استخدام تكنولوجيا الطائرات العمودية لتقييم المخاطر الناجمة عن إزالة الألغام الأرضية ورصدها

مقدمة إلى تقييم المخاطر الناجمة عن تحلل الطائرات

وتشكل الانهيارات الأرضية تهديدا كبيرا للمجتمعات المحلية والهياكل الأساسية والنظم الإيكولوجية في جميع أنحاء العالم، مما يتسبب في سقوط آلاف القتلى والمليارات من الدولارات سنويا، وكثيرا ما تعتمد الأساليب التقليدية لتقييم ورصد المخاطر الناجمة عن تداعيات الأراضي على أساس أرضي، والصور الساتلية، والطائرات المأهولة، التي يمكن أن تكون بطيئة ومكلفة وخطرة في التضاريس المروية.

القدرات التقنية للطائرات العمودية لتحليل الأراضي

أجهزة الاستشعار

يمكن تجهيز الطائرات الآلية الحديثة بأجهزة استشعار متنوعة تعزز بشكل كبير التحقيق في العزلة الأرضية، وتشمل أكثر الحمولات شيوعاً كاميرات بصرية عالية الاستبانة (الطيف الافتراضي)، وأجهزة الاستشعار المتعددة الأطياف، وأجهزة الكشف عن الأشعة الحرارية، ونظم الكشف عن الأشعة الضوئية وتراوحها، وتلتقط كاميرات الضوئية نماذج مفصلة للأشعة الفوقية، ونموذجاً للدموعية الثالثة، مع نماذج للوزن.

وتكشف أجهزة الاستشعار المتعددة الأطياف عن التباينات في طرطوبة التربة، وصحة النباتات، والتكوين المعدني، وهي علامات إنذار مبكر بعدم الاستقرار في المنحدرات، وتقيس الكاميرات الحرارية شذوذ درجة الحرارة السطحية التي قد تشير إلى تدفق المياه الجوفية أو التدفئة الاحتكاكية على طول طائرات الفشل، ويوفر دمج أنواع متعددة من أجهزة الاستشعار في بعثة واحدة للطيران مجموعة بيانات شاملة لتقييم مخاطر الفيضانات الأرضية.

تخطيط الرحلات الجوية ونوعية البيانات

ويتطلب الرصد الفعال للهبوط البري القائم على الطائرات بدون طيار تخطيطا دقيقا للبعثات، ويجب على المشغلين النظر في رفع الأرض، وظروف الرياح، والقيود المفروضة على المجال الجوي التنظيمي، والمسافة المطلوبة لأخذ العينات الأرضية، وفي كثير من الأحيان، يتم نشر نقاط المراقبة الأرضية لضمان الدقة المطلقة في سحابات النقاط المتولدة ونظم إدارة الرحلات الجوية الحديثة تسمح بأنماط الشبكة الآلية، وصور الاختبارات الخماسية، وضبط مواقع المقياس الحقيقي.

ويتجاوز الحل المكاني للبيانات التي تجمعها الطائرات بدون طيار - والتي تبلغ في كثير من الأحيان ١-٥ سنتيمتر لكل بيكسيل - فار صور السواتل )من الناحية ال ٣٠ سنتيمترا إلى عدة أمتار( وحتى الدراسات الاستقصائية للطائرات المأهولة )من الناحية التقليدية ١٠ إلى ٣٠ سنتيمترا( وهذا القرار العالي حاسم في الكشف عن سمات صغيرة مثل شقوق التوترات، وشاحات الأحذية، والمدافعين المشردين التي تسبق أحداث الفشل الكبرى.

ألف - المزايا التشغيلية على الطرق التقليدية

التكلفة - الأثر والكفاءة

وقد يتطلب إجراء مسح أرضي لمنحدر قابل للزراعة الأرضية فريقا من الجيولوجيين والمساحين يقضون أياماً في التسلق والقياس، مع وجود معدات وتكاليف عمل كبيرة، ويمكن للطائرة بدون طيار أن تغطي نفس المنطقة في غضون ساعات قليلة في جزء من التكلفة، مما يتيح إجراء دراسات استقصائية متكررة على فترات منتظمة، مما يتيح بيانات عن المسافات الزمنية اللازمة لرصد اتجاهات التشوهات المتخلفة.

