Table of Contents
تطور عملية اقتناء البيانات المكانية
وتوفر نظم المعلومات الجغرافية إطاراً لاستخلاص البيانات المكانية وتخزينها وتحليلها وتخيصها في جميع الصناعات تقريباً، وتتوقف نوعية أي تحليل لنظام المعلومات الجغرافية مباشرة على نوعية ودقة البيانات الأساسية المصدرية، وقد شهدت الأساليب المستخدمة لجمع البيانات المكانية، خلال القرن الماضي، تحولاً عميقاً، من الدراسات الاستقصائية اليدوية المضنية إلى منابر معقدة للاستشعار عن بعد يمكن أن تستوعب ملايين نقاط القصور في البنية التحتية الحضرية.
ويبحث هذا الدليل كامل نطاق أساليب جمع البيانات في نظام المعلومات الجغرافية، بدءاً من الدراسات الاستقصائية الأرضية التقليدية التي لا غنى عنها للعمل العالي الدقة في التصوير بالطائرات الآلية الحديثة ونظم السواتل التي تتيح التغطية السريعة للمناطق الواسعة أو التي يتعذر الوصول إليها، وبمقارنة هذه التقنيات بمعايير رئيسية مثل الدقة، والتكاليف، والقدرة على التصعيد، والاحتياجات السوقية، ستكتسبون المعرفة اللازمة لوضع استراتيجيات فعالة لاقتناء البيانات لأي مهمة تحليل مكاني.
التقنيات التقليدية لجمع البيانات عن نظم المعلومات الجغرافية
وقبل ظهور مجموعات السواتل والمركبات الجوية غير المأهولة، اعتمد جمع البيانات المكانية على نحو حصري تقريبا على المراقبة والقياس المباشرين للبشر، واستخدم المسحون ورسم الخرائط والعلماء الميدانيون أدوات ميكانيكية وبصرية لتسجيل مواقع السمات الطبيعية والمبنية، وهذه الأساليب التقليدية، رغم كثافة اليد العاملة، وضعت المبادئ الأساسية للترسيم المكاني التي لا تزال تعتمد عليها التكنولوجيات الحديثة، ولا يزال العديد من هذه النهج يستخدمها حاليا بصورة نشطة، ولا سيما في التطبيقات التي تتطلبها معيارا مسبقا.
المسح الأرضي باستخدام محطات المجموع
وتشمل الدراسات الاستقصائية الأرضية السفر المادي إلى موقع ما واستخدام أدوات دقيقة لقياس الزوايا والمسافات والارتفاعات، أما المحطة الإجمالية التي تجمع بين مادة الدوليت الإلكترونية ومتر للمسافات الإلكترونية، فقد كانت مجموعة من المسحات المهنية للأراضي منذ عقود، حيث توجد محطة مسحية تضم المحطة بكاملها في نقطة مرجعية معروفة، ثم تُقيِّم الزوايا الأفقية والرأسية والمسافات المتخلفة إلى مجمِّع مطوّع.
وتُقدِّم الدراسات الاستقصائية الأرضية التي تستخدم محطات إجمالية أعلى درجة من الدقة المكانية لأية تقنية ميدانية واسعة النطاق، وهي الطريقة الموحدة لإنشاء شبكات للمراقبة، ورسم خرائط الحدود الكهرمائية، وتوثيق الظروف القائمة على البناء للمشاريع الهندسية، بيد أن هذه الطريقة تنطوي على قيود كبيرة، ويجب قياس كل نقطة على حدة، مما يجعل قياس المساحة الكبيرة غير عملي.
النظام العالمي لسواتل الملاحة (GNSS)
وقد قام النظام العالمي لتحديد المواقع وغيره من النظم العالمية لسواتل الملاحة بتحويل جمع البيانات الميدانية ابتداء من التسعينات، ويقوم جهاز استقبال للنظم العالمية لسواتل الملاحة بحساب موقعه بواسطة إشارات توقيت من مجموعة من السواتل المدارية، كما أن أجهزة استقبال مقياس الاستهلاك، مثل تلك الموجودة في الهواتف الذكية، تحقق تسارعا يتراوح بين 3 و 5 درجات قياسية.
