استخدام البيانات الساتلية المتعددة الأطياف لتقييم صحة الغابات

مقدمة: لماذا مسائل رصد صحة الغابات

وتغطي الغابات نحو ٣١ في المائة من سطح الأرض وهي أساسية للتنوع البيولوجي، وتنظيم المناخ، ودورات المياه، وسبل العيش البشرية، وتسمح الغابات التي تُنقل كربوناً لا حصر له، وتوفر الأخشاب والغذاء والترفيه، غير أن الغابات تواجه تهديدات غير مسبوقة من إزالة الغابات، وتفشي الحشرات، وحرائق الغابات، والجفاف، وتغير المناخ، وكثيراً ما تكون الدراسات الاستقصائية القائمة على التردد الأرضي بطيئة جداً، أو باهظة الثمن، أو محدودة في التغطية المكانية.

وتقدم هذه المادة استعراضا شاملا للكيفية التي تستخدم بها البيانات الساتلية المتعددة الأطياف لتقييم صحة الغابات، وسنستكشف العلوم الأساسية للتعريف بالأشعة، والأرقام القياسية الرئيسية للنباتات، وكشف الإجهادات المحددة، وتطبيقات الإدارة العملية، والتكامل مع التكنولوجيات الأخرى، والقيود الحالية، والفرص المستقبلية، وسواء كنت مهنيا في مجال الغابات، أو أخصائيا في الاستشعار عن بعد، أو مدافعا عن الحفظ، فإن فهم هذه الأدوات سيساعدك على اتخاذ قرارات مستنيرة بشأن الإدارة المستدامة للغابات.

أساسيات التصوير الساتلي المتعدد الأطياف

How Multispectral Sensors Capture Data

وتقيس أجهزة الاستشعار المتعددة الأطياف على متن السواتل كثافة الإشعاع الكهرومغناطيسي المعبر عنه أو المنبعث منه على سطح الأرض عبر عدة مجموعات مفصَّلة من الموجات الترددية، وعلى عكس آلة تصوير موحدة تُسجل الضوء الأحمر والأخضر والزرقي، فإن الأدوات المتعددة الأطياف تشمل عادةً النطاقات في الترددات القريبة من الحمراء، وأجهزة الاستنشاق بالموجات الأمامية (SWIR)، وأحياناً الإطارات الحرارية (100).

وتتمثل الرؤية الرئيسية في أن مختلف المواد السطحية - وفي مختلف ولايات النباتات - لها توقيعات فريدة من نوعها من الأطياف - وتستوعب الأوراق الخضراء الصحية بقوة في المحركات الزرقاء والحمراء (التي تُعزى إلى الكلوروفيل) وتعكس بقوة في منطقة تقرير الجرد الوطني (بسبب هيكل الخلايا الورقية) حيث يُشدد على أنماط التركيز هذه أو المرضية أو النسيج، تتغير أنماط التأمل في البيانات المتعددة الأطياف.

أهم أنواع الحيوانات المنتشرة وعلاماتها البيولوجية

وتقدم كل فرقة من الفرق الطيفية معلومات محددة عن مواقع الغابات:

• Visible Blue (0.45-0.51 ميكروم):] Absorbed by chlorophyll and carotenoids; useful for identifying chlorophyll content and atmospheric corrections.
• Visible Green (0.53-0.59 ميكروم): ] Peak reflectance of green vegetation; sensitive to leaf area index (LAI) and green biomass.
• Visible Red (0.64-0.67 mim):] powerful chlorophyll absorption; decline in red reflectionance indicates chlorophyll loss - a sign of stress.
• Near-Infrared (0.85-0.88 ميكروم): ] High reflectionance from healthy leaf mesophyll cells; very sensitive to leaf structure, water content, and canopy density. Decreased NIR reflectance signals canopy decline or disease.
• Shortwave Infrared (1.57-1.65 ميكروغرام و 2.11-229 ميكروم): ] Sensitive to leaf water content and cellulose/lignin absorption. Useful for detecting drought stress and fire severity.
• Thermal Infrared (10.6-12.51 ميكروم): Measures surface temperature; elevated canopy temperatures can indicate moisture stress or disease.

