تقنيات الاستشعار عن بعد للرصد استخدام الأراضي والزوابق الحضرية التغييرات

مقدمة للاستشعار عن بعد لأغراض الرصد الحضري

إن التفشي الحضري وتغير استخدام الأراضي من بين أكثر التحديات إلحاحا التي تواجه المدن الحديثة، ومع تزايد السكان والتنمية، فهم كيفية توسيع البيئات المبنية وتحويلها إلى أهمية حاسمة بالنسبة للتخطيط المستدام، وقد ظهرت تقنيات الاستشعار عن بعد كأدوات لا غنى عنها لمراقبة هذه العمليات على نطاق واسع، مما يتيح تكرارا وفعالا من حيث التكلفة، والآراء المستقاة من سطح الأرض، ومن خلال تحليل البيانات التي تجمع من أنواع السواتل والطائرات والملابسات الحضرية غير المسبوقة، والباحثين، والخطة.

إن مزايا الاستشعار عن بعد على الدراسات الاستقصائية الأرضية التقليدية كبيرة، ففي حين أن الحملات الميدانية هي حملات كثيفة التوقيت ومكلفة ومحدودة في التغطية المكانية، فإن الاستشعار عن بعد يوفر ملاحظات متسقة من حيث الجدران إلى الجدران في مناطق كبيرة، ويتيح التصوير المتعدد المراحل للمحللين تتبع التحولات الفرعية في استخدام الأراضي - من التحول الزراعي إلى تطورات سكنية جديدة - قد لا تُلاحظ، بخلاف ذلك، هذه المادة تستكشف تقنيات الاستشعار عن بعد الرئيسية، وتطبيقاتها في المستقبل.

Core Remote Sensing Techniques for Land-Use Analysis

وتستخدم أساليب مختلفة للاستشعار عن بعد لدراسة الديناميات الحضرية، وتستفيد كل تقنية من أجزاء مختلفة من الطيف الكهرومغناطيسي أو مبادئ الاستشعار النشطة لاستخراج المعلومات عن سطح الأرض، وتشمل أكثرها استخداما التصوير المتعدد الأطياف، والرادار، والاستشعار بالرادار، والتصوير الفائق الأطياف، والاستشعار بالأشعة تحت الحمراء الحرارية.

التصوير المتعدد الأطياف والهيبروفي

وتلتقط الصور المتعددة الأطياف بيانات في عدة مجموعات من الطيفات المتباينة - وهي مرئية عادة )الأشعة الخضراء والزرقاء( وشبه الحمراء، وشبكة الموجات القصيرة من المياه ذات الغطاء الأرضي )الغطاء الأرضي( وهي ذات قيمة خاصة بالنسبة للتمييز بين الغطاء النباتي والأسطح غير المستقرة لأن النباتات الصحية تعكس بقوة في الهواء الطلق بينما تتيح هذه الفئات من الغلاف الجوي والملموسة إمكانية الحصول على أرض.

ويتخذ التصوير الفطري خطوة أبعد من ذلك بتسجيل مئات من النطاقات الضيقة المتقاربة، وهو ما يوفر توقيعاً على الأطياف مستمر تقريباً لكل كيس، مما يتيح التمييز الدقيق في المواد مثل مختلف أنواع السقف، أو ظروف الرعي، أو أنواع النباتات، ومع أن البيانات الفائقة الأطياف أكثر تعقيداً في المعالجة وأقل توافراً من المواد المتعددة الأطياف، فإنه يُستخدم بصورة متزايدة في تقييم البيئة الحضرية المميزة وفي مجال الهياكل الأساسية.

LiDAR (Light Detection and Ranging)

(ب) استخدام الأشعة الليزرية المقلية لقياس المسافات وتوليد سحابات مفصلة من ثلاث نقاط متقطعة من التضاريس والنباتات والهياكل، وعلى عكس أجهزة الاستشعار البصرية السلبية التي تعتمد على ضوء الشمس، فإن نظام ليدار هو نظام نشط، ويتيح العمليات الليلية، ويخترق الغطاء النباتي الجزئي، وفي التطبيقات الحضرية، فإن " ليدرا " لا تقدر بثاً لاستخراج البصمات الحضرية، وتقييم مستويات الارتفاع في الشوارع.