ويمكن أن يعكس جمع البيانات الميدانية القائمة على النظم العالمية لسواتل الملاحة أسرع وأكثر مرونة من المسح الكلي للمحطة لأنه لا يتطلب خطاً للرؤية بين نقاط القياس، كما يمكن للمساحين أن يمشيوا أو يقودوا عبر موقع، ونقطة تسجيل، وخط، وخصائص البوليغون مباشرة إلى جهاز ممسك بالأقمار الصناعية أو برامجيات تشغيل نظام المعلومات الجغرافية، كما يمكن أن تُسجَّل خصائص مثل نوع السمية، وأجهزة المسح الأرضية في آنية في آن واحد.
تقليدي التصوير الفوتوغرافي الجوي والتصوير الفوتوغرافي
قبل أن تصبح الطائرات المأهولة متاحة، تحملت صوراً كبيرة وكاميرات رقمية لاحقة لالتقاط صور متداخلة لسطح الأرض، وقد استخدمت أجهزة التصوير المتدربة مشاهدات للصور الشمسية لتفسير هذه الصور وإخراج الملامح المصممة، وخطوط التموين، وبيانات الارتفاع، وكانت هذه العملية، المعروفة باسم القياسات اللاهوتية أو التحليلية، هي الطريقة الرئيسية لإنتاج الخرائط الطبوغرافية من أوائل عام 2000().
فالصور الجوية توفر نظرة متبادلة للمناطق الكبيرة، وتكشف عن أنماط وعلاقات يصعب تصورها من الأرض، ومحفوظات الصور الجوية التاريخية هي موارد لا تقدر بثمن لدراسة تغير استخدام الأراضي، والتحات الساحلي، والتنمية الحضرية على مدى عقود، وتشمل القيود المفروضة على التصوير الجوي التقليدي ارتفاع تكاليف الاحتياز في ساعة الطيران، والاعتماد على الطقس الجيد والنهار، والحاجة إلى خبرة متخصصة في تحويل الصور الناقصة إلى طبقة قابلة للتصوير.
تحديث البيانات الرقمية والاستشعار عن بعد
وقد أدى الانتقال من تكنولوجيا التناظر إلى التكنولوجيا الرقمية إلى توسيع نطاق الأدوات المتاحة لجمع بيانات نظام المعلومات الجغرافية بشكل كبير، وتوفر الآن منابر السواتل تغطية عالمية مع قياس فترات إعادة النظر في تلك الأوقات في حين تلتقط أجهزة الاستشعار المحمولة جوا معلومات طيفية تتجاوز الطيف المرئي، وهذه التقنيات الحديثة تتيح جمع البيانات على نطاقات وقرارات لا يمكن تصورها إلى أجيال سابقة من المهنيين الجغرافيين المكانيين، ويتحول المفرق الرئيسي من تسجيل نقاط القياس اليدوية.
منابر التصوير الساتلية
وتحتوي سواتل رصد الأرض على مجموعة متنوعة من أجهزة الاستشعار التي تلتقط البيانات عبر نطاقات متعددة من الطيفات، بما في ذلك الضوء المرئي، والأشعة تحت الحمراء القريبة من الحمراء، والأشعة تحت الحمراء الحرارية، وتوفر الجهات التجارية التي تقدم بيانات من قبيل ماكسار، ومختبرات الكوكب، والجو صوراً مع قرارات مكانية تتراوح بين 30 سنتيمتراً و3 مترات لمنتجات الطاقة الفضائية المتعددة الأطقم.
