تقنيات الاستشعار عن بعد لتحديد المرافق الفرعية في المناطق الحضرية

التحدي المتنامي لرسم خرائط التقلبات في المناطق دون السطحية في المدن الحديثة

وتكمن شبكة الكثيفة والتداخل من الأنابيب والكابلات والتوابل التي تقدم خدمات أساسية، وتزيد من قدرة السكان الحضريين على الوصول إلى مواقع غير قابلة للكشف عن المهارة، وتزيد من سرعة التصليح في المناطق الحضرية، وتزيد من سرعة التصليح في عدد من الأماكن التي لا يمكن الاعتماد عليها، وتزيد فيها أعداد السكان الحضريين من حيث تتسع فيها مستويات الكشف عن هذه الإصابات دون حدود.

لماذا تُحدد بدقة مسائل تحديد القدرة أكثر من أي وقت مضى

أما مشاريع التشييد في البيئات الحضرية الكثيفة، بدءا من التوسعات في المترو إلى مؤسسات البناء الجديدة، فيجب أن تعمل بتساهل شبه صفري إزاء الخطأ، إذ أن سطو الكابلات ذات الارتفاع يمكن أن يُخلّص من أحياء بأكملها، بينما يُحتمل أن يُحدث انفجارات في خط الغازات، فبعد أن تؤدي خرائط المرافق غير الدقيقة إلى تأخيرات باهظة في المشاريع، وإعادة تصميمها، والمنازعات الجغرافية التي كانت قائمة منذ عقود عديدة.

أساليب الكشف التقليدية: القوة والضغوط

ومن المهم قبل دراسة كل جهاز من أجهزة الاستشعار عن بعد فهم الأدوات التقليدية التي لا تزال تستخدم على نطاق واسع، بينما يرسل رادار الناموسيات الكهرومغناطيسية إلى الأرض ويسجل أوجه التفشي من الأجسام المدفونة، ويعمل جيدا في التربة الرملية والخرسانة، ولكن يكافح الأنابيب التي تصيب التربة الاصطناعية أو الرطبة والتي تخفف من الإشارة.

دور الاستشعار عن بعد في كشف التقلبات السطحية الحديثة

والاستشعار عن بعد، كما ينطبق على كشف المرافق، يشمل جمع البيانات من أجهزة الاستشعار المحمولة جوا أو الساتلية دون اتصال مباشر بالسطح الأرضي، وهذه الأساليب تستغل الظواهر المادية التي تُجرى بعناية لتقلل من وجود البنية التحتية تحت سطح الأرض، وفي حين أنه لا يمكن لأي تقنية الاستشعار عن بعد أن توفر خريطة كاملة للمنفعة بنفسها، عندما تقترن بالطرق التقليدية وتقصي الأرض، فإنها توفر أداة أولية قوية.

تقنيات الاستشعار عن بعد الرئيسية لتحديد القدرة على مواجهة الأجسام

كشف الأورام السطحية

وقد يكون كشف النور والارتفاع (LiDAR) هو أكثر تقنيات الاستشعار عن بعد تقدماً في توليد نماذج عالية الاستبانة الرقمية، وفي حين أن الـ " ليدار " لا يمكن أن يرى مباشرة من خلال الأرض، فإنه يمكن أن يكشف عن تشوهات سطحية غير مكتملة تشير إلى وجود مرافق تحت الأرض، فعلى سبيل المثال، فإن الأنابيب المائية المدفونة التي ترتفع قليلاً أو تسببت في تخريبها تخلق توقيعاً مصغراً على خرائط مصغرة.

التصوير الساتلي والتحليل المتعدد المبيدات

ويمكن أن تؤدي هذه المنابر الساتلية، مثل تلك التي يديرها ماكسار، بلانيت، وأجهزة الاستشعار التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية، إلى تغطية متكررة واسعة النطاق، ويمكن أن تكشف الصور البصرية العالية الاستبانة عن دلائل سطحية مثل رقائق الرواسب، أو الحد من كميات الغازات المضغوطة التي تصطدم بخطوط الأنابيب المدفونة.