وقد كان الـ " ليدار " المحمول جواً هو المعيار الذي يُستخدم في رسم الخرائط الحضرية ذات الاستبانة العالية، ولكن النظم الفضائية مثل " جي دي جي " (GA) (البحث العالمي عن الديناميات الإيكولوجية) و " ICESat-2 " توفر الآن تغطية عالمية، وهذه النظم الساتلية ذات القاعدة " (LDARs) مفيدة بصفة خاصة لرصد ارتفاعات الكعب والحيوانات الأحيائية، ولكن استخدامها في المناطق الحضرية، ومع ذلك، يمكن الوصول إليها.

Radar Sensing - SAR and InSAR

(د) نظام رادار ذو فتحات اصطناعية (سار) هو نظام نشط للموجات الدقيقة يبث النبضات ويسجل الإشارة المبعثرة، وقدرته على اختراق السحابات، والدخان، والعمل في الليل، يجعل من SAR أداة قوية للرصد المستمر، ولا سيما في المناطق المدارية أو المناطق ذات الكسور العالية التي كثيرا ما تفشل فيها أجهزة الاستشعار البصرية، وتشمل تطبيقات البحث العلمي في الدراسات الحضرية رسم خرائط للبناء، وكشف عن التغيرات في مجال التشييد.

وتسمح بيانات البحث العلمي من بعثات مثل جهاز رصد الأرض التابع لوكالة الفضاء الأوروبية، ورادارسات، وتيراسار - اكس للمخططين بمراقبة التوسع الحضري حتى تحت غطاء سحابي ثابت، ويمكن لتحليلات البحث عن عدة مراحل أن تكتشف المباني الجديدة، وبناء الطرق، بل وحتى المستوطنات غير الرسمية (الأحياء) القائمة على توقيعات البرمجيات الرجعية المميزة، ومن المهم للغاية في منطقة البحث عن المياه الجوفية، قياساً لحجم الملليمتر، رصد استقرار الهياكل الأساسية الحضرية - على سبيل المثال.

الاستشعار الحراري عن بعد

وتُستخدم هذه البيانات في البيئات الحضرية لقياس التأثيرات في الجزر الحرارية الحضرية - وهي الظاهرة التي تكون فيها المناطق المزروعة أكثر دفئاً من الأراضي الريفية المحيطة بها، ومن خلال تحليل الصور الحرارية من أجهزة الاستشعار مثل أجهزة الاستشعار التي تستخدم في لاندسات أو أجهزة التحكم في النفايات الاصطناعية في محطات الفضاء الدولية، يمكن للباحثين أن يحددوا مواقع العزلة مثل هذه.

المركبات الجوية غير المأهولة - الطائرات العمودية

وتوفر الطائرات بدون طيار المجهزة بكاميرات عالية الاستبانة، أو أجهزة الاستشعار المتعددة الأطياف، أو أجهزة الاستشعار الحرارية، حلا مكانيا عاليا )مستوى قياسي( للدراسات الحضرية المحلية، وهي مفيدة بصفة خاصة لرصد مواقع البناء، ورسم خرائط المستوطنات غير الرسمية، أو تحديث البيانات المزرية في المناطق السريعة التغير، بينما توفر الطائرات بدون طيار مرونة وتدني تكلفة التشغيل للمناطق الصغيرة، فإن وقت طيرانها المحدود والقيود التنظيمية التي تفرضها تجعلها مكملة بدلا من السواتل.

تطبيقات الاستشعار عن بعد في التخطيط الحضري وإدارة استخدام الأراضي

إن التطبيقات العملية للاستشعار عن بعد لرصد التفريغ الحضري وتغيير استخدام الأراضي واسعة النطاق، ونورد أدناه تفاصيل بعض الحالات الأكثر تأثيرا.

عدد مراتب النمو في المناطق الحضرية

ومن خلال مقارنة الصور الساتلية من فترات زمنية مختلفة - كثيرا ما تستخدم خوارزميات كشف التغيير أو مؤشرات الطيف مثل مؤشر بناء الفرق المطهر - يمكن للمخططين قياس معدل التوسع الحضري واتجاهه، وهذه المعلومات حاسمة في تحديث خرائط الحدائق، والتنبؤ بالاحتياجات المستقبلية للبنية التحتية، وتحديد المناطق المعرضة لخطر تطوير الممرات الزراعية المتطورة في دلهي.

Land-Use and Land-Cover Change Detection

ويتيح الاستشعار عن بعد تصنيفا دقيقا لعمليات الانتقال في استخدام الأراضي - من الغابات إلى الأراضي الزراعية، أو المزارع إلى المناطق الفرعية، أو الضواحي إلى المناطق التجارية الكثيفة، ويشرف على أساليب التصنيف غير الموصوفة المطبقة على الصور المتعددة المراحل، وينتج خرائط الغطاء الأرضي التي يمكن مقارنتها بعام كامل.