ولا غنى عن الصور الساتلية للتطبيقات التي تتطلب تغطية متكررة ومتسقة ومكثفة، فالرصد الزراعي يستخدم مؤشرات الغطاء النباتي المستمدة من السواتل مثل النيتسي (NDVI) لتقييم صحة المحاصيل عبر آلاف الهكتارات، ويحلل المخططون الحضريون الصور الساتلية لتحديد أسطح السواتل غير المزروعة، ويتتبعون المجرى المتسارع، ويحددون المستوطنات غير الرسمية.() وتعتمد أجهزة الاستجابة للكوارث على البيانات الساتلية لتقييم الأضرار التي تلحق بعد الزلازل والفيضانات وحلها
LiDAR: Light Detection and Ranging
وأصبحت تكنولوجيا الليدار هي المعيار الذهبي لاستقاء معلومات مفصلة من ثلاثة أبعاد عن التضاريس والنباتات والهياكل المبنية، حيث يُنتج نظام ليدار نبضات ليزرية سريعة نحو الأرض ويُقيس الوقت الذي يستغرقه كل نبض للعودة إلى جهاز الاستشعار، وذلك بدمج هذه القياسات المزودة بأرقام دقيقة من أجهزة تحديد المواقع الجغرافية وبيانات الملاحة غير المباشرة، التي يُعدها المكونون من ثلاثة أديان.
والقدرة الفريدة للرابطة هي قدرتها على اختراق أجهزة التنظيف النباتي، إذ أن عمليات العودة المتعددة من نبض الليزر الواحد تسجل أعلى مستوى للأجهزة الكهربائية، والفروع الوسيطة، وأخيرا السطح الأرضي، مما يتيح إنشاء نماذج عالية الاستبانة للتضاريس الرقمية حتى في المناطق الحرجية، مما يجعل من الضروري لجمع البيانات عن كمية الكبريتات المائية، وتقييم مخاطر المركبات الأرضية، وتقدير حجم الغابات
التصوير بالطائرة وجمع البيانات باستخدام المركبات غير المأخوذة من طراز UAV-Based
(أ) يمكن القول إن المركبات الجوية غير المأهولة، المعروفة عادة بالطائرات بدون طيار، كان لها أكبر أثر على إمكانية الوصول إلى البيانات المتعلقة بنظام المعلومات الجغرافية خلال العقد الماضي، إذ أن الطائرات المجهزة بكاميرات عالية الاستبانة، أو أجهزة الاستشعار المتعددة الأطياف، أو وحدات الأشعة الليدرونية الخفيفة ذات الوزن المنخفض يمكن نشرها بسرعة وتشغيلها على ارتفاعات منخفضة، مما ينتج صورا عالية الاستبانة وسحباً من أجل مواقع التجهيز الضوئية متوسطة الحجم.
ومن مزايا جمع البيانات على أساس الطائرات بدون طيار، ويمكن للطائرات العمودية الوصول إلى مناطق خطرة أو يتعذر الوصول إليها مثل المنحدرات الشديدة الانفجار، ومواقع البناء النشطة، ومناطق الكوارث دون مخاطر على السلامة البشرية، ويمكن الانتهاء من تخطيط الرحلات الجوية واقتناء البيانات لموقع ذي خمسين هكتارا في غضون ساعات قليلة، ويمكن أن يكون للرحلات الجوية المتعددة الأطقم التي ينتج عنها مسافة للكشف عن العينات العنيفة من 1 إلى 5 سنتيمترات.
وعلى الرغم من صلاحيتها، تواجه الطائرات بدون طيار قيودا تنظيمية وتشغيلية، إذ أن الحد الأقصى للطيران، والمناطق الخالية من الطيران، ومتطلبات خط البصر، حيث يمكن استخدام الطائرات بدون طيار وكيفية استخدامها، وعادة ما تقيد حياة البطاريات فترات الطيران إلى 20 إلى 40 دقيقة لكل بعثة، مما يتطلب وجود بطاريات متعددة للمواقع الأكبر، ويمكن أن تمنع الظروف الجوية، ولا سيما الرياح والتهطال، التشغيل الآمن.
