Table of Contents
مقدمة
وقد حولت تكنولوجيا الاستشعار بواسطة السواتل الطريقة التي يرصد بها العلماء وصانعو القرار بيئة الأرض ويفهمونها، وعلى مدى العقد الماضي، أتاحت التطورات السريعة في تصميم أجهزة الاستشعار، وتخزين البيانات، وأجهزة المعالجة الخوارزمية للباحثين رصد العمليات الايكولوجية بتفصيل وتوقيت غير مسبوقين، ومن التتبع الصحي للغابات الاستوائية إلى قياس سميك صحائف الجليد القطبية، توفر أجهزة الاستشعار الحديثة التابعة للسواتل منظورا مستمرا وعالميا لا يمكن أن تحققه شبكات الابتكار الأرضية وحدها.
مؤسسة الاستشعار عن بعد بواسطة السواتل
ويتوقف الاستشعار عن بعد بواسطة السواتل على أدوات كشف الإشعاع الكهرومغناطيسي المنعكس أو المنبعث من سطح الأرض والغلاف الجوي للأرض، كما أن أجهزة الاستشعار المتحركة مثل تلك الموجودة على متن الساتلين لاندسات وسواتل نظام رصد الغلاف الجوي التابعين لناسا، وتسجل ضوء الشمس الطبيعي أو الإشعاع الحراري، وتُحدد أجهزة الاستشعار الاصطناعية، مثل رادار الاصطناعي وجهاز الأشعة الليدرية، الطاقة التي تستخدمها لقياس الظلمة.
الابتكارات الأخيرة في مجال الاستشعار عن بعد
وقد دفعت التطورات الأخيرة حدود الحيز المكاني والطيف والتسوية الزمنية، حيث أن السواتل الصغيرة والميسورة التكلفة والمعرفة باسم " كوبسات " و " سواتل صغيرة " قد مكّنت من إعادة النظر في نفس المكان يوميا أو أكثر من أي وقت مضى، وفي الوقت نفسه، أتاح تقليل أجهزة الاستشعار إلى أدنى حد ممكن أن تلائم الأدوات المتقدمة في منابر الاتفاقات دون التضحية بالأداء.
أجهزة الاستشعار المتعددة الأطياف والقابلية للاحتياطات
وتلتقط أجهزة الاستشعار المتعددة الأطياف بيانات في عدة نطاقات واسعة النطاق )من نوع ٤ إلى ١٥( مما يجعلها مثالية للمؤشرات المتعلقة بالنباتات، وتصنيف الغطاء الأرضي، واكتشاف التغير، وتسجل في إطار هذا النظام البيئي الضيق لنظم الأراضي في ألمانيا، وجهاز رصد الغلاف الجوي المتعدد الأطياف الثاني، نماذج مرئية للرصد البيئي.
LiDAR Technology
وتشمل هذه الأجهزة التي تستخدم تكنولوجيا المعلومات والاتصالات في تحديد مواقعها على نحو أفضل، ورسم خرائط عالمية متطورة عن الكواكب، ورسم خرائط عالمية متطورة عن الكواكب الأرضية، ورسم خرائط عالمية عن الكواكب الجليدية، ورسم خرائط عالمية عن الكواكب الجليدية، ورسم خرائط عالمية متطورة عن انبعاثات الكربون في الأرض، ومقاييس تغيرات في ارتفاع الغطاء الجليدي مع قياسات كربونية مقياسية أقل.
رادار ذي فتحة اصطناعية (سار)
وترصد أجهزة الاستشعار التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية نبضات الموجات الدقيقة وتسجل الإشارة المعبر عنها لتوليد صورة لسطح الأرض، بغض النظر عن الغطاء السحابي أو ضوء الشمس، وتشمل الابتكارات الأخيرة تشكيلات مثل مجموعة الرصد الأوروبية لشبكة " كوبرنيكوس سينتيل-1 " ومقدمي خدمات تجارية مثل " كابيلا " و " إيسي " ، التي تقدم صوراً غير مسبوقة من طراز " SAR.