كما أن أجهزة الاستشعار المتقدمة مثل Sentinel-2] من وكالة الفضاء الأوروبية تشمل أيضاً مجموعات من أجهزة الاستنشاق الحمراء (نحو 705 و740 و783 نم) التي تتسم حساسية خاصة لمحتويات الكلوروفيل وكشف الإجهاد المبكر.() ويتيح الجمع بين هذه الفرق للعلماء وضع مؤشرات لفحص الغطاء النباتي توجز الحالة الصحية.

مؤشرات قياس الغطاء النباتي للحجر الصحي

مؤشر الفرق المُعَدَّل (NDVI) وما بعده

أما مؤشر الغطاء النباتي الأكثر انتشاراً فهو NDVI]، محسوباً على أنه (NIR - Red)/(NIR + Red). وتتراوح قيم مادة النيتروجين بين 1 و+1؛ أما الكثافة والغابات الصحية فتزيد قيمها على 0.6 في حين أن التركيز على الغطاء النباتي أو تفرقه مع قيم أقل.

وللتغلب على هذه المسائل، وضعت عدة مؤشرات بديلة:

• Enhanced Vegetation Index (EVI):] Incorporates blue band to correct for atmospheric aerosols and soil background. It performs better in high-biomass areas and reduces saturation.
• Soil-Adjusted Vegetation Index (SAVI):] Includes a soil brightness correction factor, useful in open forests with exposed soil.
• Normalized Difference Water Index (NDWI):] Uses NIR and SWIR bands (e.green — NIR)/(Green + NIR) or (NIR — SWIR)/(NIR + SWIR))) to monitor canopy water content. Essential for drought assessment.
• Chlorophyll Index Red Edge (CI_]re): ]] Uses red-edge and NIR bands to estimate leaf chlorophyll concentration, a direct indicator of photosynthetic capacity and health.
• Plant Senescence Reflectance Index (PSRI):] Detects canopy stress and senescence by using visible and SWIR bands.

ويعتمد اختيار المؤشر المناسب على نوع الغابات المحدد، وضغط الاهتمام، وأجهزة الاستشعار الساتلية المستخدمة، فعلى سبيل المثال، قد تكشف سلسلة زمنية من الساتل NDVI عن انخفاض طويل الأجل، بينما تكون شركة NDWI أفضل لكشف حالات العجز في الرطوبة القصيرة الأجل.

اكتشاف إجهاد الغابات واضطراباتها من الفضاء

حالات انقطاع الآفات والأمراض

كما أن التحلل الحشري والإصابة بالممرضات قد يغيران من الفيزيولوجيا قبل ظهور الأعراض البصرية، ويمكن أن تكشف البيانات المتعددة الأطياف عن هذه التغيرات التي حدثت قبل التصويب، وعلى سبيل المثال، فإن هجمات خنفساء الشواء في الغابات الملوِّثة تتسبب في انخفاض في انعكاسات الجرعة وزيادة طفيفة في الجرعة، حيث تفقد الشجرة المياه، وقد استخدم الباحثون سلسلة زمنية من أجل رسم خرائط لتفشيبات الحزام الجبلي - 2

An important resource provided by the USGS Landsat program includes specialized vegetation health products used for pest monitoring.

الجفاف وتقييم آثار الحرائق

ويقلل الإجهاد الناجم عن الجفاف من محتوى الورق وسلوكه الهضمي، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الكتف وانخفاض الكلوروفيل، ويمكن لمجموعات الأشعة تحت الحمراء أن تكتشف درجات حرارة مرتفعة، بينما تكشف مجموعات SWIR عن فقدان محتوى المياه، ويُستخدم مؤشر الفرق الطبيعي المتعدد الغطاء النباتي (DNAII = (NIR - SWIR1)/(NIR + SWIRIIR1) في تقييم إطلاق النار

Chlorophyll Fluorescence: An Advanced Indicator

وهذه الإشارة الفرعية التي تبثها النباتات أثناء التليفزيون، رغم أنها لا تعكس منتجاً متعدد الأطياف (يتطلب أجهزة استشعار ذات طابع فائق أو مصممة مثل TROPOMI على الساتل Sentinel-5P)، إلا أن الشبكة هي دليل مباشر على الإنتاج الأولي الإجمالي.