إن الكشف المبكر عن التغيرات في استخدام الأراضي - مثل إزالة الغابات غير المأذون به لأغراض الزراعة أو البناء غير المشروع - يساعد وكالات الإنفاذ على التدخل قبل وقوع ضرر لا رجعة فيه، وفي كثير من البلدان النامية، يشكل الاستشعار عن بعد الطريقة العملية الوحيدة لرصد الامتثال لاستخدام الأراضي عبر أقاليم شاسعة.

تخطيط الهياكل الأساسية والنقل

ومن الضروري توفير معلومات مستكملة عن البصمات المتطورة، وشبكات الطرق، والغطاء الأرضي لتخطيط الهياكل الأساسية، كما تستخدم نماذج سطحية رقمية مستمدة من طراز LiDAR (DSMs) لتحفيز خط الرؤية بالنسبة لأبراج الاتصالات السلكية واللاسلكية، ونماذج مخاطر الفيضانات، ووضع اللوحات الشمسية، وعلاوة على ذلك، تدعم بيانات الاستشعار عن بعد تخطيط النقل عن طريق تحليل أنماط ازدحام المرور عن طريق الاكتشاف الليلي للمركبات أو عن طريق رصد الصور المصورة العالية الاستبانة.

تقييم الأثر البيئي ورصد الفضاء الأخضر

(ب) إن الاستشعار عن بعد يساعد على تقييم أثر التنمية على النبات والأراضي الرطبة وممرات الحياة البرية، كما أن مؤشرات الغطاء النباتي مثل مؤشر الاختلاف المطهر (NDVI) المستمدة من البيانات المتعددة الأطياف تحدّد كمية التغيرات في الغطاء النباتي.

وعلاوة على ذلك، فإن الاستشعار عن بعد حيوي لرسم الخرائط وحفظ الأماكن الخضراء الحضرية - الحدائق والحدائق والاحتياطيات الطبيعية - وبرصد حجم هذه المناطق وصحة لها، يمكن للمخططين أن يكفلوا إمكانية الوصول المنصف إلى المرافق الخضراء ويحافظوا على خدمات النظم الإيكولوجية مثل استيعاب مياه العواصف وتنظيم درجات الحرارة.

إدارة مخاطر الكوارث والتخطيط للارتقاء بها

ومع توسع المدن إلى المناطق المعرضة للخطر (اللوحات المتناقلة، والمنحدرات المغلقة، والمناطق الساحلية)، يصبح الاستشعار عن بعد أداة رئيسية لتقييم المخاطر، وتتيح نماذج الارتفاع العالية الاستبانة من معهد ليدار أو الصور الساتلية الثابتة إمكانية محاكاة الفيضانات ورسم خرائط القابلية للتأثر بالزلازل، ويمكن أن يكتشف الفريق العامل أن استخدام الأراضي يزيد من مخاطر الفيضانات.

اكتشاف المستوطنات غير الرسمية وتحسين الأحياء الفقيرة

وكثيرا ما تفتقر المستوطنات غير الرسمية إلى السجلات الرسمية وتنمو بسرعة، ويوفر الاستشعار عن بعد وسيلة غير مقصودة لتحديد مدى انتشارها وكثافةها، كما أن السمات المورفية - أنماط الشوارع غير القانونية، والمناطق الصغيرة السطحية، والكثافة العالية للبناء - يمكن أن تُكتشف تلقائيا في صورة عالية الاستبانة (مثلا من السواتل العالمية في فايو أو جيويي) وتساعد هذه الخرائط الحكومات على تخصيص موارد للخدمات الأساسية مثل مشاريع الاستشعار عن بعد، مثل المياه والمرافق الصحية والكهرباء، ودعم نهج تجميع الأحياء الفقيرة.

التحديات والحدود المتعلقة بنُهج الاستشعار عن بعد

وعلى الرغم من مواطن القوة التي يتمتع بها الاستشعار عن بعد لا توجد قيود عليها، ويجب على الممارسين أن يبحروا في مجموعة من العقبات التقنية والتشغيلية.

