تقنيات مبتكرة لتحليل التربة والتضاريس للمساحين

تطور التربة وتحليل الأراضي في مجال المسح الزراعي

وقد ظل مسح الأراضي منذ فترة طويلة الأساس للهندسة المدنية والزراعة والإدارة البيئية، ولكن الأساليب المستخدمة لتقييم التربة والتضاريس شهدت تحولا عميقا على مدى العقدين الماضيين، وقد اعتمدت التقنيات التقليدية اعتمادا كبيرا على القياسات الميدانية اليدوية، وأخذ العينات الأساسية للتربة، والتفسير البصري لخرائط الموكولات، وفي حين أن هذه النُهج تخدم أغراضها، فإنها تستهلك الوقت، وتقتصر على التغطية المكانية، وكثيرا ما تفتقر إلى الوسائل المبتكرة اللازمة للتخطيط للهياكل الأساسية الحديثة.

وقد أدى التحول نحو تدفقات العمل الرقمية والآلية إلى إحراز تقدم في تكنولوجيا الاستشعار، والطاقة الحاسوبية، وخوارزميات تجهيز البيانات، حيث أن منابر الاستشعار عن بعد، والنظم القائمة على الطائرات بدون طيار، والأدوات الجيوفيزيائية الأرضية التي تستخدم في الرصد الأرضي توفر الآن للمساحين بيانات دون سطحية وسطحية في قرارات لا يمكن تصورها إلا قبل عقد من الزمن، وهذا التطور لا يعزز نوعية تقييمات المواقع الحيوية فحسب، بل يتيح أيضا تحقيق نتائج تنبؤية.

تكنولوجيا تحليل التربة المقطعية

وقد تجاوز تحليل التربة الحديث إلى حد بعيد اختبارات الفرز اليدوي والحصى المختبرية في الماضي، واليوم، يمكن للمساحين أن يميزوا تركيبة التربة، ومحتويات الرطوبة، والارتداد، والخصائص الكيميائية على مساحات واسعة تستخدم مجموعة من التكنولوجيات المتطورة، وهذه الأدوات تتيح الحصول على البيانات بسرعة، وتقليص الحاجة إلى أخذ عينات أرضية واسعة النطاق، وتوفر تغطية مكانية مستمرة، كما أن هناك بعض الابتكارات الأكثر تأثيراً في تحليل التربة.

الاستشعار عن بعد والتصوير الساتلي

الاستشعار عن بعد أصبح حجر الزاوية في تحليل التربة في المناطق الكبيرة أجهزة الاستشعار عن بُعد فضائي مثل تلك التي على متن سواتل ناسا لاندسات وبعثات الاستشعار التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية تقدم صورا متعددة الأطياف و فائقة الأطياف يمكن معالجتها لتلفزيون التربة، على سبيل المثال، فرق التأمل عن طريق الطيف تستخدم لرسم خرائط المواد العضوية في التربة، وأجهزة قياس المعادن، والمقاييس.

وتسمح مجموعات السواتل التجارية الحديثة، مثل تلك التي تشغلها مختبرات ماكسار وبلانت، بتقديم صور دون مقاسات للتحلية تتيح التحديد التفصيلي لحدود التربة وملامح التحات، ويمكن للمساحين أن يتفوقوا على هذه الصورة ببيانات نظام المعلومات الجغرافية القائمة لتحديد المجالات التي تتطلب إجراء تحقيق ميداني محدد الأهداف.

التصوير المتعدد الأطياف والهيبروفي

وقد أحدثت المركبات الجوية غير المأهولة، المعروفة عادة بالطائرات بدون طيار، ثورة في طريقة استخلاص المقصات لبيانات التربة على النطاق الميداني، حيث تجهز بكاميرات متعددة الأطياف تلتقط الضوء في عدة مجموعات ضيقة (بما في ذلك ما يقرب من الشدة والزفير)، ويمكن للطائرات بدون طيار أن تخلق خرائط صحية مفصلة للغاية للتربة، وتكشف هذه الخرائط عن تغيرات في المواد العضوية والتربة، وتبدأ عمليات التطهير، وتُعدُّدُع على سبيل المثال.

