ومن أجل إدارة هذا التعقيد، تتحول المدن إلى تكنولوجيات رقمية تعد بقدر أكبر من الكفاءة والاستدامة ونوعية الحياة، وفي قلب هذا التحول، تشكل نموذجين قويين لجمع البيانات: شبكة المعلومات (IoT) والاستشعار عن بعد، وقد أعاد كل منهما تشكيل كيفية جمع وتفسير المعلومات عن أشكالنا الإيكولوجية.

ويخلق تقارب شبكات الاستشعار الأرضية مع الصور الساتلية والجوية رؤية متعددة المستويات للمدينة، وتوفر أجهزة الايوت بيانات ذات استبانة عالية من داخل التدفقات النسيجية الحضرية واستهلاك الطاقة ونوعية الهواء ومستويات الضوضاء، وأكثر، ويلتقط الاستشعار عن بعد، من ناحية أخرى، أنماطا واسعة النطاق: التغيرات في استخدام الأراضي، والجزر الحرارية، وصحة النباتات، واكتشاف البيانات عن طريق البر، ونمو البنية التحتية غير المسبوق.

وقد أدت مبادرات المدن الذكية في جميع أنحاء العالم إلى زيادة هذا التكامل، ومن نظم الري التي توفرها برشلونة بواسطة أجهزة الاستشعار إلى إدارة الحرارة الحضرية في سنغافورة بمساعدة من السواتل، فإن التآزر بين تكنولوجيا الطاقة والتلوث والاستشعار عن بعد يثبت أنه حجر الزاوية للتنمية الحضرية المستدامة، حيث تصبح التكنولوجيا أكثر تكلفة وأكثر تطورا، وكل مدينة ليس فقط أغنى المدن التي تستخدم هذه الأدوات لخلق مجتمعات أكثر قابلية للتأثر.

فهم التعويذات والاستشعار عن بعد

وقبل استكشاف التكامل، من الضروري فهم ما يستتبعه كل تكنولوجيا وكيف تعمل في السياق الحضري.

The Internet of things (IoT) in Cities

وتشير شبكة الإنترنت إلى شبكة من الأجسام المادية - الديفيسات والمركبات والأجهزة والهياكل الأساسية - المجهزة بمستشعرات وبرامجيات ووصلات تمكنها من جمع وتبادل البيانات، وفي مدينة ذكية، تشمل أجهزة الإيوت - تي أجهزة استشعار ذكية، وأجهزة استشعار بيئية، وكاميرات حركة المرور، ومراقبي النفايات، ومراقبي الرحلات، وأجهزة إرسال المركبات - الشبكة العالمية للمسحوقات، وهي عادة ما تتواصل مع شبكات المعلومات ذات النطاق المنخفض.

وتشمل الخصائص الرئيسية للهيكل الحضري للوقود الجمركي (يمكن وضع أجهزة الاستشعار كل بضعة أمتار)، وحسن التوقيت (تحديث البيانات في ثوان أو دقائق)، والتفاعل (يمكن التحكم عن بعد في أجهزة الاستشعار عن بعد)، فعلى سبيل المثال، يمكن لشبكة من أجهزة الاستشعار عن نوعية الهواء عبر المقاطعة أن تبلغ مستويات PM2.5 و NO2 كل خمس دقائق، مما يسمح للسلطات بإصدار تنبيهات صحية أو تعديل أنماط الاستهلاك المحلية في الوقت الحقيقي.

الاستشعار عن بعد: منظور ماكرو

ويكتسب الاستشعار عن بعد معلومات عن الأجسام أو المناطق من مسافة، ويستخدم عادة السواتل أو الطائرات أو الطائرات بدون طيار، ويظهر قياس الاستشعار أو يبث الإشعاع الكهرومغناطيسي، وينتج الصور والبيانات الطيفية التي تكشف عن الخصائص المادية لسطح الأرض، وتشمل منابر الاستشعار عن بعد المشتركة البعثات الساتلية لاندسات وأجهزة الاستشعار عن بعد التي توفر صورا متعددة الأطياف مع إعادة النظر في أوقات بضعة أيام.

وبالنسبة للمدن الذكية، يوفر الاستشعار عن بعد تغطية مائية: يمكن لصورة ساتلية واحدة أن تلتقط منطقة متروبولية كاملة، تكشف عن أنماط غير مرئية من الأرض، وتشمل التطبيقات رسم خرائط للجزر الحرارية الحضرية، ورصد فقدان الأماكن الخضراء، وتقييم مخاطر الفيضانات، وتتبع التوسع الحضري على مر السنين، وتوفر الصور العالية الاستبانة من السواتل التجارية (مثل ماكسار، والبلانت) تفاصيل دون المتر، مما يتيح تحديد المباني وشبكات الطرق الفردية.