السلامة وإمكانية الوصول

وكثيرا ما تكون الأراضي المعرضة للانقراض غير مستقرة وغير مستقرة، وتغطى بالروك أو الثلج المطلي، ويثير إرسال الأفراد إلى هذه المناطق مخاطر خطيرة من الحوادث، ويزيل الطائرات الدرونية الحاجة إلى قرب بشري وثيق من مناطق الفشل النشطة أو المحتملة، ويمكنها الطيران مباشرة فوق المنحدرات غير المستقرة، والمنحدرات العمودية الرأسية، والمناطق التي تشهد تساقلا نشطا في جمع البيانات التي قد تتطلب في حالات أخرى فرقا أمنية مستغلة للحبل أو رحلات جوية مزودة بمروحة.

بيانات الزمن الحقيقي لاتخاذ القرارات السريعة

ويمكن للطائرات التي تجهز بوصلات الاتصالات الخلوية أو الساتلية أن تبث بيانات الفيديو والمجس إلى مركز قيادة نائي في وقت قريب من الوقت الحقيقي، وفي حالة الطوارئ القائمة على الانحلال الأرضي، تتيح هذه القدرة لقادة الحوادث تقييم مدى الحركة، وتحديد المخاطر الثانوية (مثل الأنهار المدمّرة)، وتنسيق عمليات الإجلاء أو إغلاق الطرق دون انتظار التجهيز بعد ذلك، كما يمكن لبعض النظم المتقدمة للطائرات الآلية أن تحمل حمولات مثل أجهزة الإنذار بالزبلوم الحقيقي.

تطبيقات عبر دورة الحياة في الأراضي

تقييم المخاطر قبل المغامرة والإنذار المبكر

ويتزايد استخدام الطائرات العمودية في رسم خرائط المخاطر لتحديد المنافذ التي يمكن أن تفشل، ومن خلال إنشاء نظم إدارة متطورة للاستبانة قبل حدوث هبوط أرضي، يمكن للمهندسين أن يرتدون نماذج استقرار منحدرات تشكل عاملاً في الطبوغرافية، وممتلكات التربة، والهيدرولوجيا، وتساعد هذه النماذج على إعطاء الأولوية لمناطق التخفيف مثل تركيب أجهزة الإنذار بالتصريف أو الاحتفاظ بأحار.

فعلى سبيل المثال، أدمجت U.S. Geological Survey (USGS) ] التصوير الضوئي المستند إلى الطائرات بدون طيار في برنامجها للبحوث المتعلقة بالأراضي باستخدام سلاسل زمنية DEMs لرصد الانهيالات الأرضية البطيئة الحركة في كاليفورنيا ومنطقة المحيط الهادئ الشمالية الغربية، وتعتمد هذه النظم التشغيلية على منابر مستقلة يمكن نشرها بسرعة عندما تتجاوز حدود الأمطار.

رصد الوقت الحقيقي خلال الأحداث النشطة

وعندما يبدأ بالفعل تنفيذ عملية تيار أرضي، تقدم الطائرات بدون طيار نقطة تيار فريدة لرصد وقياس الحدث، ويمكن أن تؤدي رحلات الطائرات بدون طيار التي ترفع بسرعة إلى رسم خرائط لحدود المواد المشردين، وتقدير حجم الحطام، وتحديد المناطق التي يمكن أن تتوسع فيها الشريحة أو تتسارع فيها، وهذه المعلومات حاسمة بالنسبة للتنبؤ بالمسافة التي يمكن أن تؤثر على توقيت إغلاق الطرق ووضع ملاجئ الطوارئ.

وفي بعض الحالات، استخدمت الطائرات بدون طيار لإسقاط مجموعات الأدوات )مثل أجهزة تتبع النظام العالمي لتحديد المواقع أو أجهزة التنصت( إلى كتل الشرائح النشطة لجمع بيانات الحركة تحت سطح الأرض، وفي حين أن هذا النهج لا يزال تجريبياً، فإنه يعد بتحسين دقة النماذج الحالية، ويمكن أن تنقل سرعة الانتشار - درونز في الهواء في غضون دقائق من تلقي إشعارات - مما يجعلها لا غنى عنها للاستجابة الدينامية للمخاطر.

تقييم الأضرار اللاحقة للاختراع والتخطيط للإنعاش

وبعد هبوط أرضي، كثيرا ما تكون المنطقة المتضررة خطرة جدا بالنسبة لطاقم الأرض بسبب الحطام غير المستقر، والفراغات المخبأة، وخطر حدوث المزيد من الفشل، ويمكن للطائرات العمودية أن تنتج فورا خرائط عالية الاستبانة لبصمة الأصابع، بما في ذلك المباني المدمرة، والطرق المغلقة، والتغيرات في أنماط الصرف، وتدعم هذه الصور عمليات البحث والإنقاذ عن طريق تحديد المناطق ذات الأولوية العالية وتساعد أجهزة تكييف التأمين ووكالات إدارة الكوارث على تقدير الخسائر الاقتصادية.

