استخدام الفضاء الأخضر الحضري كعمليات Rs لرصده وإدارتها

تزايد أهمية الفضاءات الخضراء الحضرية

إن الأماكن الخضراء الحضرية - الحدائق والحدائق المجتمعية والأسطح الخضراء وأشجار الشوارع والاحتياطيات الطبيعية - هي عناصر أساسية في المدن الصحية والمستدامة، وتوفر مجموعة واسعة من خدمات النظم الإيكولوجية: تحسين نوعية الهواء من خلال تصفية الملوثات، والحد من مياه الأمطار، والتخفيف من أثر الجزر الحرارية الحضرية، ودعم التنوع البيولوجي، وتوفير منافع حساسة وفوائد صحية عقلية حيوية للسكان، مع استمرار تكبير سكان المدن - مشاريع الأمم المتحدة التي تواجه 68 في المائة من المدن الحية.

أما الدراسات الاستقصائية الأرضية التقليدية، وإن كانت دقيقة بالنسبة للمناطق الصغيرة، فهي مستهلكة للوقت وكثيفة العمالة وغير عملية لرصد مناطق كبرى من المدن الحضرية بصورة منتظمة، وهذا هو المكان الذي تصبح فيه التكنولوجيات المتقدمة مثل الاستشعار عن بعد ونظم المعلومات الجغرافية أمرا لا غنى عنه، ومن خلال توفير بيانات سريعة ومتطورة وفعالة من حيث التكلفة، تقوم نظم المعلومات الجغرافية ونظم المعلومات الجغرافية بتغيير الطريقة التي تتبعها المدن في رصد تطبيقات الصحة النباتية، وتتتبع التغيرات في الوقت الحاضر.

Understanding Remote Sensing for Urban Environments

ويشير الاستشعار عن بعد إلى الحصول على معلومات عن جسم أو منطقة من مسافة، تستخدم عادة أجهزة الاستشعار المثبتة على السواتل أو الطائرات أو الطائرات بدون طيار، وتقيس هذه أجهزة الاستشعار الإشعاع الكهرومغناطيسي المعبر عنه أو المنبعث من سطح الأرض، وتحتوي مواد سطحية مختلفة - مثل النباتات الصحية، والتربة الخالصة، أو الماء، أو الخرسانة - على توقيعات مختلفة على الأطياف، مما يسمح للعلماء بتصنيف الغطاء الأرضي وتقييم خصائصه.

منابر للاستشعار عن بعد في المناطق الحضرية

ويعتمد اختيار المنبر على النطاق المكاني، والتواتر الزمني، والحل الطيفي اللازم لمهمة الرصد:

• Satellite-based Sen:] Programs like NASA’s Landsat (30 m resolution, 16-day revisit), ESA’s Sentinel-2 (10-20 m resolution, 5-day revisit), and commercial satellites such as Maxar or Planet Labs provide moderate-to-high resolution imagery ideal for New-wide or regional assessments.
• Aerialens (manned aircraft):] Custom flight campaigns can acquire very high-resolution imagery (0.1-1 m) and LiDAR (Light Detection and Ranging) data, which is particularly useful for detailed 3D mapping of tree canopy altitude and structure.
• Unmanned aerial vehicles (UAVs/drones):] Drones equipped with multispectral, thermal, or LiDAR sensors offer unrivaled spatial resolution (centimeters) and flexibility for monitoring specific parks, green roofs, or restoration sites. Their low altitude eliminates cloud cover issues, although coverage area per flight is limited.

أنواع الاستشعار الرئيسية وتطبيقاتها الحضرية

مختلف أجهزة الاستشعار تلتقط مناطق مختلفة ذات الموجات:

• Multispectral sensors] (مثلاً، Landsat OLI، Sentinel-2 MSI) record visible and near-infrared (NIR) bands, critical for vegetation indices like NDVI.
• Hyperspectral sensors] (مثلاً، التصوير المرئي/الأشعة تحت الحمراء المحمول جواً، AVIRIS) يلتقط مئات من النطاقات الضيقة من الطيف، مما يتيح رسم خرائط مفصلة للأنواع النباتية، وكشف الإجهاد (الانخفاض، نقص المغذيات)، بل وحتى المحتوى الكيميائي الأحيائي.
• Thermal infrared sensors measure surface temperature, essential for mapping urban heat islands and assessing cooling benefits of green spaces.
• LiDAR] (Light Detection and Ranging) uses laser pulses to generate 3D point clouds, providing precise measurements of tree altitude, canopy volume, and ground elevation beneath getation.
• Radar sensors] (مثلاً، سينتيل-1 ريال سعودي) تخترق السحب ويمكنها اكتشاف التغيرات في هيكل النباتات ورطوبة التربة، وهي تغييرات مفيدة في المدن الغائمة بشكل مستمر.