أساليب جمع البيانات الناشئة والمختلطة
ومع استمرار تطور التكنولوجيا، بدأت تظهر أساليب جديدة تجمع بين نقاط القوة في النهج المتعددة أو تستغل مبادئ الاستشعار الجديدة، وهذه التقنيات الهجينة والناشئة تعد بزيادة توسيع إمكانيات جمع البيانات المكانية، ولا سيما في البيئات الصعبة أو التطبيقات المتخصصة.
نظم رسم الخرائط المتنقلة
وتدمج نظم مسح المركبات النظم العالمية لسواتل الملاحة ووحدات القياس غير المباشر وأجهزة المسح اللدائي للمركبات والكاميرات على منصة مركبات مثل سيارة أو قارب أو عربة للسكك الحديدية، ونظرا لأن المركبات تتجه على طول الطرق أو السكك الحديدية أو الطرق المائية، فإن النظام يجمع بيانات السحب المستمرة وصور البوليسترات ذات الأرقام العالية، وهي أكثر كفاءة بالنسبة لرسم خرائط الممرات، مثل هذه.
داخل المستودعات وتكنولوجيات حركة تحرير السودان
إن النظم التقليدية للنظم العالمية لسواتل الملاحة لا تعمل داخل المباني، وتخلق تحدياً لرسم خرائط لداخل المباني والأنفاق والألغام والكهوف، وتعالج تكنولوجيا التكوين المحلي والرسم الخرائطي في الوقت نفسه باستخدام أجهزة الاستشعار مثل 2D أو 3D LiDAR، أو كاميرات الأعماق، أو وحدات القياس غير الداخلي لبناء خريطة لبيئة مجهولة، مع تتبع نماذج السحب المثبتة في نفس الوقت داخل تلك الخريطة.
التقييم المقارن لتقنيات جمع البيانات
ويتطلب اختيار طريقة جمع البيانات المناسبة تحقيق التوازن بين عوامل متعددة تشمل الدقة، والنطاق، والتكلفة، وحسن التوقيت، والخصائص المحددة للسمات التي يجري رسمها، ويلخص الإطار التالي المفاضلات الرئيسية عبر التقنيات الرئيسية.
Accuracy vs. Coverage
وفي أحد أطراف الطيف، ستحقق الدراسات الاستقصائية الأرضية التي تستخدم محطات كاملة أو أجهزة الاستشعار التي تستخدمها أجهزة الاستشعار بواسطة الترددات العالمية درجة مئوية من المقياس أو حتى درجة المليمتر، ولكنها تقتصر على المناطق الصغيرة بسرعة جمع البيانات اليدوية، وفي النهاية المقابلة، يمكن أن تغطي الصور الساتلية والمجسات المحمولة جوا متوسطا آلاف الكيلومترات المربعة في عملية شراء واحدة، ولكنها عادة ما توفر درجة حرارة عالية من الدقة في المشاريع المميترة.
اعتبارات التكاليف
وتشمل التكلفة الإجمالية لمشروع جمع البيانات في نظام المعلومات الجغرافية اقتناء المعدات أو استئجارها، والوقت المتاح للموظفين الميدانيين، والنقل، وبرامجيات تجهيز البيانات، والمعدات، وضمان الجودة، وقد أصبحت الصور الساتلية في متناول الجميع، حيث لا تتوافر سوى بعض مجموعات البيانات التاريخية والمعتدلة، حيث لا تزال نظم العمل ذات النطاق المتوسط، مُبررة التكلفة، من نماذج الاستهلاك التي تُكلف بضعة آلاف من الدولارات إلى نظم المسح الصناعي تتجاوز خمسة وخمسين ألف دولار، ولكن تكلفة التشغيل لكل طائرة مُولدة هي عموما منخفضة.
