استخدام البيانات الساتلية للتقدير السطحي

الدور الحاسم لرصد الأحواض الفضائية

وتتوقف تقديرات المياه المخزنة في الخزانات السطحية - في البحيرات الطبيعية والاحتراقات البشرية - على وجود حاجز استراتيجي ضد الجفاف الموسمي، وسقوط الأمطار المتقلبة، والتحولات المناخية الطويلة الأجل، وبالنسبة لمديري المياه، فإن معرفة الحجم الدقيق للمياه التي خلفها سد أو في حوض بحيرة ليس أيضاً عملية أكاديمية؛ بل يؤثر تأثيراً مباشراً على القرارات المتعلقة بإطلاقات الري، وتوليد الطاقة الكهرمائية، ومكافحة الفيضانات، والتدفقات البيئية.

وتزداد المخاطر مع تزايد تغير المناخ، وتضاعف التباين الهيدرولوجي، وتضع تعاويذ الجفاف الطويلة، والظواهر المهطلة أكثر تطرفا ضغطا غير مسبوق على نظم الخزان، وفي غرب الولايات المتحدة، أدى انخفاض نقطة بحيرة ميد إلى تخفيضات طارئة في مخصصات المياه، وفي شرق أفريقيا، تحدّي الأمطار المتغيرة تشغيل سد النهضة الإثيوبية الكبرى.() وفي جنوب آسيا، نادرا ما توفر ملايين الصهاريج الصغيرة السياقات الزراعية الثابتة الوحيدة.

التغلب على حدود الطرق البرية

إن تقدير حجم الخزان التقليدي يعتمد على مجموعة من التقنيات: قراءات الموظفين، والدراسات الاستقصائية لقياس الأعماق على أساس القوارب، وخطوط العطور التي توضع من عقود من القياسات المحلية، وهذه الأساليب مكلفة وبطيئة ومستحيلة في كثير من الأحيان في المناطق النائية أو المتأثرة بالنزاعات، وقد تؤدي هذه البيانات إلى قياسات مفاجيءة في أفريقيا وجنوب آسيا وحوض الأمازون، وقد تكون بيانات في الموقع قديمة أو غير موجودة.

وفيما عدا التكلفة والسوقيات، فإن الأساليب الأرضية تعاني من حواجز الوصول إلى البيانات، وكثيرا ما يحجبها مشغلو السدود لأسباب أمنية أو تجارية، مما يؤدي إلى عدم تماثل المعلومات، كما أن البيانات الساتلية، على النقيض من ذلك، تتسم بالانفتاح والشفافية، مما يتيح التحقق المستقل.

التكنولوجيات الساتلية: نهج متعدد أجهزة الاستشعار

ولا يمكن لأي جهاز استشعار ساتلي واحد أن يوفر جميع المدخلات اللازمة لتقدير الحجم الدقيق، إذ أن النهج الأكثر قوة تجمع بين أدوات التصوير والرادار والتوقيت، وكل واحد منها يسهم بمواطن قوة فريدة، ويتيح هذا التشنج المستشعر لمديري المياه قياس المساحة السطحية، وارتفاع سطح الماء، وشكل قياس الأعماق الذي يستمد منه الحجم.

أجهزة الاستشعار الضوئية لترسيم المياه السطحية

وقد أظهر قياس السواتل البديلة ضوء الشمس في النطاقات المرئية والقربية من الموارد. وقد وفر هذا البرنامج من خلال سلسلة البيانات ذات الحجم المائي المتوسط (NASA/USGS) التي تُستخدم في إطار سلسلة من البيانات العالمية ذات الحجم المائي (DNALT:2) صورة دقيقة عن المقياس المرجعي للكميات المائية (المقياس المرجعي للأسعار المائية) منذ عام 1984.

وقد تحسنت دقة التصنيفات في الخوارزميات الجديدة التي تستخدم التعلم الآلي، لا سيما في المناظر الطبيعية المتباينة، فعلى سبيل المثال، يستخدم منتج رصد المياه من الفضاء من شركة Geoscience Australia شجرة قرار بشأن بيانات لاندسات لرسم خرائط المياه بأكثر من 90 في المائة من الدقة في مختلف البيئات، وتشمل التحديات فيما يتعلق بالمستودعات سوء التصنيف بسبب تواتر الظل، وطول الشمس في المياه.