حجم البيانات وتجهيزها

وتنتج البعثات الساتلية الحديثة بيانات مصغرة سنويا، وتحتاج عمليات تخزين هذه المجلدات وتحميلها وتجهيزها إلى بنية أساسية حاسوبية كبيرة، وفي حين أن منابر السحاب مثل شركة غوغل إينيت إينيين وشبكة الأمازون الشبكية قد خفضت الحواجز، فإن المحللين لا يزالون بحاجة إلى الخبرة في الكتابة (الجفافاسكوريبت، وبيثون، وراوغود)، وشكل البيانات الجغرافية المكانية.

تكاليف البيانات ذات الصلة بالحل الأعلى وإمكانية الوصول إليها

(أ) الصور الملتقطة عن طريق إزالة النفايات (30 متراً) من لادسات وسينتينيل متاحة بحرية، ولكن بالنسبة لرسم خرائط حضرية مفصلة - مثل التمييز بين المباني أو الطرق - بيانات عالية الاستبانة (الساعة 1 م) كثيراً ما تكون مطلوبة.

Accuracy and Validation

ولا يُعد تصنيف الاستشعار عن بعد دقيقاً بنسبة 100 في المائة، ويمكن أن تنشأ الأخطاء عن الارتباك الطيفي (مثلاً، عدم تصنيف التربة الخالصة على أنها مبنية)، والخلط بين المناظر الطبيعية المتباينة، والتدخل في الغلاف الجوي، وقد تكون بيانات الحقيقة الأرضية - الدراسات الاستقصائية الميدانية، ونقاط النظام العالمي لتحديد المواقع، أو الصور الجوية العالية الجودة - ضرورية لتدريب المصنفين والمصادقة على النتائج غير المتحققة.

الاحتياجات من الخبراء المتخصصين

ويستلزم استخدام الاستشعار عن بعد استخداما فعالا المهارات في تجهيز الصور، ونظم المعلومات الجغرافية، والإحصاءات، والمعرفة الخاصة بكل مجال في كثير من الأحيان، ويفتقر العديد من إدارات التخطيط في المدن إلى أخصائيين في الاستشعار عن بعد، مما يؤدي إلى نقص استخدام البيانات المتاحة.

القرار المكاني والتمهيدي

ولا توجد أجهزة استشعار واحدة بجميع أبعادها، فالحل المكاني المرتفع عادة ما يكون بتكلفة ضيقة في عرض المقايضة، وطول فترات إعادة النظر فيها، إذ تغطي أجهزة استشعار القرار الضئيلة مجالات كبيرة كثيراً ولكنها تفتقد إلى تفاصيل دقيقة، ويجب على المخططين أن يختاروا بعناية جهاز الاستشعار الذي يوازن بين المتطلبات المكانية والزمنية والمتطلبات الطيفية لتطبيقها المحدد، كما أن دمج البيانات - يجمع بين أجهزة الاستشعار المتعددة - هو ميدان بحثي يهدف إلى التخفيف من فعالية من حدة هذه المبادلات.

الاتجاهات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

ومستقبل الاستشعار عن بعد لأغراض الرصد الحضري مشرق، مدفوعاً بالتطورات التكنولوجية والأساليب التحليلية المبتكرة.

التعلم في مجال الآلات والتعلم في أعماق البحار

وقد أحدثت الشبكات العصبية الثورية وغيرها من هياكل التعلم العميق ثورة في تصنيف الصور وكشف الأجسام، ويمكن أن تؤدي نماذج أحدث الصور تلقائيا إلى رسم خرائط لبصمات البناء وشبكات الطرق وفئات استخدام الأراضي التي تقترب من تفسيرها على المستوى الإنساني، ويتيح التعلم في مجال النقل وضع نماذج مدربة مسبقا على تكييفها مع المقاييس الحضرية الإقليمية، مما يقلل من الحاجة إلى وجود مجموعات بيانات ضخمة تحمل علامات.

منصات جغرافية مكانية مجهزة على أساس كلوريد

ومنابر مثل غوغل إيلاند (GEE)، وحسابات مايكروسوفت الكوكبية، وشركة أمازون ساج ماكر الجغرافية المكانية قد أضفت طابعا ديمقراطيا على إمكانية الوصول إلى البيانات الساتلية وأدوات التجهيز، ويمكن للمستعملين إجراء تحليلات واسعة النطاق دون تحميل البيانات محليا، ويتيح الباحثون في الشبكة العالمية لدراسات الاستخدامات الحيوية في 40 مادة كيميائية.