(ب) أن تُعزز هذه القدرة من خلال تمكينها من تحديد المعادن والملوثات ومكونات التربة المحددة، على الرغم من أن هذه التكنولوجيا لا تزال آخذة في الظهور لأغراض المسح التجاري، فإن إمكاناتها في مجال الزراعة الدقيقة وتقييم المواقع البيئية هائلة، كما أن استخدام الطائرات الآلية يتيح إجراء دراسات استقصائية متكررة بتكلفة منخفضة، مما يتيح رصد أفضل الممارسات المتبعة في مجال تآكل التربة على مدى الزمن.

الأساليب الجيوفيزيائية: توجيه الرادار والكهرباء

وفي حين أن أجهزة الاستشعار البصرية لا تلتقط سوى السطح، فإن التقنيات الجيوفيزيائية تسمح للمستقصين باستكشاف السطح دون السطح دون الحفر، وتصدر رادارات النثر الأرضي موجات إذاعية عالية التردد تعكس الأجسام المدفونة وطبقات التربة، وتنتج مساحات شاملة لعدة قطاعات من الأرض، ويفيد نظام رصد الأرض بشكل خاص في الكشف عن عمق الصخور، وتحديد المرافق الجوفية، وتحديد أنواع التباين في كثافة التربة.

وتقيس أدوات [الإي إم آي] للتسرب الكهربائي للتربة، التي تتأثر بشدة بمحتوى الطين والرطوبة والملوحة ودرجة الحرارة، ويمكن أن ترسم الدراسات الاستقصائية لنظم المعلومات البيئية بسرعة أنماطاً مكانية من نسيج التربة وارتباطها، وتساعد المساحين على تحديد مناطق إدارة التربة لأغراض الزراعة أو البناء، وبالنسبة لعمليات رسم خرائط أو عمليات تقييم الحقول البنيّة، يمكن أن تكتشف بيانات غير متجانسة وكميات المحتوية على المعادن.

أجهزة مختبر محمولة: نموذج الإبلاغ الموحد ونسخة من نظام الإبلاغ الموحد

وبالإضافة إلى رسم الخرائط الميدانية، أدت الابتكارات في الأدوات التحليلية المحمولة إلى تغيير بروتوكولات أخذ العينات من التربة، كما أن تحليلات الأشعة السينية المحمولة تتيح للمساحين قياس التركيبة الأولية للتربة في الموقع في غضون ثوان، وهذه القدرة قيمة للغاية لتحديد التلوث المعدني الثقيل في التقييمات البيئية والتحقق من ملاءمة التربة للمواد المحتوية على مواد مشغلة هيكلية، كما أن عينات من عينات التربة ذات المحتوى العضوي القريب من الأعباء.

وهذه الأدوات تؤدي إلى الحد من التأخير والتكاليف المرتبطة بإرسال العينات إلى المختبرات خارج الموقع، غير أن دقتها تتوقف على التماثل السليم مع المعايير المحددة للمواقع، وقد اعتمد العديد من المساحين الآن نهجاً هجيناً: استخدام أدوات محمولة للفحص في الوقت الحقيقي وأخذ عينات محددة الهدف، ثم تقديم مجموعة فرعية من العينات لتحليل مختبرات مؤكدة، وتضع هذه الاستراتيجية في الاعتبار كلاً من الوقت والميزانية، مع الحفاظ على جودة البيانات.

تقنيات تحليل التضاريس المتقدمة

ولم يعد تحليل التضاريس يقتصر على تفسير خطوط المخروط على الخرائط الورقية أو زوايا المنحدرات من ارتفاعات البقعة، حيث يستخدم المساحون الحديثون مجموعة متنوعة من تقنيات الحيازة والنمذجة الرقمية التي تنتج تمثيلا ثريا من ثلاثة أبعاد لسطح الأرض، وتدعم هذه المنتجات التحليلات المتطورة لأنماط الصرف، والقابلية للتأثر بالأراضي، والأجزاء ذات الأثر المتقطع والموجودة حاليا.

LiDAR Technology: From Pulses to Point Clouds

وقد أصبح مؤشر ليدار (الكشف عن الشحنات والارتفاع) معياراً ذهبياً لرسم الخرائط الطبوغرافية العالية الاستبانة، ومجسات ليدار المحمولة جواً مثبتة على طائرات أو طائرات بدون طيار، وأجهزة لازر تعمل بالمعدلات التي تتجاوز مليون وحدة في الثانية، وبقيام الوقت الذي يستغرقه كل نبض للعودة من الأرض أو النباتات أو الهياكل، يولد النظام سحابة عمودية مكثفة من ثلاثة أراضية.