رادار (سارا) لتغطية جميع أنواع الطقس

ولا توفر أجهزة الاستشعار الضوئية ذات النطاق الاصطناعي في كثير من الأحيان، ولا سيما في المناطق المدارية الريحية وخلال أحداث العواصف، كما أن أجهزة الرادار الاصطناعي المحتوية على الترددات الاصطناعية مثل " إيسا " (FLT:0) التي توفر حالياً مطيافاً متيناً، والتي لا توفر سوى صوراً متينة في المنطقة الشعاعية الاصطناعية.

وتواجه منطقة الساحل تحديات خاصة بها، إذ يمكن أن تنتج أسطح المياه ذات العجلات المخففة ارتفاعاً في التخلف، وتُضفي عليها صفة غير صحيحة على الأرض، بينما تنتج البيانات النباتية المغرقة - مثل الأشجار في منطقة السحب من خزان - إشارات مزدوجة الوصلات المائية المتحركة المفتوحة، وتنتج تقنيات التجهيز المتقدمة مثل تركيبة البوليتريات، وتساعد على كشف التغير، مميّز من هذه الخرائط المتناثرية.

ساتل التأشيرة من أجل ارتفاع سطح الماء

ولا يمكن للمنطقة وحدها أن تحدد حجما دون معرفة ارتفاع المياه، إذ تقوم أجهزة قياس الترددات الساتلية بقياس المسافة من سطح الماء إلى سطح الماء عن طريق عمليات عودة النبض الراداري في التوقيت، وتنشئ بعثات سلسلة جيسون، وأجهزة قياس الغلاف الجوي العالمي التي تستخدمها وكالة الفضاء الأوروبية، وبيانات عن مستوى الماء بالنسبة للبحيرات والمستودعات.

وقد تحسنت بعثات التأشيرات الجديدة مثل سينتيل - ٣ وسينتينيل - ٦ على طول المسارات من حيث المباعدة والحجم، مما يتيح رصد المزيد من الخزانات، فعلى سبيل المثال، فإن قاعدة بيانات المسارات المائية الاصطناعية - ٣ التي توفر ارتفاعاً مركباً يزيد من سرعة الاقدام إلى نحو ٣٠٠ متر، مما يتيح مراقبة البحيرات المتوسطة الحجم.

مصادر البيانات الوبائية والرسمية

ولا توفر هذه النماذج التي تستخدم في قياسات قياسات الأشعة فوق البنفسجية، إلا أن هذه البيانات تصنف في كثير من الأحيان لأسباب أمنية أو متعلقة بالملكية، ولا سيما بالنسبة للسدود الكبيرة التي بنيت منذ عقود، وهي نماذج قياسية ذات طابع ثلاثي، وهي نماذج قياسي مستمدة من قياسات قياسات الأشعة فوق البدائية.

أما نظم إدارة المياه العالمية مثل جهاز الصرف الآلي (30 متراً)، ونظام ASTER GDEM، وجهاز كوبيرنيكوس دي إم (30 متراً) فيمكن أن توفر معلومات طبوغرافية للمناطق المعرضة أثناء المياه المنخفضة، حيث أن المحللين قد يرتدون، على نحو مختلف، أكاذيب مياه سواتل ذات نطاقات قياسية منخفضة، تكون بمثابة علامات قياسية لقياس الأعماق.

تدفق العمل في إطار تقييم الحجم: من بيكسل إلى التخزين

ويشمل تحويل البيانات الساتلية إلى حجم خزانات خطاً منتظماً يعالج أوجه عدم اليقين في كل مرحلة.