وعلاوة على ذلك، فإن الرصد المستمر للطائرات بدون طيار بعد الانزلاق يساعد على تحديد المخاطر الثانوية، فعلى سبيل المثال، يمكن أن تشكل الانهيالات الأرضية التي تحجب الأنهار سدود طبيعية قد تفشل بكارثة، ويمكن للرحلات الجوية ذات المدار أن تقيس طول ونطاق البحيرة المسدودة وترصد النزيف أو التحات، مما يسمح للمهندسين بالبت فيما إذا كانواج مسدوداً خاضعاً للرقابة.

دراسات الحالات الإفرادية التي تبين فعالية الدروني

أوسو لاندي، واشنطن (2014)

وكان النزلة الأرضية في واشنطن في عام 2014 من أشد المميتات في تاريخ الولايات المتحدة، مما أدى إلى مقتل 43 شخصاً، وبعد هذا الحدث، أجريت دراسات استقصائية عن الطائرات بدون طيار لرسم خريطة لحقل الحطام الهائل في منطقة لا تزال خطرة جداً للوصول إلى الأرض لأسابيع، وأتاحت آلية الإغلاق المعقد لطبقات التربة والمتمثلة في وضع مجموعة من المواد الجيولوجية لتقدير حجمها (من المرجح أن تكون مساحتها 10 ملايين متر مكعبة).

رصد الأراضي النشطة في جبال الألب السويسرية

وقد استخدم باحثون في المعهد الاتحادي السويسري للأحراج والسنو وبحوث الكبوط الأرضية الطائرات بدون طيار منذ عام 2016 لرصد تباطؤ العزلة الأرضية في جبال الألب، وقد أدت الرحلات الشهرية التي تستخدم فيها كاميرات المراقبة بواسطة RTK إلى إحداث سحابات ذات قياس دون مركزي، ومقارنة الدراسات الاستقصائية المتعاقبة، إلى قياس معدلات التشريد التي تتراوح بين 0.5 مليون دولار و 2.5 سنة بالقرب من الرأس.

معالجة البيانات والتحديات المتعلقة بالتكامل

وفي حين تولد الطائرات بدون طيار كميات كبيرة من البيانات، فإن تجهيز البيانات إلى معلومات قابلة للتنفيذ يتطلب برامجيات متخصصة وموارد حاسوبية، وقد تقلل التجهيز التصويري لمئات الصور لإنتاج البيوتموسيات ونظم الإدارة البيئية عدة ساعات أو أيام، تبعاً للمساحة المشمولة وللقرار المنشود، وبالنسبة للتطبيقات الحرجة، فإن منابر المعالجة القائمة على السحاب قد انخفضت من التحول إلى أقل من ساعة، ولكن لا تزال هناك قدرة على الاتصال الشبكي الموثوق بها في مواقع ميدانية نائية.

إن الدقة في تحديد المواقع الجغرافية مسألة مستمرة، فبدون نقاط مراقبة أرضية، حتى الطائرات الآلية التي جهزتها RTK يمكن أن تنتج أخطاء تتراوح بين ٥ و ١٠ سنتيمتر أفقيا و ١٠-٢٠ سنتيمتر عموديا في المناطق الصعبة، ولاكتشاف التشوهات السابقة للفشل على نحو ما هو مطلوب في الشهر، يمكن لهذه الأخطاء أن تحجب إشارات حقيقية.

وثمة تحد آخر هو دمج البيانات، وكثيرا ما يتم جمع البيانات من أجهزة الاستشعار المتعددة (العمليات الحرارية، والسجل الليدري) في رحلات منفصلة مع نظم تنسيق مختلفة، ويتطلب تضييق مجموعات البيانات هذه لأغراض التحليل المتكامل وجود معايرة قوية ومقاييس للتسجيل، ويجري تطوير أدوات تعلم الآلات لتوحيد السمات والكشف عن التغيرات الخفية بين الدراسات الاستقصائية، ولكن هذه الأساليب لا تزال غير معتادة في العديد من المكاتب البلدية أو الهندسية.

الحواجز التنظيمية والتشغيلية

وتخضع عمليات الطائرات بدون طيار لرصد الانهيار الأرضي لأنظمة الطيران الوطنية والمحلية، وفي العديد من البلدان، تتطلب الرحلات الجوية خارج خط البصر تنازلات خاصة، مما يحد من القدرة على مسح الانهيالات الأرضية الكبيرة أو النائية بصورة مستقلة، كما أن القيود الجوية تؤدي دورا: الرياح القوية، والهيكل، والسحب المنخفضة يمكن أن تهبط بالطائرات بدون طيار لأيام أو أسابيع، وهو ما قد يكون غير مقبول خلال حالة طوارئ سريعة.

