السلف في رصد الترسبات باستخدام الاستشعار عن بعد التكنولوجيات

مقدمة: تزايد أهمية رصد الترسبات

فالترسيب - العملية الطبيعية التي تفصل الجسيمات عن الأعمدة المائية - تؤدي دوراً محدداً في صحة النظم المائية ووظائفها وطويلتها، ومن ثم فإن رصد البيئة في الخزان والأنهار والمستعمرات والمناطق الساحلية، والتراكم المفرط للرواسب يمكن أن يتدهور نوعية المياه، ويقلل من قدرة التخزين، وقنوات الملاحة المتطايرة، ويزيد من مخاطر التكيف مع البيئة في الوقت المناسب.

وقد عملت أساليب الرصد التقليدية، مثل أفخاخ الرواسب، وأخذ العينات اليدوية، وإجراء دراسات قياسية للثبات الاستحمام، على العلم والهندسة منذ عقود، غير أن هذه النُهج محدودة بطبيعتها: فهي كثيفة اليد العاملة، ومكلفة إلى الحجم، والفصل المكاني، وغير عملية في كثير من الأحيان في البيئات النائية أو الخطرة، وقد حدث تحول في النماذج الحديثة العهد مع تطور تكنولوجيات الاستشعار عن بعد.

من العينات الميدانية إلى المراقبة الفضائية: تطور رصد الترسبات

حدود الطرق الميدانية التقليدية

وقد يعتمد رصد الرواسب في معظم القرن العشرين على القياسات المادية المباشرة، إذ أن بعض مواضع الارتداد المتخلفة في قاع الأنهار أو في قاع البحر لا تحتاج إلا إلى مواد مجهزة بحجم مركب، كما أن عدد المواقع التي تلتقطها العينات اليدوية، والمقابس التي تُستخدم في قاع البحر، والملفات التي تُعد من مواسير طويلة، قد توفر قياسات تركيز متوقفة على الرواسب.

The Remote Sensing Advantage

ويمكن لمنابر الاستشعار عن بعد أن تجمع المعلومات عن سطح الأرض وعن الأجسام المائية دون اتصال مباشر، ومن خلال قياس الإشعاع الكهرومغناطيسي المجسد أو المنبعث عبر موجات متعددة، يمكن للمستشعرين أن يكتشفوا التباينات في وضوح المياه، وتركيز الرواسب، والطوبوغرافيا، وتغير الغطاء الأرضي، وتشمل المزايا الرئيسية على الطرق القائمة: (1) التغطية الاصطناعية، مما يتيح إمكانية استخدام كامل جسم المياه أو مجرى الماء في أغراض متكررة.

Core Remote Sensing Technologies for Sedimentation Monitoring

أجهزة الاستشعار البصرية المتعددة الأطياف والقابلية للفحص

وقد أظهر قياس أجهزة الاستشعار الضوئية بواسطة السواتل والمولدة جواً ضوء الشمس في إطار النطاقات المرئية وشبه الحمراء، وقد أظهرت الجسيمات المتسربة الموزعة من الرواسب، واستيعاب الضوء بطرق تربط بقوة التركيز، كما أن النهج الأكثر استقامة يستخدم نطاقات مرئية ومرئية شبه خاضعة للأشعة تحت الحمراء، وذلك لمراعاة مؤشرات الاختبار المطبعية (DNAperency Index) أو نسب الضمادات.

LiDAR (Light Detection and Ranging)

ولا يمكن أن تخترق مادة الليدرات الكبريتية الكبريتية (الليزر المائي) المياه النظيفة إلى أعماق عشرات المتر، ورسم خرائط التضاريس تحت الماء بدقة عمودية عالية (الساعة 10) وتكشف الدراسات الاستقصائية المتكررة عن تغيرات في أحجام المياه في الدوافع المغلقة، وثاني أكسيد الأنهار المسببة للفيضانات.

رادار (الردار ذي الفتحة التركيبية)

كما أن أجهزة الاستشعار الرادار تعمل في خطوط الموجات الدقيقة التي يمكن أن تخترق الغيوم وتجمع البيانات ليلا أو يوما، وفي حين أن الحساسية أقل من الغرامة التي تُعلق بالرواسب من الأساليب البصرية، فإن الرادار مفيد بصفة خاصة لاكتشاف التغيرات في تقريب سطح الماء، التي تلازم عمق المياه الضحلة، والنباتات المغمورة، ونقل حمولات السواحل.