(أ) تصنف الصور البصرية باستخدام العتبات أو نماذج التعلم الآلات (مثلاً، الغابات العشوائية، الشبكات العصبية الثورية) التي يتم تدريبها على أجساد المياه المسمّاة، وبالنسبة إلى منطقة البحث والتطوير، كثيراً ما تفصل الحدود القصوى عن المياه من الأرض.
(ب) يضاعف عدد أكياس المياه داخل حدود الخزان بمنطقة بيكسل (مثلاً 900 متر مربع لمحطة لانديستا 30 متراً). وتزيد التصويب بالنسبة لمسح خط النسيج الجغرافي الساحلي والعزلة السحابية الجزئية من الدقة.
(أ) بيانات التأجير بواسطة السواتل التي تُستخرج على طول المسارات التي تعبر الخزان، وتُطبق تصحيحات الراغي للتأخيرات في الغلاف الجوي، والجزر، والجيود، ويرتبط ارتفاع سطح الماء الناتج عن ذلك بغرامة مرجعية (مثل ضوضاء منطقة البحيرات) مع تحويله إلى نماذج محلية للغطاء الخفي إذا لزم الأمر.
(أ) استخدام أبسط تقدير حجم للصيغة الخامسة = × ح، حيث يكون متوسط العمق مستمداً من قياس الأعماق أو منحنى المغناطيسي، أما بالنسبة للمستودعات التي لها علاقة معلومة بين سطح الأرض وحجم سطح الأرض، فإن الحجم يقرأ مباشرة من العنق عند مستوى الماء الملاحظ.

ويبرز عدم اليقين من خلال كل خطوة: حل الاستشعار، وأخطاء الإصلاح في الغلاف الجوي، وسوء تصنيف الشواطئ، وعدم الدقة الزمنية بين الحيازات من المناطق والطول، ونماذج قياسية غير دقيقة، ومع ذلك، فإن التحقق الدقيق من البيانات الموجودة في الموقع يبين أن الأحواض المتوسطة إلى الكبيرة (المحيطات من مسافة 1 كيلومترا مربعا) تؤدي عادة إلى زيادة الدقة في حجم المواد المشعة من خلال 5 إلى 15 كيلومترا.

التطبيقات والآثار العالمية الحقيقية

وقد انتقلت تقديرات حجم المستودعات الساتلية من البحوث إلى الاستخدام التشغيلي اليومي في مختلف المناطق.

بحيرة ميد وأزمة نهر كولورادو

وفي بحيرة ميد، وهي أكبر مستودعات تابعة للولايات المتحدة، شهدت انخفاضا غير مسبوق بسبب الجفاف الشديد والتوزيع المفرط، وقد استخدمت وكالة ناسا ووكالة USGS بيانات عن التأجير في إطار نظام جيسون - سيتيبس ولاندسات لتتبع فقدان الحجم بصورة مستقلة منذ عام 2000، وهذه التقديرات متاحة للجمهور من خلال .

بحيرة تشاد: رصد هيئة المياه المختفية

وقد تقلصت بحيرة تشاد في منطقة الساحل بنسبة تزيد على 90 في المائة منذ الستينات بسبب تقلبات المناخ وتحويل المياه، وتعرقل عمليات الرصد المستمر في الموقع انعدام الأمن وانعدام الهياكل الأساسية، وتوثق عمليات الرصد الساتلية التي تجريها شركة لاندرسات وسينتل-2 التقلبات الكبيرة في منطقة البحيرات، وتُمكن من تحليل اتجاهات الحجم، وتُدمج هذه البيانات في تقييمات الأمن الغذائي التي تجريها الأمم المتحدة والوكالات الإنسانية، مما يساعد على التنبؤ بإخفاقات المحاصيل وتخصيص المعونة على نطاق واسع.

سد النهضة الإثيوبية الكبرى

(ب) إن مبادرة النيل الأزرق هي نقطة ملحة بالنسبة للسياسة المائية العابرة للحدود، وقد عارضت إثيوبيا والسودان ومصر معدلات ملء المواد وقواعد التشغيل، ولأن إثيوبيا لم تنشر بيانات مسحية مفصلة عن قياس الأعماق، فقد استخدم علماء مستقلون جميع بيانات قياسات النيل (Sintinel-1) ورقم قياسي (Senstinel-3) لرصد ملء المستودعات من الفضاء، حيث إن الباحثين قدّروا وجود مساحة مائية.