التصوير بالأشعة تحت الحمراء والحرارية: رؤية المضيق

وتكشف كاميرات المراقبة الحرارية عن وجود اختلافات في درجات الحرارة السطحية، وهي عوامل غالبا ما تكون ناجمة عن مرافق تحت سطح الأرض، كما أن الأنابيب المائية الساخنة، وخطوط البخار، ونظم التدفئة في المناطق تخلق شرائط سطحية دافئة مرئية في الصور الحرارية، وعلى الرغم من أن الأنابيب المائية المبردة أو خطوط الغاز العميقة في درجة الحرارة المحيطة قد تبدو أكثر برودة من التربة المحيطة بها إذا غيرتات السير الحراري.

الدراسات الاستقصائية المغناطيسية من المنهاجات الجوية

كما أن نظم خطوط الأنابيب الحرارية الأرضية، التي تستخدم عادة في استكشاف المعادن ورسم خرائط المياه الجوفية، تتكيف بشكل متزايد لاكتشاف المرافق، وتبث هذه النظم حقل مغناطيسي متناوب من طائرة هليكوبتر أو طائرة كبيرة بدون طيار، وتحفز التيارات الثانوية على القيام بأجسام تحت الأرض مثل الأنابيب المعدنية والكابلات، ويمكن للحركة أن ترسم خرائط عمق وسلوكية للموصلات المدفونة على مسارات الموازية.

جهاز رادار ذو فتحة اصطناعية متداخلة (إنسار)

ويستخدم الفريق العامل أزواجاً من الصور الرادارية الساتلية لكشف التشريد السطحي بالأرض بدقة مليمترات، وقد أصبح هذا الأسلوب لا غنى عنه لرصد التخريب والانهيالات الأرضية والتشوه الهيكلي، إذ يمكن للمرافق الفرعية أن تكشف عن تباطؤ التحركات الأرضية المرتبطة بالتشييد تحت الأرضي، أو تسرب الأنابيب التي تغسل التربة، أو عن طريق تضييق نطاقات عديدة من الهياكل الأساسية للسواتل المحتوية على مخاطر على عدة خلال أشهر أو سنوات.

إدماج الاستشعار عن بعد في نظام المعلومات الجغرافية والتعلم في مجال الآلات

ولا تعد بيانات الاستشعار عن بعد ذات قيمة إلا بقدر ما يُطبق عليها التحليل، إذ تدمج تدفقات العمل الحديثة لكشف المرافق عدة بيانات الاستشعار عن بعد في نظام معلومات جغرافي، مثلا، تقترن نظم الليدارات الرقمية بالصور الساتلية وخرائط المسح الكهرومغناطيسي لتوليد أسطح يمكن أن تكون صالحة للمرافق المدفونة، وتُعد نماذج جديدة للبرمجيات المتطورة للتعلم عن بعد، ولا سيما شبكات الاستشعار عن بعد.

مقارنة أوجه التأثير في الاستشعار عن بعد في الدراسات الاستقصائية الأرضية

ويمكن أن توفر أساليب الاستشعار عن بعد فوائد واضحة لرسم خرائط أولية واسعة النطاق للمرافق، إذ يمكن أن تغطي طائرة بدون طيار مجهزة بمستشعرات حرارية وجهاز ليدار على بعد 50 كيلومترا من الطرق في يوم واحد، مقارنة بفريق من نوع GPR قد لا يغطي سوى كيلومتر واحد في نفس الوقت، كما أن الدراسات الاستقصائية عن طريق الطائرات لا تنطوي على أي تطابق، مما يلغي الحاجة إلى إغلاق حركة المرور أو حفر جانبي في العديد من الحالات.