النظم الجوية غير المأهولة (الدنيا)

وتوفر الطائرات التي تُجهز بمستشعرات متعددة الأطياف أو حرارية أو ليدار المرونة النهائية في مجال القرار المكاني (مستوى المسافات) والتوقيت (النشر بناء على الطلب) وتسد الفجوة بين الدراسات الاستقصائية الأرضية وعمليات الرصد بواسطة السواتل، مما يتيح رصد مواقع التحات ومواقع البناء والمستودعات الصغيرة بدقة.

المنجزات الأخيرة التي تحققت في مجال القدرة الموسعة

أعلى قرار مؤقت

وقد شهدت السنوات الخمس الماضية انفجارا في صور ساتلية تجارية عالية الاستبانة )١ مليون بيكسل( من قِبلات مثل بلانيت وماكسار وطائرات الطائرات، ويمكن لهذه النظم أن تعيد النظر في نفس الموقع يوميا أو حتى مرات عديدة في اليوم، مما يتيح الكشف عن نبضات الرسوب السريع بعد وقوع حوادث سقوط الأمطار.

تحسين التحليلات والتعلم في مجال الطبقات

كما أن الشبكات العصبية والغابات العشوائية وآلات الدعم التي تستخدم في تركيب مجموعات متعددة من الأطقم، ومؤشرات هيبائية، ومتغيرات طبوغرافية لتقدير SSC مع زيادة دقة وقوة في مختلف أنواع المياه وتكوين الخرائط(85).

إدماج البيانات المتعددة الوسائط والبيانات المتعددة الاستشعار

ولا يمكن لأي جهاز استشعار واحد أن يستوعب جميع جوانب الرواسب، إذ أن نظم الرصد الحديثة تتدفق البيانات من مصادر بصرية ورادارية وLDAR، وكذلك أجهزة الاستشعار الموجودة في الموقع، من أجل استحداث نماذج شاملة للمسح المسبفي، ومن أمثلة ذلك أن دراسة الترسبات الساحلية يمكن أن تجمع بين الاضطرابات في المياه المستمدة من السواتل وبين أجهزة الأشعة المكثفة للطائرات الليدارية ومواقع الصمامات الرادارية.

رصد الوقت الحقيقي والتوقيت القريب من الأرض

ومن الناحية التاريخية، تتطلب البيانات الساتلية أياماً إلى أسابيع لكي تصبح متاحة للتحليل، واليوم، يتيح عدد من مقدمي الخدمات التجارية والعامة الوصول إلى الوقت القريب (في غضون ساعات من الاقتناء)، ويسمح هذا النظام، الذي يجمع بين الخوارزميات الآلية ونظم الإنذار، بالإنذار المبكر بتدهور نوعية المياه التي تحركها الرواسب أو فقدان القدرة الاحتياطية الوشيك، مثلاً، بأن تتيح بعثات الاستشعار التابعة للبرنامج الأوروبي إمكانية الحصول على البيانات في غضون ثلاث ساعات.

التطبيقات الرئيسية عبر البيئات المائية

إدارة الخزانات والسدود

وتقدّر اللجنة الدولية المعنية بالسدود الكبيرة أن قدرة الخزان العالمي تُفقد بمعدل 0.5-1 في المائة سنوياً بسبب تراكم الرواسب، ويوفر الاستشعار عن بعد لمشغلي المستودعات قياسات منتظمة للاضطرابات، وتحلل التحلل، وتغيرات في الطبقات الأرضية، على سبيل المثال، تستخدم سلسلة زمنية صينية من " لانديسات " و " سيتينيل-2 " .