وعلاوة على ذلك، فإن حياة البطاريات تحد من وقت الطيران إلى 20 إلى 40 دقيقة بالنسبة لمعظم الطائرات بدون طيار لأغراض تجارية، وهذا يعني أن مسح منطقة أرضية كبيرة (مثلاً، كيلومتران مربعان) قد يتطلب بطاريات متعددة وزمن ميداني أطول عموماً، مما يقلل من الكفاءة، وأن النظم الهجينة الناشئة التي تجمع بين طاقة البطارية ومحرك الاحتراق الداخلي الصغير يمكن أن تمتد إلى عدة ساعات، ولكن هذه النظم أكثر كثافة وأكثر تعقيداً للعمل.

For a detailed overview of U.S. drone regulations for commercial and public safety use, see the Federal Aviation Administration’s Unmanned Aircraft Systems page].

الاتجاهات المستقبلية والابتكارات التكنولوجية

العمليات ذاتية السلاح

ويمكن للطائرات المتعددة الطائرات التي تطير في أزمنة منسقة أن تغطي مناطق كبيرة معرضة للهبوط الأرضي داخل بعثة واحدة، حيث تحمل كل مركبة حمولة مختلفة من أجهزة الاستشعار، ويجري اختبار تكنولوجيا الأسلحة الأساسية لأغراض الرصد البيئي، ويمكن لتطبيقها على تقييم مخاطر العزل الأرضي أن يقلل بشكل كبير من وقت جمع البيانات مع تحسين التغطية المكانية، كما أن التقدم في برمجيات تجنب الاصطدام والربط الشبكي بين الأنهار يتيح للسفنار الاتصال وتكييف مسارات الحقيقية.

الإدماج مع أجهزة الاستشعار في الموقع

ويمكن للطائرات العمودية أن تعمل كأجهزة محمولة في شبكة استشعار، وتحميل البيانات من أجهزة الاستنشاق الأرضية، وتطوير الضغط، وأجهزة القياس الموزعة عبر منحدر، ويجمع هذا النهج للرصد الهجين التغطية المكانية للطائرات المسيرة مع التغطية الزمنية المستمرة للصكوك الثابتة.

تعليم الآلات من أجل كشف التغيير الآلي

ومع تزايد وفرة بيانات الطائرات بدون طيار، يمكن لنظم التعلم الآلي أن تكتشف تلقائيا التغيرات في الأراضي الشاذة، أو أنماط التصدع للتوتر، أو الإجهاد النباتي الذي يكشف عن الفشل الوشيك، ويمكن للشبكات العصبية الثورية التي تم تدريبها على آلاف الصور المسمومة بالإنذار بالأراضي أن تحدد الآن الندوب والمواد المشردة التي تقترب من مستوى جمع الخبراء، وعندما يتم دمجها في تدفق زمني للإنذار المبكر، يمكن لهذه الأدوات أن تقلل من المعلومات.

طائرات دروبية ثابتة طويلة الأجل

وفي حين تهيمن الطائرات الآلية المتعددة الأطقم على الدراسات الاستقصائية المفصلة، فإن الطائرات الثابتة الجناحين توفر استمرارا للرحلات الجوية لمدة ساعة واحدة إلى ثلاث ساعات ويمكنها رسم خرائط لمئات الكيلومترات المربعة في بعثة واحدة، وبالنسبة للتقييمات الإقليمية لتحديد مدى التعرض للمواقع الأرضية، توفر منابر ثابتة الجناحين مع أجهزة الاستشعار من طراز LiDAR أو متعددة الأطياف أرضية فعالة من حيث التكلفة بين الدراسات الاستقصائية الساتلية والمتعددة الأطقم.

خاتمة

وقد انتقلت التكنولوجيا غير المباشرة من مرحلة تجريبية إلى أداة أساسية في تقييم ورصد المخاطر الناجمة عن إزالة الألغام الأرضية، كما أن قدرتها على توفير بيانات عالية الاستبانة وسريعة ومأمونة في جميع مراحل رسم خرائط للحدث البري قبل وقوعه، ورصد الحركة النشطة، وتقييم الأضرار اللاحقة للأحداث، ستثبت في العديد من التطبيقات الميدانية في جميع أنحاء العالم، وفي حين أن التحديات لا تزال قائمة في مجال تجهيز البيانات، والامتثال التنظيمي، والقيود التشغيلية، والابتكارات الحالية في مجال القدرة الذاتية،