مستودعات صغيرة عبر مناطق نسل البيانات

وقد ساعدت ملايين من المستودعات الزراعية الصغيرة المعروفة باسم الدبابات في الهند، أو الهافر في السودان، أو السدود الصغيرة في البرازيل على تخصيص المياه للمجتمعات المحلية، ولكنها لم تُقَسَّم قط تقريباً، كما أن الصور العالية الاستبانة من نظام " سكايسات " (الاستبانة الفرعية) وتجمعات كوبيسات (Kubsat) تتيح الآن الرصد الأسبوعي لأجهزة المياه التي تعمل على سعة 0.1 هكتار.

التحديات الراهنة وأوجه عدم اليقين المتبقية

ورغم التقدم الكبير، لا تزال هناك عقبات تقنية وعملية عديدة.

Cloud Persistence:] Optical sensors are blind during extended cloud cover. Even with SAR, wind-roughened water surfaces can appear brighter and be misclassified as dry land, while flooded vegetation creates ambiguous backscatter signals that require advanced polarimetric analysis and interarization missions.
ويمكن أن تؤدي أجهزة الاستشعار المتوسطة الأجل مثل وزارة الطاقة المتجددة (250-500 متر) إلى رصد خزانات صغيرة، وقد يؤدي قرار شركة لادسات 30 متراً إلى تحسين البحيرات بحوالي 1 كيلومتراً مربعاً، ولكن يفتقد إلى ضياع نهرية ضيقة وكثير من أجهزة الكشف عن المنظر الزراعي.
]Temporal Gaps:] A single satellite may revisit a reservoir every 10-16 days. During rapid filling from a flood event, critical volume changes can be missed. Small satellite constellations (e.g. Planet Dove) offer daily revisit but at lower spectral resolution and higher data volume. Integrating multiple Senset-2
(ب) عدم اليقين في المقاييس: ] بالنسبة للمستودعات التي بُنيت قبل الحقبة الفضائية، فإن الطبوغرافية ما قبل التبسيط نادرا ما تكون متاحة، وتُحدث افتراضات الشكل الجغرافي (مثلاً، المقسم الثلاثي) تحيزاً يمكن أن يتجاوز 20 في المائة للأحواض غير النظامية، وحتى عندما توجد قياسات للحمام، فإن الترسبات التي تُعد على مدى عقود تُغيِّر شكل الحوض.
(ب) عدم وجود أي مخزون عالمي من المياه في الموقع أو سجل تدفق المياه، وبدون الحقيقة، يصعب تحديد مدى دقة التقديرات الساتلية، مما يحد من ثقة المشغلين، وتهدف مبادرات مثل شبكة الرصد العالمية وشبكة رصد البحيرات إلى تنسيق جهود التحقق، ولكن التغطية لا تزال متفرقة.

التكنولوجيات الناشئة والاتجاهات المستقبلية

وتعود البعثات الساتلية الجديدة والأساليب التحليلية بأن تقلل هذه القيود بدرجة كبيرة على مدى السنوات الخمس القادمة.

بعثة سوات: بوابة نموذجية

ويختتم العلماء المشتركون في وكالة ناسا - سيعملون على رصد المياه السطحية وتبويب المحيطات، بعد أن يُظهر هؤلاء الموزعون في مرحلة مبكرة، أن بيانات الرصد التي كانت متاحة في منطقة المياه، والتي كانت تُستخدم في مرحلة مبكرة، ستُظهر أن آلافا من عمليات إعادة تحديد حجمها في منطقة المياه تكون جاهزة.

الاستخبارات الفنية للمعالجة الآلية

ويمكن أن يُحدث هذا النوع من البيانات بواسطة السواتل في السنة من " ستينيل " ، و " لاستشعار الأرض " ، و " الكوكب " ، و " تحليلات أحجامية " ، و " أدوات الرصد ذات النطاق الاصطناعي " ، التي تُستخدم في مجال تكنولوجيا المعلومات والاتصالات، والتي تُعدّ في إطار " ، أكثر من 95 في كل من الدقة.