النهر والنظم الفلوفية

ويؤثر الترسب في الأنهار على نوعية الموئل، واستقرار القنوات، ونقل الفيضانات، ويتيح الاستشعار عن بعد الآن رصد التحات المصرفي على نطاق واسع، وديناميات البار الرملية، وتعليق حمولات الرواسب، ويمكن للصور الساتلية العالية الاستبانة أن تكشف عن التوسع في الرواسب الرسوبية المشاطئة بعد الفيضانات، بينما تساعد المؤشرات المتعددة الأطياف مثل مؤشر استخراج المياه الآلي (AWEI) على عزل النماذج التي يتم تدريبها على إنتاج الرواسب.

المناطق الساحلية والدراسة

وتتأثر الرواسب الساحلية بالأنهار والجزر والموجات وارتفاع مستوى سطح البحر، مما يؤثر على الأراضي الرطبة والشوااطئ والمرافئ، ويتيح الاستشعار عن بعد آراء متبادلة عن أعمدة الرواسب الممتدة من أفواه الاستراتوائية، وأنماط التشت، وتغير الساحل الطويل الأجل، على سبيل المثال، تستخدم وكالة الفضاء الدولية صوراً لتصريف مياه البحر لرصد تصدير مياه الأمطار من نهر المسي.

رصد نوعية البيئة والمياه

ويؤدي تحميل الرواسب الزائدة إلى الحد من التغلغل الخفيف، مما يلحق الضرر بالنباتات المائية المغمورة، ويقلل من الإنتاجية الأولية، ويتيح الاستشعار عن بعد من اضطراب المياه، كما يوفر مجموع المواد المعلقة، بدائل مباشرة لبارامترات نوعية المياه المستخدمة في الأطر التنظيمية مثل التوجيه الإطاري الأوروبي للمياه، بل يمكن للمديرين، عن طريق ربط تركيز الرواسب ببلوغات الطحالب، وناقل الملوث، تحديد مصادر التلوث وتحديد أولويات تدابير التخفيف من آثاره.

التصدي للكوارث والمخاطر الناجمة عن الفيضانات

وفي أثناء الفيضانات الكبرى، تشكل المياه الرسوبية مخاطر مثل الانهيالات الأرضية، وتدفقات الحطام، والتحول السريع في القنوات، ويتيح الاستشعار عن بعد تقييم الأضرار بسرعة عن طريق مقارنة الصور التي كانت موجودة قبل وقوع الحوادث وما بعدها، فعلى سبيل المثال، تم تقييم الفيضانات الأوروبية في ألمانيا وبلجيكا في عام 2021 باستخدام الرادار " سينتينيل-1 " ، الذي اكتشف وجود ترسبات على مستويات سميكة الغلاف الجوي في إطار خرائط الفيضانات.

الفوائد والنظر في العمليات

خفض التكاليف والقابلية للتسويق

وفي حين أن الاستثمار الأولي في بيانات الاستشعار عن بعد والقدرة على التجهيز يمكن أن يكون مرتفعا، فإن تكلفة المنطقة الواحدة غالبا ما تكون أقل حجما من الأساليب الكثيفة في الميدان، ويغطي موقع واحد لاندسات 185x185 كيلومترا مجانا؛ ويكلف مسحا من طراز LiDAR يحتوي على خزان طوله 100 كيلومتر مربع جزءا مما يتطلبه إجراء مسح أحواض الاستحمام مع الزوارق، كما أن المحفوظات الساتلية تتيح إجراء تحليل تاريخي دون أي عمل ميداني.

الاحتياجات من الاستحقاق والتقدير

وعلى الرغم من قوتها، فإن الاستشعار عن بعد ليس بديلا لجميع القياسات الموجودة في الموقع، فالعلاقة بين التركيز على التأمل والتركيز على الرواسب تتأثر بلون المياه، والظروف الجوية، وتكوين الرواسب، وبالتالي فإن بيانات الحقل الأرضية لا تزال ضرورية للمقاييس والتحقق، ويدمج نهج أفضل الممارسات الاستشعار عن بعد مع محطات الرصد الميدانية التي توضع على أساس استراتيجي، باستخدام عمليات الاسترجاع الساتلية التي تتيح للمستخدمين المصادقة على نقاط الثقة وتقسيمها.