أجهزة الاستشعار الحرارية ذات الأشعة تحت الحمراء
ويكتشف المستشعرات الحرارية ذات الأشعة تحت الحمراء الحرارة التي تنبعث من سطح الأرض، مما يتيح قياس درجة حرارة سطح الأرض والمياه، وتشمل التطورات الأخيرة تحسين الحل المكاني والزمني، مثل أداة " الأرصاد الجوية " في محطة الفضاء الدولية، التي توفر صورة حرارية تبلغ مساحتها 70 مترا، مع مرور أوقات عدة وعطل ليلية، وتستخدم بيانات TIR في رصد الجزر الحرارية الحضرية، وأنماط الري، والإجهاد المائي في مجال الطاقة، والنشاطات البركان.
Impacts on Environmental Monitoring
وقد وسعت الابتكارات المذكورة أعلاه نطاق الرصد البيئي ودقة هذا الرصد، إذ توفر أجهزة الاستشعار الساتلية الآن بيانات شبه آنية تدعم طائفة واسعة من التطبيقات، بدءا من الاستجابة للكوارث إلى التخطيط للحفظ، وتبرز الفروع التالية المجالات الرئيسية التي أحدثت فيها أوجه التقدم في الاستشعار بواسطة السواتل اختلافا ملموسا.
إزالة الغابات وتغير استخدام الأراضي
وتتيح الصور المتعددة الأطياف والتابعة لمنطقة البحث العلمي الكشف المبكر عن إزالة الغابات، بل حتى تحت الغطاء السحابي في المناطق المدارية، وتستخدم البرامج العالمية مثل شبكة رصد الغابات العالمية بيانات لاندسات وأجهزة الاستشعار لإصدار تنبيهات في غضون أيام من حدوث حدث تطهير، ويمكن للبيانات المستشفي أن تحدد أنواعاً معينة من الأشجار وأن تكشف عمليات قطع الأشجار غير المشروعة عن طريق الهالات الشاذة الطيفية.
Climate Change Indicators
وتُقدم أجهزة الاستشعار الساتلية ملاحظات أساسية عن المتغيرات المناخية مثل درجة حرارة سطح البحر، وكتلة الجليد، وثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، والميثان، والإشعاع الشمسي، مثلا، تُبلغ بعثة قياس تغير المناخ في إطار المبادرة الوطنية بشأن قياسات الارتداد (MMODIS) ومبادرة تغير المناخ التي وضعتها وكالة الفضاء الأوروبية سجلات طويلة الأجل لدرجات الحرارة السطحية والثلجية في البحر.
إدارة الكوارث والاستجابة لها
وتوفر مجموعات السواتل المعجلة والمراجعة، مثل أسطول بلانيت لابس كوبيسات وشركة سيتينيل - ١، صورا في غضون ساعات من وقوع كارثة طبيعية، وبعد حدوث إعصار أو زلزال أو فيضان، يمكن أن تخترق منطقة البحث العلمي الدخان والسحب لإظهار مدى الضرر وتحديد الطرق الآمنة للمستجيبين، وتكشف أجهزة الاستشعار الحرارية عن مواقع الاكتشاف أثناء إطلاق النار.
الزراعة والأمن الغذائي
وتُحوّل أجهزة الاستشعار الساتلية الزراعة عن طريق رصد دقيق، وتسمح مؤشرات الغطاء النباتي، مثل مؤشر النباتات المُعَدَّل، المحسوب من البيانات المتعددة الأطياف، وصحة المحاصيل، وعائدات التنبؤات، وتوفر البيانات الحرارية تقديرات للتبخر، مما يتيح للمزارعين تحقيق الحد الأمثل من الري والحد من النفايات المائية، وتراعي بيانات الرشاقة لدى مقدمي خدمات الإسعاف الزراعيين في وقت مبكر، مما يتيح الرصد حتى أثناء موسم الغيوم.