دراسات حالة في مجال الاستشعار عن بعد في المناطق الحضرية

Mapping Steam Pipelines in New York City

ويضم نظام توزيع البخار في مانهاتن، وهو أحد أكبر الشبكات في العالم، أميال من الأنابيب العالية الحرارة التي توفر الحرارة والمياه الساخنة للمباني، وقد حددت الدراسات الاستقصائية الحرارية التي أجريت من طائرات الهليكوبتر خلال أشهر الشتاء بوضوح الشبكة ضد الرصيف البارد، فاستعمال هذه الصور، حدد المهندسون عدة فروع غير موثقة، وثبتوا حالة العزلة، كما قامت شركة غماسي بتصميم قاعدة بيانات عن الحالات.

LiDAR and GPR Fusion for Subway Construction in London

وقبل أن يُمل مشروع كروسايل، استخدم المتعاقدون نظام ليدار المزود بالطائرات بدون طيار لخلق نموذج سطحي عالي الاستبانة لممر البناء، ومقارنة ذلك بالخرائط التاريخية ومقاطعات حقوق الملكية الفكرية، حدد الفريق أكثر من 200 نزاع محتمل في المرافق لم يُظهر على السجلات القائمة، كما كشفت بيانات ليدار عن وجود خطوط خنادق تاريخية مائلة من خطوط الأنفاق الأساسية البالغة 19 درجة التي تمهدها على الطريق المؤدي إلى التكدس.

ساتل InSAR لرصد الأنابيب في لوس أنجلوس

وخلال فترة خمس سنوات، استخدم الباحثون بيانات الساتل " سينتينيل-1 " لرصد التشهير البري على امتداد خط كبير للمياه في مقاطعة لال، وحدد تحليل " إنسار " عدة بؤر من الهضبة التي تتطابق مع التسربات المعروفة استنادا إلى تقارير عن فقدان المياه، والأهم من ذلك أنه كشف عن منطقة غير معروفة سابقا من المستوطنات التدريجية بدأت فيها الأنابيب في الانهيار، وقد سمح الكشف المبكر عن وجود قيمة مستهدفة من حيث البنية التحتية تمنع حدوث تمزق كبير.

القيود والتحديات الراهنة

وعلى الرغم من الوعد، فإن الاستشعار عن بعد للمرافق الفرعية له حدود ملحوظة، فالاختراق في الغلاف الجوي هو أهم القيود: فالمسح الحراري والتصوير الحراري لا يكشف إلا الآثار السطحية، بل ويحتاج النضال في نظم الإدارة البيئية إلى حل الأنابيب المدفونة بشدة في الطوابق، كما أن عمليات الاستشعار عن بعد بواسطة أجهزة التقلب السطحية يمكن أن تؤدي إلى تأخير عمليات الاستشعار عن طريق أجهزة الاستشعار السطحية، وأجهزة الاستشعار عن بعد.

الاتجاهات المستقبلية: التلقائية، تجهيز الوقت الحقيقي، وضغوط الاستشعار

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الباحثين يطورون طائرات بدون طيار مستقلة يمكن أن تدمج أجهزة الاستشعار ذات الوجه الكهرومغناطيسي والجهاز الاستباقي للشبكة في رحلة واحدة، ويعالجون البيانات في الوقت الحقيقي لتحديث خرائط المرافق عن الذبابة، كما أن نماذج التعلم من الآلات التي يتم تدريبها على مجموعات البيانات الضخمة من المدن في جميع أنحاء العالم ستتحسن في التمييز بين أوجه الخلل ذات الصلة بالجدوى وبين السمات السطحية الأخرى.

الاستنتاج: تطور ضروري في إدارة الهياكل الأساسية الحضرية

تقنيات الاستشعار عن بعد ليست رصاصة فضية لكشف المرافق دون السطحية ولكنها تمثل تطوراً حاسماً في كيفية اقتراب المدن من التحدي، من خلال توفير مناطق واسعة النطاق، وغير متوافرة، وجمع البيانات القابلة للتكرار، وطرق مثل ليدار، والتصوير الحراري، والصور الساتلية، والدراسات الاستقصائية الكهرومغناطيسية الجوية، يمكن المهندسين والمخططين من رؤية ما هو أبعد من الرصيف،

موارد إضافية للقراءة: ]