التحديات: الكلاود، والاحتلال، والديبيث

ويحد من الاستشعار البصري عن بعد السحب السحابي - وهو عقبة خطيرة في المناطق المدارية والمونية حيث يبلغ ذروت النقل الرسوبي، ويمكن لمستشعرات الرادار أن ترى من خلال السحب، ولكن لديها حساسية أقل بالنسبة للرواسب الدقيقة، وفي المياه العميقة أو الشديدة الاضطرابات، يخفض معدل تغلغل الديتار، وترمي البعثات المقبلة وتقنيات الاندماج إلى تخفيف هذه القضايا، وعلى سبيل المثال، فإن بعثة الوصل العالية سوف توفر جميع الدراسات الرادارية.

الآفاق المستقبلية: الجبهة التالية للاستشعار عن بعد عن بعد

البعثات التالية لسواتل الملاحة

وسيشهد الجيل القادم من دائرة رصد الإشعاعات خلال السنوات الخمس إلى العشر القادمة إطلاق عدة بعثات تعد بتغيير رصد الرسوبيات، وسيوفر الجيل الثاني من برنامج رصد الغلاف الجوي التابع للإيسا حلاً مستفيضاً وإعادة فحصاً يومياً، كما أن الساتل " بلانكتون " ، وهو ساتل " إيروسول " ، و " كلود " ، الذي بدأ في عام 2024، يحمل أداة لون المحيط الأطلسي ذات قدرات على تحقيق الاحترار، تتيح إمكانية الحصول على درجة عالية من حيث توفر تمييز أفضل في مجال المناخ، وهي توفره، كمادة من نوع " .

التعلم في مجال الآلات والتوائم الرقمية

وستؤدي الاستخبارات الأثرية دوراً مركزياً متزايداً، ويمكن لنماذج التعلم العميق أن تُشفِّر بيانات الاستشعار عن بعد بالنماذج الهيدرودينامية من أجل إيجاد " توأم رقمي " من النهر ونظم المستودعات - التكرار الافتراضي الذي يحفز نقل الرواسب ويتيح اختبار السيناريوهات، ومن الأمثلة المبكرة مشروع التوأم الرقمي للاتحاد الأوروبي الذي يدمج بيانات الرواسب الساتلية مع نماذج تشغيلية للتنبؤ بالتغيُّرات في عمق.

التكامل مع البيانات المتعلقة باليوت والكراودود

إن شبكة الاستشعار عن بعد التابعة لشبكات الاستشعار عن بعد، وأجهزة الاستشعار عن بعد التي تعمل من القاعدة، وقياسات الأنهار الذكية - يمكن أن توفر بيانات محلية مستمرة تُعيير خوارزميات الاستشعار عن بعد في الوقت الحقيقي، وفي الوقت نفسه، يمكن تَغليف الصور الناطقة من علماء المواطنين وتحميلها لتدريب نماذج واضحة من حيث الموارد، وتيسر عملية ضخ هذه البيانات المحجوبة التي لم يسبق لها مثيل.

Climate Change and Adaptive Strategies

وتغير المناخ يغير أنماط التهطال، وذوبان الجليد، وشدة العواصف، التي تؤثر جميعها على غلات الرواسب والنقل، وتوفر سلسلة زمنية للاستشعار عن بعد تمتد إلى 40 سنة + سنة (مثلاً، لادسات) خط الأساس لكشف هذه الاتجاهات، وستتيح الأدوات المستقبلية للمديرين التنبؤ بكيفية تأثير تغير المناخ على معدلات التسلل إلى الخزان، واستقرار الدلتا، والتآكل الساحلي، مما سيمكِّن من وضع استراتيجيات لإدارة التكيف.

وباختصار، انتقلت تكنولوجيات الاستشعار عن بعد من أدوات البحث التجريبي إلى الركائز التشغيلية لرصد الرواسب، فتقدمات حل الاستشعار، والقدرة على الاستطلاع، والاستخبارات الاصطناعية، وتكامل البيانات، قد أتاحت رصد ديناميات الرواسب عبر النطاقات المكانية والزمنية التي لم يكن بالإمكان تصورها منذ جيل، ومع توسع السواتل، وتحسين المقاييس، وزيادة إمكانية الوصول إلى الموارد الافتراضية في جميع أنحاء العالم، وإدارة القدرة على التنبؤ بالمياه العذبة.