التطبيقات العملية في إدارة الغابات

رصد إزالة الغابات والهبوط غير القانوني

وقد ساعدت المنصات مثل شبكة رصد الغابات العالمية على إنتاج صور لانديسات في وقت قريب من الواقع، مما يتيح للأجهزة المغناطيسية أن تكتشف التغيرات السريعة في انعكاسات الأطياف (وبخاصة الانتقال من الغطاء النباتي إلى التربة الخالصة أو إلى الغطاء النباتي القصير) على إبراز إمكانية قطع الأشجار بصورة غير مشروعة.

For detailed deforestation analysis, visit the Global Forest Watch website] which provides open access to high-resolution data.

تقدير مخزونات الكربون والمبادرة المعززة لخفض الانبعاثات الناجمة عن إزالة الغابات وتدهورها

(ب) التقديرات الدقيقة للكتلة الأحيائية فوق الأرض (AGB) حاسمة بالنسبة لمحاسبة الكربون في إطار مبادرات مثل المبادرة المعززة لخفض الانبعاثات الناجمة عن إزالة الغابات وتدهورها - (تمثل البيانات المتعددة الأطياف، مقرونة على وجه الخصوص بسجلات الجرد الخاصة بالمركبات الأرضية لمركبات الكربون في جنوب أفريقيا، في إمكانية وضع خرائط لمخزونات الغاز المدارية من الغازات المُدرَّبة.

تخطيط ورصد التحريج

وبعد حدوث اضطراب، تستخدم الصور الساتلية في تخطيط إعادة التحريج: تحديد المجالات ذات الأولوية، واختيار الأنواع الملائمة للظروف الراهنة، ورصد البقاء على قيد الحياة، ويمكن لمنظمات بون التي تتابع مسارات الكشف عن التقدم المحرز في مجال الغابات (مثلا من كوكب بلانيت أو العالم فيو) أن تكتشف الأشجار الشابة وأن تحدد الغطاء الكمي على مر الزمن.

إدماج البيانات الساتلية مع التكنولوجيات التكميلية

تعليم الآلات لتحسين التصنيف

وقد أدى تزايد حجم البيانات الساتلية إلى استخدام الخوارزميات للتعلم الآلي، والغابات المنوية، وآلات الدعم، والتعلم العميق (الشبكات العصبية الثورية) لتصنيف فئات صحة الغابات وكشف الشذوذ، مثلاً، نموذج حرجي متغير () قد تأثر بنماذج متعددة الأشكال من التحليلات والتاجية.

بيانات ساتلية عن الطراز الأول من المدار الثابت بالنسبة للأرض

والبيانات الساتلية أقوى عندما تكون مدمجة مع مصادر تكميلية، إذ توفر المركبات الجوية غير المأهولة صوراً ذات استبانة عالية (من مستوى قياس) يمكن أن تحقق تفسيرات السواتل وتسد الثغرات في المناطق الغيومية، وقد تكفل القياسات الأرضية - مثل محتوى الورق، ومقياس الأشجار، ومقياس التربة - المتغيرات الطبيعية المستخدمة في معايرة المؤشرات الفوقية المقياسية والنماذج التدريبية.

التحديات والحدود التي تواجه البيانات المتعددة الأطياف

التغطية والتمثيل

ولا يمكن للمستشعرات البصرية أن تُرى من خلال السحب، وهو قيد رئيسي في المناطق المدارية والمعتدلة ذات الغطاء الغيومي المتواتر، مما يقلل من عدد الصور القابلة للاستخدام في السنة، أو حالات الإجهاد التي يحتمل أن تكون ناقصة، وتشمل الحلول استخدام بيانات رادارية (مثلا، " ستينيل-1 " ) التي تخترق الغيومات، أو تُحدِّد تواريخا متعددة، أو باستخدام قنوات ساتلية ذات معدلات عالية لإعادة النظر (Candig).