How IoT and Remote Sensing Complement each other

ويتمتع كل من الـ (أيوت) والاستشعار عن بعد، فردياً، بمواطن القوة وبقع عمياء، ويتحمل التأشيرات بيانات الكثيفة والحقيقية والحقيقية، ولكن لا تعرف إلا ما يحدث في مكان معين حيث يتم تركيب جهاز استشعار، ويتيح الاستشعار عن بعد منظوراً تاريخياً واسعاً، ولكنه كثيراً ما يفتقر إلى التردد الزمني ولا يمكن أن يلتقط بارامترات فرعية أو داخلية.

جمع البيانات التكميلية

ويمكن للمستشعرات التي تستخدم تكنولوجيا المعلومات أن تتحقق من بيانات الاستشعار عن بعد وتُعيّنها، مثلاً، يمكن أن يُستَعَدَّل في درجات حرارة سطح الأرض بواسطة أجهزة استشعار درجة الحرارة الأرضية لتصحيح التدخل الجوي، كما أن رصد التلوث بالأشعة فوق البنفسجية يقدم قراءات عالية التردد تُصقل نماذج نوعية الهواء بواسطة السواتل، وعلى العكس من ذلك، يمكن للاستشعار عن بعد أن يُبيّن في الحالات التي ينبغي فيها نشر أجهزة الاستشعار عن بعد.

التغطية المؤقتة المتعددة المستويات

ويتيح الاستشعار عن بعد فرصة على نطاق إقليمي أو على نطاق المدينة على فترات منتظمة )من يوم إلى أسبوعي(، بينما يوفر IoT الرصد المستمر في نقاط محددة، ويتيحان معاً إجراء تحليلات عبر النطاقات: يمكن اكتشاف موجة حرارية بواسطة الصور الحرارية الساتلية، بينما تُكتشف أجهزة الاستشعار عن طريق التوحيد في المباني آثار حرارة داخلية، وهذا الجمع حاسم لفهم الميكلويث الحضرية وتصميم تدخلات هادفة مثل برامج السقف المبرد أو زرع الأشجار.

ألف - تدفق البيانات والتحليل

وتدمج برامج البيانات الحديثة مواد الأشعة فوق البنفسجية والاستشعار عن بعد في لوحات موحدة للبيانات، وأجهزة الاستشعار الأرضية الفضائية على خرائط قاعدية ساتلية، مما يتيح الاستفسارات المكانية وتحليل الاتجاهات.() وتحفر مقاييس تعلم الآلات كلا النوعين من البيانات لإنتاج نواتج متوقعة: مثلا الجمع بين عديات حركة إيوت تى مع بيانات الاستخدام الساتلي للأرض بواسطة السواتل في بيئة التنبؤ.

التطبيقات الرئيسية في تنمية مدينة الذكاء

وتفتح قوة اليوت والإستشعار عن بعد مجتمعة مجموعة واسعة من التطبيقات التي تتصدى مباشرة للتحديات الحضرية، فيما يلي بعض الحالات الأكثر تأثيراً.

Intelligent Traffic Management

ويكلف ازدحام المرور بلايين من الدولارات في فقدان الإنتاجية والنفايات الوقودية، ويحد أجهزة الاستشعار التي تستخدم فيها أجهزة الاستنشاق، وأجهزة الكشف عن الرادار/الليدرات، وأجهزة المسح الضوئي لأجهزة الاشعاعات المغناطيسية - الاصطناعية - الاصطناعية - السرعة، والشغل، وعندما يقترن ذلك بصور جوية من الطائرات الآلية أو السواتل، يكتسب المخططون رؤية جديدة لأداء الشبكة فيما بين القطاعات.

Environmental Monitoring and Climate Adaptation

وتواجه المناطق الحضرية تحديات بيئية فريدة: تلوث الهواء، والجزر الحرارية، ومياه الأمطار، وفقدان التنوع البيولوجي، وتقيس شبكات الاستشعار من نوع إيوت الملوثات (CO, NOx, O3 PM10) على مستوى الشوارع، بينما تقوم السواتل مثل الساتل " Sentinel-5P " برصد التكوين الجوي عبر المدن، ويتيح هذا التكامل رصد التلوث المتصل بحركة المصدر من الانبعاثات الصناعية.