نوعية المياه والنظم الإيكولوجية البحرية
وتكشف أجهزة الاستشعار الجاهزة والمتعددة الأطياف الكلور والرواسب المعلّقة والزهور الطحالب الضارة في البحيرات والمستودعات والمياه الساحلية، وتوفر أجهزة الاستنشاق المزودة بمواد المياه السطحية في منطقة البحر المدارية - 3 تغطية عالمية يومية للون المحيطات، وتستخدم لتقييم الكتلة الأحيائية فيضانات الفيونية والإنتاجية الأولية.
التنوع البيولوجي والصحة النُظم الإيكولوجية
ويمكن لمستشعرات السواتل الجديدة أن تسمح لأخصائيي الإيكولوجيين برسم خرائط لأنواع الموائل، وتتبع أنماط هجرة الحيوانات، وتقييم الربط بين النظم الإيكولوجية، ويمكن للصور الهيدروجينية أن تميز أنواع النباتات استنادا إلى خصائص المواد الكيميائية ومحتويات المياه، كما أن متغيرات هيكل الغابات التي تستخدمها الرابطة الدولية لتيار النفط، وطولها، وتنوعها في ارتفاعها في الأعشاب، مع ثراء الأنواع الطيور وغيرها من مقاييس التنوع البيولوجي.
الابتكارات في مجال تجهيز البيانات
ويجب أن تكون بيانات الاستشعار بواسطة السواتل الخام معايرة، ومراجعة جغرافية، ومصوبة لتأثيرات الغلاف الجوي قبل التحليل، وقد أدت الابتكارات الأخيرة في مجال الحوسبة والاستخبارات الاصطناعية إلى تسريع سير العمل هذه ومكن الأنواع الجديدة من المنتجات البيئية.
البيانات الحاسوبية والبيانات المفتوحة
ويمكن للمنشآت مثل محرك غوغل الأرضي، وحساب مايكروسوفت الكوكبي، وخدمات الوصول إلى البيانات والمعلومات في كوبرنيكوس أن توفر مواد تلفية من البيانات الساتلية جاهزة ومستعدة للتحليل، ويمكن للمستعملين أن يديروا خامات عن مجموعات البيانات الضخمة دون تحميلها محليا، مما يؤدي إلى إضفاء الطابع الديمقراطي على وصول الباحثين في البلدان النامية، كما أن مجموعة من نماذج تجهيز الخرائط المفتوحة (مثلا، المباني).
التعلم في مجال الآلات والتعلم في أعماق البحار
أما الشبكات العصبية الثورية وغيرها من هياكل التعلم العميق فهي الآن أدوات موحدة لتصنيف الصور الساتلية ويمكن لهذه النماذج أن تميز أنواع الغطاء الأرضي، وأن تكشف التغيرات، وأجسام الشرائح (مثل الأشجار الفردية أو المباني) ذات الدقة العالية، أما بالنسبة للرصد البيئي، فإن التعلم الآلي يمكن أن يُستخدم للتنبؤ بمنتجات المحاصيل من السلسلة الزمنية، وتقدير الكربون العضوي للتربة من المؤشرات الطائفية، ورسم خرائط لأنشطة التعدين غير القانونية.
ألف - دمج البيانات
فجمع البيانات من مختلف أجهزة الاستشعار - البصرية، والرادار، والرادار، والليندر، والأغنياء الحرارية - الأثرياء البيئية، مثلا، فإن ضخ الأشعة الليدرالية - المولدة عن الجفاف، والأرقام القياسية المتعددة الأطقم، يحسن تقديرات الكتلة الأحيائية مقارنة باستخدام أي من مجموعات البيانات وحدها، كما أن تقنيات دمج البيانات تتيح للعلماء سد الثغرات من نماذج التحلل السحابي أو توليد سلسلة زمنية عالية التردد.
الاتجاهات المستقبلية
ويعود العقد المقبل بمزيد من الابتكارات التحويلية في تكنولوجيا الاستشعار الساتلية، وسوف تشكل عدة اتجاهات مستقبل الرصد البيئي من الفضاء.