تجهيز البيانات

وتتطلب بيانات السواتل الخام تجهيزاً مسبقاً هاماً: تصحيح الغلاف الجوي، والتصويب الجغرافي، وأحياناً التطبيع الطوبوغرافية، وتراعي مؤشرات الغطاء النباتي هذه التصويبات؛ ويمكن أن تؤدي الأخطاء إلى تقييمات صحية مضللة، وعلاوة على ذلك، يتطلب تحليل الصور المتعددة المراحل معرفة مبادئ الاستشعار عن بعد، والأساليب الإحصائية، ومهارات البرمجة في كثير من الأحيان (مثلاً، بيثون، ر، يفتقر إلى وكالات اعتماد الأرض في مجال الحراجة).

مقايضة القرار المكاني والاختياري

ويوفر القرار المكاني المرتفع )مثلا ١-٣ متر من السواتل التجارية( آراء مفصلة ولكن كثيرا ما يكون له عدد أقل من النطاقات العرضية وتغطية مؤقتة محدودة، وعلى العكس من ذلك، فإن أجهزة الاستشعار ذات الاستبانة المتوسطة )١٠-٣٠ م( مثل الساتلين سينتينيل - ٢ ولاندسات توفر حلا أفضل على الصعيدين الطيف والزماني ولكنها قد تفوت الاضطرابات الصغيرة أو الإجهاد الفردي على نطاق الأشجار.

الاتجاهات المستقبلية في مجال رصد صحة الغابات بواسطة السواتل

البعثات الساتلية المقبلة

Sband new missions promise to revolutionize forest monitoring. NASA’s Landsat next (expected late 2030s) will have increased spectral bands, including red-edge and more SWIR bands, with higher spatial resolution (10 m visible, 20 m SWIR) and a 6-8 day revisit.

For updates on the Copernicus program, the ]ESA Copernicus website offers current and future mission details.

البيانات المفتوحة والحساب الإلكتروني

وسيؤدي الاتجاه نحو سياسات البيانات المفتوحة (مثلا، لانديسات، وسينتيل، وآلية التنمية المستدامة) والمحللين القائمين على الغيوم (مهندس الأرض، وحساب مايكروسوفت الكوكبي، وخدمات شبكة الأمازون) إلى إضفاء الطابع الديمقراطي على إمكانية الحصول على البيانات الساتلية، ويمكن للمستعملين الآن أن يديروا مقاييس معقدة على محفوظات متعددة النطاقات غير مجهدة على نطاق عالمي.

التكامل مع الإنذارات بالآي آند آند تيمت

وستجمع النظم المستقبلية بين البيانات الساتلية والاستخبارات الاصطناعية لتوليد تنبيهات آنية لاضطرابات الغابات، فعلى سبيل المثال، يمكن لجهاز كشف الخوارزمي للكشف عن الشذوذ أن يُعَلَّم الصور اليومية " سينتيل-2 " ، قطرات غير متوقعة في المنطقة دون الإقليمية أو المنطقة الشمالية من الغابات داخل غابة محمية، مما يؤدي إلى تنبيه حراس الحدائق، ويجري بالفعل تجريب هذه النظم في إندونيسيا والبرازيل.

خاتمة

إن البيانات الساتلية المتعددة الأطياف أصبحت حجر الزاوية في التقييم الحديث لصحة الغابات، ومن المؤشرات الأساسية مثل مؤشر التنمية المستدامة إلى إشارات الفلور المتقدمة، فإن أجهزة الاستشعار الفضائية توفر نظرة شاملة لحالة الغابات عبر النطاقات، ومن خلال الكشف عن الآفات والجفاف والنيران وغيرها من الاضطرابات في وقت مبكر، فإن هذه التكنولوجيا تتيح الإدارة الاستباقية بدلا من الاستجابة التفاعلية، وفي حين أن التحديات تظل متاحة في الوقت المناسب.