القرار المكاني والتمهيدي
ويشير القرار المكاني إلى أصغر سمة يمكن تمييزها في البيانات، في حين يشير القرار الزمني إلى مدى إمكانية الحصول على البيانات في نفس المجال، وقد تكون العوارض والمسح الأرضي متفوقة في التسوية المكانية ولكنها تتطلب بعثات مخصصة لكل عملية اقتناء، وتمنح السواتل فترات إعادة نظر ثابتة تتراوح عادة بين يومية وشهرية حسب المجموعة، ولرصد تطبيقات مثل نمو المحاصيل أو التقدم في البناء أو الاستعادة البيئية، تكون أكثر اتساقا من القدرة على جمع البيانات المكانية.
إدماج مصادر البيانات المتعددة النتائج الشاملة
وفي الممارسة العملية، كثيرا ما تجمع أكثر استراتيجيات جمع البيانات المتعلقة بنظام المعلومات الجغرافية فعالية بين أسلوبين أو أكثر من التقنيات اللازمة لتعظيم قوة كل منهما، مع تعويض نقاط ضعفها الفردية، ويستخدم تدفق العمل المشترك الصور الساتلية أو الطراز الجوي الحالي للاستطلاع والتخطيط الأولي للمواقع، والرحلات الجوية بلا طيار لرسم خرائط تفصيلية لمجالات محددة ذات أهمية، والمسح الأرضي للنظم العالمية لسواتل الملاحة أو الدراسات الاستقصائية الكلية لمراكز المراقبة الأرضية والتحقق من السمات الحرجة.
فعلى سبيل المثال، يمكن أن تبدأ وكالة للنقل تضطلع بمشروع لتوسيع الطرق السريعة بتصوير السواتل لفهم سياق استخدام الأراضي على الصعيد الإقليمي وتحديد القيود البيئية المحتملة، ومن ثم تطير طائرة بدون طيار بالممر لإنتاج نموذج هندسي عالي الاستبانة للتضاريس والتضاريس الرقمية للتصميم الأولي، وستنشئ أطقم المسح نقاط مراقبة أرضية والتحقق من مواقع حدود الممتلكات، والوصلات ذات الصلة بالمرافق، وهياكل الصرف، وسيدمج التصميم النهائي جميع مصادر المعلومات النموذجية الثلاثة، مع نقاط المراقبة السطحية.
الاتجاهات المستقبلية في جمع بيانات نظام المعلومات الجغرافية
ولا تظهر سرعة الابتكار في جمع البيانات الجغرافية المكانية أي دلالة على التباطؤ، ومن المرجح أن تشكل عدة اتجاهات ناشئة الميدان على مدى السنوات القادمة، وأن يؤدي تقليل أجهزة الاستشعار إلى زيادة القدرة على وضع أدوات على منابر أصغر وأرخص، وأن تدمج الاستخبارات الفنية والتعلم الآلي مباشرة في أجهزة جمع البيانات الميدانية، مما يتيح الكشف عن السمات وتصنيفها في الوقت الحقيقي.
وبالنسبة للمهنيين الذين يدخلون ميدان نظام المعلومات الجغرافية، لم تعد المهارات الأساسية تُحفظ تشغيل أداة واحدة أو مجموعة برامجيات، بل إن القدرة على تقييم مدى ملاءمة مختلف أساليب جمع البيانات بالنسبة لمشكلة معينة، وتصميم تدفق فعال للعمل الاحتياز، وإدماج البيانات المستمدة من مصادر متعددة في إطار تحليلي متماسك، هي ما يميز الممارسين الفعالين، أما المبادئ الأساسية للدقة المكانية، والحجم، والارتقاء بالأخطاء، فهي ذات أهمية كما كانت عليه في أي وقت مضى، حتى مع تطور القدرات التقليدية.