البرمجيات الساتلية الصغيرة ورصد الوقت الحقيقي

إن ارتفاع عدد سواتل " كوبسات " وأجهزة السواتل الصغيرة - مثل أسطول بلانيت لبز (مئات من الـ 3U CubeSats) - يوفر اليوم صوراً لحل مشكلة النفايات تتراوح بين 3 و5 مليترات على الصعيد العالمي، وهذه القدرة على التفرغ القريبة من الزمن تحولت لرصد بيئات حضرية سريعة التغير، مثل ازدهار البناء أو آثار الكوارث، وعندما يقترن ذلك بتحديات متجانسة من حيث جودة اكتشاف التغيرات،

التكامل مع نظم المعلومات الجغرافية والتوائم الرقمية

وتدمج بيانات الاستشعار عن بعد بصورة متزايدة في قواعد بيانات نظم المعلومات الجغرافية البلدية والتوائم الرقمية الحضرية - نسخ دينامية من 3D للمدن التي تحاكي السيناريوهات - وتغذية صور ليدار و VHR في هذين التوأمين، مما يتيح للمخططين أن ينموذجوا أثر التطورات المقترحة على حركة المرور، والظل، واستخدام الطاقة، ومخاطر الفيضانات، وتشكل مبادرة اللجنة الأوروبية لتحديد مصيرهم، وسنغافورة مثالان بارزين على اتخاذ القرارات.

السلف في الاستشعار الهيدروجيني والحراري من الفضاء

وستتيح البعثات الساتلية الجديدة إمكانية الحصول على بيانات عن الفائقة الأطياف الحرارية، وستوفر هذه البيانات المتعلقة بكفاءة استخدام الطاقة الحرارية في إطار برنامج ناسا (البحث عن استخدام الدوافع المعدنية في الأرض) والبعثة المقبلة لرسم خرائط الطاقة في منطقة شرق أفريقيا (البعثة المعنية برسم الخرائط في مجال الطاقة الكميائية في المنطقة المحيطة بالبيئة) صورة إلكترونية يسهل الاطلاع عليها لرسم خرائط المواد الحضرية.

Citizen Science and Crowdsourced Validation

وللتغلب على تحديات التحقق من الأرض، تحفز بعض المشاريع على علوم المواطنين، وتتيح منابر مثل زونيراك للمتطوعين تصنيف الصور الساتلية للمناطق الحضرية - تحديد المباني أو الطرق أو أنواع استخدام الأراضي، وتضع بطاقات تعريفية مزودة بالموارد الرسمية، وتحسن مجموعات البيانات التدريبية الخاصة بنماذج التعلم الآلي، كما تؤدي جماعة " أوف ستريت ماب " دورا حيويا من خلال رقمنة المعالم الحضرية من الصور الساتلية، وخلق خرائط مجانية ومستكملة.

خاتمة

وقد تغيرت أساليب الاستشعار عن بعد بصورة أساسية عن كيفية رصد التغيرات في التفشي الحضري واستخدام الأراضي، فمن عدة الأطياف والليندرائيات إلى أجهزة الاستشعار بالرادار والحرارية، توفر مجموعة الأدوات المتاحة للمخططين والباحثين الذين لديهم بيانات ثرية ومتعددة الأبعاد عن النسيج الحضري المتطور، وتظهر التطبيقات في قياس التكتل الكمي، وكشف التحولات في الغطاء الأرضي، وتقييم الآثار البيئية، وتخطيط الهياكل الأساسية، وإدارة الكوارث.

ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات - حجم البيانات، وتعقيد التجهيز، وارتفاع تكاليف الاستبانة، والتحقق من الدقة، ونقص الخبرة - فتقريب الحواسيب السحابية، والتعلم الآلي، والسواتل الصغيرة، وسياسات البيانات المفتوحة، سيعالج بسرعة هذه الحواجز، ومع نضج هذه التكنولوجيات، سيصبح الاستشعار عن بعد أكثر تكاملا لخلق مدن مستدامة ومرنة ومنصفة.

وبالنسبة لأي شخص يعمل في التخطيط الحضري أو الجغرافيا أو العلوم البيئية أو السياسة العامة، فإن استخلاص أساسيات الاستشعار عن بعد لم يعد اختياريا - فمن الضروري أن تُعد القدرة على رؤية المدينة من أعلاه وقياس تحولها بمرور الوقت مزودة بالمعرفة اللازمة لإدارة النمو بحكمة والحفاظ على النظم الطبيعية التي تدعم الحياة الحضرية، ومستقبل الرصد الحضري ليس فقط حول أجهزة استشعار أفضل، بل أكثر تكاملا، تتحول إلى صور مُثلة.