التأهب للكوارث والتصدي لها

كما أن الاستشعار عن بعد يوفر صورا مرجعية قبل وقوع الأحداث وتقييما للأضرار اللاحقة للفيضانات، كما يمكن للسواتل مثل رادار سينتينيل - ١ أن تحدد مدى الغرق بصرف النظر عن الغطاء الغيومي، وفي الوقت نفسه، فإن أجهزة الاستشعار عن مستوى الماء في الأنهار ونظم الصرف توفر إنذارات في الوقت الحقيقي خلال عمليات المسح الفيضية في أوروبا الغربية.

إدارة الطاقة والقابلية للذوبان

وتعتمد تكنولوجيات الشبكة الذكية على أجهزة قياس IoT لرصد الكهرباء والغاز واستهلاك المياه، فإلى جانب البيانات على مستوى الأسرة المعيشية، يمكن للاستشعار عن بعد أن يقيّم إمكانات الفريق الشمسي بتحليل التوجهات السطحية، والظل، والإشعاع من ليدار أو الصور المتعددة الأطياف، كما أن المدن مثل أوستن، تكساس، قد استخدمت هذه البيانات المتكاملة لتصميم الحدائق الشمسية المجتمعية، وإتاحة مواقع تخزين الطاقة على النحو الأمثل.

الفضاء الأخضر الحضري والتنوع البيولوجي

وتوفر غريني خدمات أساسية للنظم الإيكولوجية - تنقية الهواء، وتبريد المياه العواصف، والاستيعاب، والاستجمام، وتتتبع أجهزة الاستشعار عن طريق رطب التربة، ورصد تدفق المياه السائلة، صحة فرادى الأشجار والمتنزهات، وتستعمل المؤشرات الساتلية مثل مؤشر البارزات المدمجة في الخرائط الكثيفة في الغطاء النباتي في جميع أنحاء المدينة.

إدارة النفايات الصلبة

(ب) جمع النفايات هو تكلفة كبيرة للبلديات، حيث يمكن للمجمعات التي يمكن أن تكون قابلة للتداول مع أجهزة استشعار من مستوى ملء عندما تحتاج إلى التفرغ، وإلى استخدام طرق جمع أفضل، ويمكن للاستشعار عن بعد أن يحدد مواقع الإغراق غير القانونية عن طريق تحليل التغيرات في التفكك السطحي، وفي سيول، يمكن أن يساعد الجمع بين أجهزة الاستشعار الثنائية ورصد عمليات التحصيل المخفضة بنسبة 40 في المائة، ويخفض انبعاثات غازات الدفيئة من شاحنات النفايات.

التغلب على تحديات التنفيذ

وعلى الرغم من الفوائد الواضحة، فإن إدماج مادة التوحيد القياسي والاستشعار عن بعد على نطاق المدينة ليس بدون عقبات، ويجب الاعتراف بها ومعالجتها من أجل اعتمادها على نطاق واسع.

خصوصية البيانات والأمن

ويجمع أجهزة الاستشعار عن بعد البيانات الشخصية الجمردية، والتنقل، واستخدام الطاقة، التي تثير شواغل تتعلق بالخصوصية، كما أن جذب شبكات الاستشعار يزيد أيضا من سطح الهجوم على التهديدات السيبرانية، ويمكن أن تكشف صور الاستشعار عن بعد عن بلاء بالغ الحساسية، ويجب على المدن أن تنفذ تشفيرا قويا، والتسمية، وأطرا لإدارة البيانات، كما أن لائحة الاتحاد الأوروبي العامة لحماية البيانات لا تزال تشكل سابقة، ولكن العديد من المبادرات الحسنة في المدينة.

قابلية التشغيل البيني والمعايير

وكثيراً ما تستخدم أجهزة الاستشعار عن بعد ومنصات الاستشعار عن بعد أشكال البيانات الخاصة بالملكية وبروتوكولات الاتصال، ويتطلب دمجها معايير مشتركة مثل نظام رصد الأجسام الفضائية أو إطار البيانات الضخمة التابع لدائرة إدارة الشؤون العامة، حيث أن العديد من المدن تكافح مع النظم القديمة وحجز البائعين، واعتماد منابر مفتوحة المصدر (مثلاً، FIWARE، وCKAN) وتعزيز الوصلات البينية الموحدة يمكن أن تقلل من التجزئة.