المؤشرات الرئيسية لرصد النباتات

وكثيرا ما تتحول صور الاستشعار عن بعد بواسطة الفرو إلى مؤشرات طيفية تسلط الضوء على خصائص محددة للنباتات، وهذه المؤشرات هي مزيج رياضي بسيط من النطاقات الطيفية التي تزيد من الحساسية لممتلكات النباتات وتخفف من التأثيرات الخارجية مثل الغلاف الجوي أو خلفيات التربة.

مؤشر الاختلاف المُعَدَّل (NDVI)

(د- د- ن-)/(الر)- هذا هو أكثر المؤشرات استخداماً لتقييم كثافة النباتات الخضراء والصحة، فالصحة والكثافة النباتية تعكس بشدة انبعاثات غازات الدفيئة وتُنتج عنها قيم عالية من النيتروز (0.6-0.9).

مؤشر الغطاء النباتي المعزَّز (EVI)

ويحسن مؤشر تكافؤ الفرص على مستوى المناطق الحضرية من خلال إدراج عامل للتكيف في التربة واستخدام النطاق الأزرق للحد من تأثيرات الأيروسول في الغلاف الجوي، وهو أكثر استجابة للتغيرات الهيكلية التي تُستخدم في المكنوب ولا يزال حساساً إزاء المناطق ذات الكتلة الأحيائية العالية، مما يجعله ذا قيمة بالنسبة للغابات الحضرية ومتنزهات الكثافة.

مؤشر النباتات المعدلة حسب التربة (SAVI)

ويُعدل مؤشر التنمية المستدامة للتنميط في التربة بحيث يُحسب التباينات في إشراق التربة، وهو أمر مهم بصفة خاصة في المدن القاحلة أو المناطق التي تُعرض فيها التربة بين الأشجار، ويستخدم عامل معايرة التربة الذي يُحدد عادة لـ 0.5 في إطار الغطاء النباتي المتوسط.

مؤشر الميول المُعادَل

NDWI = (Green – NIR) / (Green + NIR) هذا المؤشر حساس لمحتوى المياه في النباتات والتربة، وهو يستخدم لكشف احتياجات الري، ورصد صحة الأراضي الرطبة، وتقييم آثار الجفاف على الأشجار والمذاهب الحضرية.

المؤشرات الحرارية الحضرية

وتُعد خرائط درجة حرارة الأرض، التي تُستمد من النطاقات الحرارية، ذات أهمية حاسمة بالنسبة للدراسات المتعلقة بالجزر الحرارية، ويمكن قياس أثر جزيرة القاعات الحضرية كمياً بمقارنة الغطاء الحرجي عبر مختلف الاستخدامات البرية، ويكشف الجمع بين LST ومؤشرات الغطاء النباتي عن كفاءة التبريد في الحدائق (أثر " جزيرة باردة " )، ومساعدة المخططين على استهداف جهود التخضير في الأحياء المعرضة للحرار.

تطبيقات الاستشعار عن بعد في إدارة الفضاء الخضراء الحضرية

وقد توسع نطاق التطبيقات بشكل كبير مع تزايد توافر البيانات ونمو القدرة الحاسوبية، وينعكس ذلك على أكثر الاستخدامات تأثيرا بالنسبة لمديري المدن والمخططين البيئيين.

تقييم صحة النباتات والحواض

وتتيح سلسلة زمنية منتظمة للشبكة أو EVI للمدن اكتشاف الانخفاض في صحة النبات قبل أن تصبح واضحة للعين المجردة، فعلى سبيل المثال، قد يشير اتجاه هبوطي مدته ثلاث سنوات في المنطقة دون الإقليمية عبر حديقة إلى الإجهاد المزمن للمياه أو تمزق التربة أو إيقاع الآفات، ويمكن للمخططين أن يرتبوا أولويات تحسين الري أو استبدال الأشجار، ويمكن للصور المتعددة الأطياف ذات الاستبانة العالية أن تحدد الأشجار التي تعاني من أمراض الفطر أو أعراض.