النُهج الهجينة مع النظم الجوية غير المأهولة

وتسدّد الطائرات العمودية الفجوة بين المسحات الساتلية والأرضية، إذ يمكن للمربين ذوي الكبريت المنخفضة التكلفة المجهزين بكاميرات متعددة الأطياف أو بآلات صغيرة من طراز ليدار أن يرسموا قياسات للمستودعات تصل إلى 10 هكتارات في رحلة واحدة، ومن خلال إجراء دراسات استقصائية متكررة في مواسم مختلفة، فإن البيانات التي تستخدم الطائرات الآلية تُعدّل العلاقة بين المساحة السطحية وحجم كامل من الخزانات الصغيرة.

توسيع نطاق برمجيات التأشيرات

أما البعثات التي يقوم بها برنامج كوبرنيكوس، وهي بعثة من نوع " سينتينيل - ٣ " ، والجيل القادم، وبعثة " تريستال " ، فهي ستضيف معاً أقصر أوقات إعادة النظر )حتى ٣ أيام( وتضع عينات مكانية أفضل، وتجسد استخدامات بعثة " هيدروجينس " القادمة إشارات الشبكة العالمية لقياس مستوى المياه فوق البحيرات بمجموعات من السواتل الصغيرة.

سياسات البيانات المفتوحة التي توفر إمكانية الوصول على الصعيد العالمي

وتُعدُّ مبادرة رصد الخزانات القائمة على السواتل ثورة البيانات المفتوحة، وتوفر هذه البلدان معلومات عن مصادر المياه غير المجهزة على الصعيد العالمي، كما أنَّ هذه البيانات التي تتيح إمكانية الوصول إليها في إطار برنامج الرصد العالمي، تتيح للدول غير الساحلية، في إطارها، إمكانية الوصول إلى بيانات عن المياه، كما أنَّ هذه البيانات التي تتيح إمكانية الوصول إلى مصادر المياه على الصعيد العالمي، تتيح إمكانية الوصول إلى مصادر المياه، كما أنَّها البلدان التي تُعِدَّد على نطاق واسع.

التكامل التشغيلي في إدارة المياه

ومن أجل تحقيق الأثر، يجب إدراج تقديرات حجم السواتل في العمليات اليومية لوكالات المياه، وهذا يتطلب خطوطاً قوية للبيانات تبث صوراً جديدة تلقائياً، وتستكمل سلسلة زمنية من المجلدات، وتصدر إنذارات عندما تُعبر الحدود، فعلى سبيل المثال، تستخدم لجنة نهر الميكونغ مزيجاً من أجهزة قياس درجة الحرارة في فييت نام، ومساحة أرض النيل المستديمة لرصد تشغيل نظام الإنذار المبكر بالماء الهيدرولوي.

وفي كاليفورنيا، تدمج إدارة الموارد المائية تقديرات خزانات السواتل في بوابة بيانات المياه التي تدعم قرارات تخصيص الوقت الحقيقي أثناء الجفاف، وتستخدم دائرة إدارة الطوارئ التابعة للمفوضية الأوروبية تغييرات في الحجم المستمدة من السواتل لدعم تقييمات مخاطر الفيضانات والجفاف في جميع أنحاء أوروبا، حيث أصبحت البيانات الساتلية أكثر توقيتاً، حيث أصبحت التجهيزات في الوقت القريب تحقق الآن تقديرات للحجم 24 ساعة بالنسبة لبعض المنتجات التي يمكن أن تنمو فيها ظروف التكامل التشغيلي.

الخلاصة: تقدير حجم الفضاء كنقطة كورنرستون لأمن المياه

وقد تطورت القدرة على تقدير حجم الخزان السطحي من البيانات الساتلية من حدود البحوث إلى أداة عملية تدعم إدارة المياه في كل قارة، ومن خلال إدماج البيانات البصرية والرادارات والتوقيتات، والتطورات الناشئة في النظم الإيكولوجية ذات المدارات السريعة، يمكن للعلماء والممارسين أن يتتبعوا تغيرات التخزين في آلاف المستودعات التي لها تغطية مكانية غير مسبوقة واتساق زمني، ولا تزال التحديات قائمة في قياس الأعماق، والتوترات الصغيرة التي تسودها.