الوصلات والتقليل من التنويم
إن انتشار السواتل الصغيرة )السواتل CubeSats، ٦U، ١٢U( قد أتاح نشر مجموعات كبيرة ذات تغطية عالمية متكررة، وتدير شركات مثل مختبرات الكوكب مئات من الرفوف التي تقدم صورا يوميا على ثلاثة أمتار، وتسهم تشكيلات جديدة باستخدام سواتل RS )مثل كابيلا، و ICEYE، وأمبرا( وأجهزة الاستشعار ذات النطاق الفائق )مثلا، Pixxel(
تجهيز البورد وحساب إدج
وسيحمل الساتلان المقبلان مجهزين أقوى لإدارة خوارزميات آي في المدار، مما يسمح لهما باكتشاف الأحداث (مثل حريق الغابات، أو انفجار بركاني، أو تصريف زيت السفن) كما أنهما يخفضان من الصورة التحذيرية الصغيرة أو حتى من استخدام سواتل أخرى للنظر عن كثب، كما أن مكتب تكنولوجيا علوم الأرض التابع لناسا يمول مظاهرات للتعلم الآلي على متنها.
Quantum Sensors and New Measurement Techniques
ويجري حاليا إجراء بحوث بشأن أجهزة الاستشعار الكمي التي يمكن أن تقيس درجات الجاذبية، أو الحقول المغناطيسية، أو التحولات الذرية بدقة شديدة، وفي حين أن أجهزة الاستشعار الكمي الفضائية لا تزال في مراحل مبكرة يمكن أن تحدد التغيرات في ميدان الجاذبية الأرضية المتصلة بتخزين المياه الجوفية، والتغيرات في الكتلة الجليدية، وتيار المحيطات بدرجة أكبر بكثير من دقة البعثات الحالية مثل GRACE-FO. Quantum LiDAR.
التكامل مع الاستخبارات الفنية وأجهزة التفجير
ومن شأن دمج البيانات الساتلية مع أجهزة الاستشعار الأرضية للأشعة فوق البنفسجية )مثل محطات الطقس، ومراقبات رطوبة التربة، ومراقبات نوعية الهواء( من خلال منابر آي أن يخلق توأم رقمي من النظم الإيكولوجية، ويمكن لهذه النماذج الافتراضية أن تحاكي السيناريوهات - مثل أثر الجفاف على إنتاج الأغذية أو انتشار صانعي القرارات ذات التأثيرات البرية - لاختبار التدخلات قبل تنفيذها.
التعاون الدولي والبيانات المفتوحة
وسيعتمد الرصد البيئي في المستقبل على استمرار التعاون بين الوكالات الفضائية والشركات الخاصة والمنظمات الدولية، وستنسق برامج مثل اللجنة المعنية بسواتل رصد الأرض معايير الاستشعار والبيانات لضمان قابلية التشغيل المتبادل، وتعمل مبادرة الأمم المتحدة العالمية لإدارة المعلومات الجغرافية المكانية على جعل المعلومات البيئية المستمدة من السواتل متاحة لجميع الدول، ولا سيما البلدان النامية التي تفتقر إلى الهياكل الأساسية للرصد الأرضي، وسياسات البيانات المفتوحة التي تعتمدها الوكالة الوطنية للملاحة الفضائية (الوكالة).
خاتمة
إن الابتكارات في تكنولوجيا الاستشعار الساتلية قد غيرت بصورة أساسية الرصد البيئي، مما يوفر رؤية عالمية مستمرة لأراضي الأرض والمحيطات والجليد والغلاف الجوي، ومن الصور المتعددة الأطياف والهادفة إلى " ليدار " و " سار " ، فإن كل نوع من أجهزة الاستشعار تعطي قوة فريدة توفر معا صورة شاملة لصحة كوكبنا، وتستخدم هذه التكنولوجيات بالفعل لتتبع إزالة الغابات، وإدارة الموارد المائية، ورصد مؤشرات تغير المناخ، والضغط على تقنيات الاستشعار التي يمكن الوصول إليها.
For further reading: NASA Earth Observatory (https://earthobservatory.nasa.gov/), ESA Earth Observation (https://www.esa.int/Applications/Observing the Earth), and the Group on Earth Observations (https://earthobservations.org/).]