منطقة جبل الهات الحضرية

وتُوفر الخرائط الطويلة الأجل المستمدة من أجهزة الاستشعار الحرارية بواسطة السواتل )مثلا، لادسات ٨/٩ TIRS، وECOSTRESS على محطة الفضاء الدولية( توزيعا لدرجات الحرارة على نطاق المدينة، ومن خلال الإفراط في استخدام هذه البيانات مع خرائط الغطاء الأرضي، يحدد المديرون " البقع الساخنة " - المناطق التي تتسم بارتفاع الغطاء السطحي وانخفاض الغطاء النباتي - التي تفتقر إلى البنية التحتية المبردة في فترة بعد الظهر.

التنوع البيولوجي ورسم الخرائط للموئل

ويمكن للصور الافتراضية وبيانات الدراسات الفوقية الفوقية أن تُرسم خرائط تفصيلية لهيكل النبات وتكوينه، وهو أمر حاسم بالنسبة للتنوع البيولوجي الحضري، ويمكن لمعدات المرتفع والكثافة من ليدار أن تُميِّز بين الأشجار الطويلة وطبقات الشجيرات الغازية الغازية، ويمكن للسلسلة الزمنية المتعددة الأطياف أن تتعقب بثبات الأنواع المختلفة، وتستخدم المدن مثل سنغافورة هذه التقنيات لتحديد القدرة على التجزؤ الإيكولوجي والتخطيط للأخطار الخضراء.

إدارة موارد المياه والهياكل الأساسية الخضراء

ويتزايد استخدام السقف الأخضر والحدائق المطرية والرصفات القابلة للرش في إدارة مياه العواصف، ويمكن للاستشعار عن بعد أن يرصد صحة الغطاء النباتي للسطح الأخضر وتغطيته، ويكتشف إخفاقات الري، ويقيّم الأداء العام للهياكل الأساسية الخضراء في الحفاظ على هطول الأمطار. ويمكن أن تشير هذه المنتجات القائمة على السواتل لرطوبة التربة (مثلاً من SMAP أو Sentinel-1) إلى ما إذا كانت توجد مدن مركبة أو مخففة بدرجة كافية.

Carbon Sequestration and Climate Resiliency Planning

(ب) يمكن للمدن، من خلال الجمع بين تقديرات الكتلة الأحيائية التي استُخرجت من نظام ليدار مع تصنيف الأنواع من البيانات الفائقة الأطياف، أن تحدد كمية مخزونات الكربون في حدائقها وأشجار الشوارع، وهذه المخزونات أساسية لخطط العمل المتعلقة بالمناخ، وللتقارير المقدمة في إطار أطر مثل العهد العالمي لرؤساء البلديات المعنية بالطاقة المناخية، كما تساعد بيانات نظام RS على وضع نموذج لكيفية تأثير التوزيع الأخضر على سيناريوهات المناخ المحلية وجودة الهواء في المستقبل؛

إدماج بيانات الاستشعار عن بعد مع نظام المعلومات الجغرافية والنظم الأخرى

(ج) تكون صور الاستشعار عن بعد بواسطة الفرو أقوى عندما تدمج مع طبقات البيانات المكانية الأخرى في بيئة نظام المعلومات الجغرافية، وتتيح برامج الإدارة الحضرية الحديثة، مثل تلك التي تبنى على نظام " مباشرة " ، الجمع غير المتجانس بين المنتجات التي تستخدمها نظم RS والتي لها حدود إدارية، وبيانات عن الطرود، وإحصاءات التعداد، وشبكات المرافق، وأجهزة الاستشعار عن طريق اليوت في الوقت الحقيقي.

تجاوز البيانات الاجتماعية - الاقتصادية لتحليل الإنصاف

ومن أكثر الاستخدامات تأثيرا تحليل توزيع الحيز الأخضر مقارنة بالديموغرافية السكانية، حيث يمكن للمدن، من خلال ربط طبقات الأشعة دون الوطنية أو المتنزهات القريبة من السكان ببيانات الدخل والعرق والعمر، أن تحدد " عدم المساواة " - المناطق التي لا تتوفر فيها للمجتمعات المهمشة فرص كافية للوصول إلى الأماكن الخضراء، وهذا التحليل المتعلق بالمساواة، الذي كثيرا ما صدر به تكليف من خطط الاستدامة، يوجه الموارد إلى الأحياء التي لا تحظى بخدمات كافية.