التكاليف الأولية العالية والقابلية للتقسيم

وتطالب شبكات التفجير الكثيفة وشراء اشتراكات في الصور الساتلية باستثمارات كبيرة، وفي حين أن التكاليف تخفض الآن في كل من أجهزة الاستشعار بأقل من 10 دولارات، وتتوفر بعض البيانات الساتلية مجانا (لاندسات، سنتينيل) - وتظل التكلفة الإجمالية للنظام، بما في ذلك الاتصالات، وتخزين السحب، والمحللين مرتفعة، ويمكن للمدن أن تبدأ بمشاريع تجريبية في مناطق ذات أولوية عالية، ثم تُعدل تدريجياً.

حجم البيانات ومعامل التحليل

ويمكن أن تولد مدينة ذكية بيانات عن طريق اليوت وأجهزة الاستشعار عن بعد سنويا، ويتطلب استخراج البصيرة العملية إعداد خطوط بيانات متطورة، ونماذج AI/ML، والهياكل الأساسية للتخزين، حيث تفتقر العديد من البلديات إلى الخبرة في مجال علوم البيانات الداخلية، كما أن منابر مدمجة مثل غوغل إيروبن إينيت، وشركة أمازون سيج ماكر، وشركة مايكروسوفت للاستخبارات الحضرية تقدم خدمات مدروسة، ولكن يمكن أن تغذية البحوث.

مستقبل الاستشعار الحضري المتكامل

وفي المستقبل، سيعمق التكامل بين تكنولوجيا الفضاء والإستشعار عن بعد مع تطور التكنولوجيا، وهناك اتجاهات عديدة تتجه نحو التعجيل بتنمية المدن الذكية.

تجهيز نظام إدج آي ونظام الزمن الحقيقي

إن نشر نماذج للتعلم الآلي مباشرة على أجهزة التحلل الضوئي أو عند بوابة الحافة يتيح إجراء تحليلات في الوقت الحقيقي دون إرسال بيانات خام إلى السحابة، وعلى سبيل المثال، يمكن لجهاز معالجة أجهزة الحافة أن يكشف حوادث المرور وينبه إلى خدمات الطوارئ في غضون ثوان، مع الجمع بين البيانات الساتلية التي تبث بواسطة 5G، يمكن أن تدعم المركبات المستقلة ذاتيا، والتسبب في خسائر دينامية، والصيانة المتوقعة للهياكل الأساسية.

التوائم الرقمية لأغراض المحاكاة الحضرية

(ب) استخدامات التوائم الرقمية - الفيرتية للسلاسل المجسّة للمدن الفيزيائية - المدمجة مع نماذج ثلاثية الأبعاد مُنْشَاة من بيانات السواتل وLDAR. ويمكن لمديري المدن أن يُحكّموا سيناريوهات " ما إذا كانت ستُضاف مساراً للدرّاجات يؤثر على حركة المرور؟ وكيف سيُضفي مبنى جديد على المنتز المتاخِر؟

Community-Driven Sensing

وتبرز علوم المواطنين كمصدر بيانات تكميلي، إذ تتيح مجموعات مواد التوحيد الكلفة المنخفضة وآلات التصوير الذكية للمقيمين المساهمة في القراءة البيئية، بينما تساعد الصور الساتليةهم على رصد التغيرات في حياتهم، وتظهر منابر مثل Safecast] لرصد الإشعاع كيف يمكن أن تزيد البيانات المستمدة من الجماهير الشبكات الرسمية، ويعزز هذا النهج التشاركي المشاركة المدنية ويملأ الثغرات في البيانات في إطار الرصد.

سواتل آيوت الفضائية

وتقوم شركات مثل " أستروجات " و " سوارم " و " هيبر " بإطلاق مجموعات ساتلية صغيرة توفر اتصالاً مباشراً باليوت من الفضاء، مما يتيح للمستشعرين في المناطق النائية أو التي يصعب الوصول إليها مثل المنحدرات الجبلية أو الترابينات الريحية البحرية أن يقدموا بيانات دون شبكات أرضية، بل إن هذه الندوات الفضائية التي تستخدم في الفضاء يمكن أن تخلق نسيجات في مجال الاستشعار الحضري العالمي الحقيقي.

خاتمة

إن إدماج مادة إيوت والاستشعار عن بعد ليس مجرد ملاءمة تكنولوجية - بل هو ضرورة استراتيجية بالنسبة للمدن التي تسعى إلى الازدهار في القرن الحادي والعشرين، ومن خلال إدخال بيانات على مستوى الأرض في الوقت الحقيقي تكون ذات صور ساتلية وجوية واسعة النطاق، فإن المخططين الحضريين والإداريين يكتسبون الفهم الكلي اللازم للتصدي للتحديات المعقدة: الازدحام، والتلوث، والقدرة على التكيف مع المناخ، وكفاءة الموارد، والسلامة العامة.