لوحات إدارة الزمن الحقيقي ودعم القرارات

فالتكامل مع محطات الطقس في إيوت ومستشعرات رطب التربة يتيح تحديثات قريبة من الواقع، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تجمع لوحة بيانات موحّدة بين مادة النيترين اليومية من ستينيل-2 وبين أجهزة الاستشعار الموجودة على الأرض التي تبين محتوى مياه التربة، وترمي تلقائيا عند عبور عتبة، ويمكن للنموذج الجاهز باستخدام بيانات RS التنبؤ بانتشار الآفات البرية (مثلا، مخاطرة على الأرض الحضرية).

إدارة الأصول للهياكل الأساسية الخضراء

(ل) خرائط الشجر التي تستخدمها شركة (ليدار) أصبحت أساس قوائم جرد الأصول في الحديقة، يمكن للمديرين أن يتساءلوا عن قاعدة البيانات: "كم شجرة في حدود 10 أمتار من الطرق في المنطقة 3؟" أو "أي حدائق ضاعت أكثر من 5 في المائة من الغطاء النباتي في السنتين الماضيتين؟"

دراسات الحالة: المدن التي تقود الطريق

سنغافورة: المدينة في حديقة

وقد كانت سنغافورة رائدة منذ فترة طويلة في رصد الحيز الأخضر الحضري، حيث يستخدم المجلس الوطني للمتنزهات مزيجا من الصور الساتلية (عالم الفيرو-2، 0.5 متر)، واللودار الجوي، والمسح الجوي للطائرات بدون طيار لجرد كل شجرة في دولة المدينة، ويتتبع نظامها صحة الأشجار، والأنواع، والموقع، ويدمج مع أجهزة المشاركة العامة التي تسمح للمواطنين بالإبلاغ عن القضايا، وقد ساعد هذا النهج القائم على البيانات على التحضر على نحو أقصى حد في سنغافورة على نحو يغطي الغطاء النباتي.

برشلونة: الأخضر مع الإنصاف

وتستخدم شركة برشلونة بيانات لاندسات وسينتينيل-2 مقترنة ببيانات التعدادات لتحديد إمكانية الوصول إلى الفضاء الأخضر والضعف الحر، وقد استخدمت شركة " غرين للهياكل الأساسية والتنوع البيولوجي 2020 " في المدينة سلسلة زمنية لتحديد الأحياء التي تقل فيها التغطية الخضراء عن 18 في المائة - وهي الحد الأدنى الذي أوصت به منظمة الصحة العالمية، مما أدى إلى تدخلات محددة الهدف، بما في ذلك إنشاء ممرات " محورية " ، مما قلل من متوسط درجات الحرارة الصيفية بمقدار 2.5 في المناطق المتاخمة.

نيويورك: تعداد الأشجار في الشوارع والليدر

وقد أجرت إدارة متنزهات مدينة نيويورك تعداداً لشجر الشوارع باستخدام المتطوعين، ولكنها تستكمل هذا التعداد بالصور الجوية لليدر والصور المتعددة الأطياف، وتوفر بيانات ليدار ارتفاعاً وحجماً دقيقين، يتيحان، إلى جانب نماذج الأنواع، تقدير خدمات النظم الإيكولوجية مثل إزالة تلوث الهواء وتخزين الكربون.

التحديات والحدود

وعلى الرغم من إمكاناته، فإن الاستخدام العملي للاستشعار عن بعد في مجال إدارة الفضاء الأخضر في المناطق الحضرية يواجه عدة عقبات يتعين على الممارسين أن يبحروا.

مقايضة القرار المكاني والتمهل

فالسواتل ذات الاستبانة العالية )المتر الفرعي( باهظة التكلفة وكثيرا ما تكون محدودة النطاق، بينما قد تفوت البيانات ذات الاستبانة المتوسطة )١٠-٣٠ متر( رقعة صغيرة من النباتات مثل أشجار الشوارع الفردية أو الشرائط الخضراء الضيقة، ويتطلب اختيار جهاز الاستشعار الصحيح توازن التكلفة والتغطية والتفاصيل.

آثار الغلاف الجوي والفييض

ويمكن أن تؤدي بخار المياه في الغلاف الجوي، والهباء الجوي، والغطاء السحابي إلى تدهور نوعية الصور، لا سيما في المدن الرطبة أو الملوثة، والظلال الطبوغرافية والظل التي يتسبب فيها البناء، إلى تعقيد تصنيف النبات في العصي الحضرية الكثيفة، كما أن الخوارزميات المتقدمة في الغلاف الجوي (مثلا 6SV، FLAASH) ضرورية ولكن لا تطبق دائما من جانب المستعملين النهائيين.

حجم البيانات وخبرة تجهيزها

وتولد البعثات الحديثة لأجهزة الأمن الإقليمي صوراً مراعية سنوياً، وتتطلب المعالجة الفعالة والتخزين والتحليلات منابر حاسوبية سحابية (مثلاً، مهندس الأرض في غوغل، خدمات شبكة الأمازون) ومحللين مهرة، وهناك العديد من وكالات المدن التي تفتقر إلى موظفين متفرغين للاستشعار عن بعد، مما يؤدي إلى الاعتماد على الخبراء الاستشاريين الخارجيين أو حلول دورانيكي.

Validation and Ground Truth

وتحتاج نماذج الاستشعار عن بعد لصحة النباتات أو تحديد الأنواع أو الكتلة الأحيائية إلى معايرة ومصادقة على الأرض، إذ إن جمع بيانات كافية عن الأرض في مدينة كبيرة هو بمثابة كثيفة الموارد، وتبرز برامج علم المواطنين (مثل استخدام أجهزة الهاتف الذكي لتحديد الأشجار) كأسلوب للتحقق من فعالية التكلفة.

الاتجاهات المستقبلية

ويتقدم الميدان بسرعة، وستزيد عدة اتجاهات من تعزيز دور نظام RS في الإدارة الخضراء الحضرية.

إدماج الاستخبارات الفنية والتعلم الآتي

ويمكن الآن أن تقطع نماذج التعلم العميق التي تم تدريبها على الصور العالية الاستبانة، كما يمكن للرابطة تلقائياً تقسيم التاج الشجري الفردي، وكشف الأنواع، وتقييم الصحة بدقة منافسة الخبراء البشريين، كما أن الشبكات العصبية الثورية التي تم تدريبها على مجموعات بيانات كبيرة مثل TreeSatAI يمكن أن تصنف 20+ الأنواع من الصور الجوية.

ألف - ارتشـاء أجهزة الاستشعار المتعددة

وسيزداد الرصد في المستقبل ازدياد تدفق البيانات البصرية والحرارية والرادارية والسجل الليدي لتكوين منتجات الاستشعار المتعدد الأطراف، مثل الجمع بين رادار " سينتينيل-1 " (المراعي للهيكل) وبين " سينتينيل-2 " ، وسيحسن تصنيف السقف الأخضر ويميز بين الأعشاب والأنهار الرادارية.

البيانات المفتوحة والمنصات ذات القاعدة السحابية

The democratization of satellite data - through programs like ESA’s Copernicus and the USGS Landsat archive - combined with cloud computing (Google Earth Engine, Microsoft Planetary Computer) enables any city, regardless of budget, to perform sophisticated analyses. Tutorials and pre-built algorithms are lowering the barrier to entryr.0

علوم المواطنين والاستشعار التشاركي

ويمكن أن تزيد أجهزة الهاتف الذكي التي تسمح للمقيمين بتصوير الأشجار، أو الإبلاغ عن القضايا الصحية، أو تسجيل أحداث علم الفينولوجيا من البيانات الساتلية مع المعرفة المحلية الدقيقة، وتنتج منابر مثل الناتوريوم أو تري سناب بيانات عن الأرض على نطاقات مستحيلة لموظفي المدن، وينشئ ربط هذه البيانات على مستوى القاعدة الشعبية مع مجموعات بيانات رسمية من نظام الرصد التعاوني القوي.

خاتمة

وقد أصبح الاستشعار عن بعد، مقرونا بنظام المعلومات الجغرافية والمنابر الحديثة لإدارة البيانات، حجر الزاوية في إدارة الفضاء الأخضر في المناطق الحضرية القائمة على العلم، ومن رسم خرائط لكل شجرة في سنغافورة إلى تخفيف موجات الحرارة في برشلونة، توفر هذه التكنولوجيات مخططي المدن معلومات موضوعية ومناسبة التوقيت وملموسة مكانيا ضرورية لحماية وتعزيز الأصول الخضراء، وفي حين أن التحديات المتصلة بالحل والتكلفة والخبرة ما زالت قائمة، مما يجعل السكان المقيمين في المناطق الحضرية من ذوي الحجم المفتوح أكثر قدرة على الاستدامة.