(ج) إنَّ المسح الأرضي للمسح المغناطيسي المُعدَّ بثلاثة أضعاف - يُقدِّم أيضاً حلاً أعلى للدراسات الاستقصائية المحلية، مثل وجوه المحار، ومواقع الحفر، أو السمات الأثرية.() ويمكن أن تخترق مؤسسة " ليدار " (Pahymetric LiDAR) التي تستخدم الليزر المُتَغَرَبَر، بصورة منهجية، المياه الضحلة لرسم خرائط الأنهار والمناطق الساحلية.

القيمة الحقيقية لـ (ليدار) تكمن في المنتجات المشتقّة التي يمكن أن تُنشأ من غيوم النقط، على سبيل المثال، خرائط المنحدرات المستمدة من جهاز دتشال يمكن أن تُبرز المناطق المعرضة لخطر التآكل أو الفشل في المنحدر، نماذج (هيلشاد) تعزز تصور الموائل والنباتات، نماذج ارتفاع الكينوبي، التي يتم الحصول عليها عن طريق جذب أجهزة الصراف الآلي من النموذج الرقمي للسطح

نماذج الرفع الرقمية ومشتقاتها

نماذج الارتفاع الرقمي هي العمود الفقري للتحليل الكمي للأراضي، حيث توجد شبكة متنامية تخزن فيها كل خلية قيمة ارتفاع، ومن هذه القاعدة، يمكن للمساحين أن يحسبوا ثراء البارامترات المستمدّة: التدرج المائي، الجانب (التوجه)، الفضول (الثغرة أو التكافل)، ومؤشر الرطوبة الطوبوغرافية، ومسارات تراكم التدفق.

فعلى سبيل المثال، تجمع مبادرة " توايل " بين المناطق المتبرعة بالمنحدرات والمناطق المارة بالتدفقات للتنبؤ بمناطق تربة التربة؛ وهذا أمر حاسم بالنسبة لتصميم نظم الصرف وتحديد الحدود البرية الرطبة، ويساعد تحليل التقلبات على اكتشاف منحدرات متجانسة تركز فيها تدفقات المياه، وهو أمر له أهمية بالنسبة لمراقبة التحات ومواءمة الطرق، بينما يؤثر حل هذه المادة تأثيرا مباشرا على دقة هذه الحسابات.

كما يجب على المستكشفين أن ينظروا في نوعية نظم الإدارة البيئية من حيث الدقة الرأسية ووجود القطع الأثرية (مثل المسامير أو الحفر أو الضوضاء الناتجة عن النباتات) وهناك العديد من مجموعات البرامجيات الحديثة مثل نظام المعلومات الإدارية المتكامل، وأدوات التحليل الخاصة بالأراضي، تشمل الخوارزميات اللازمة لتسلية وتعبئة البواليع المثبتة من أجل إنتاج مقاييس متطورة على نطاق واسع.

InSAR: Interferometric Synthetic Aperture Radar for Ground Deformation

وفي حين أن شركة ليدار تقدم رسما بيانيا مقطعا، فإن شركة إنسار (Interferometric Synthetic Aperture Radar) توفر وسيلة لقياس التغيرات الخفية في سطح الأرض مع مرور الوقت باستخدام دقيق المقياس، وتستخدم شبكة الرصد الساتلية التابعة لسواتل " إنسار " أزواجا من الصور الرادارية التي تم الحصول عليها في أوقات مختلفة لقياس الفرق في المرحلة بين إشارات العودة، وهذا الفرق، عندما يتم تجهيزه، يكشف عن التشريد السطحي الناجم عن وجود هياكل أساسية،

(أ) استخدام تقنيات " إنسار " الدائمة كتقنيات مثبتة (مثل المباني والتجاوزات الصخرية) لتحقيق مقاييس التشوه في الكثافة المكانية على مدى فترات طويلة، وتُستخدم التكنولوجيا بشكل متزايد في المناطق الحضرية لرصد المستوطنات الأرضية بسبب استخراج المياه الجوفية أو أعمال الأنفاق.() ويمكن للمساحين أن يدمجوا خرائط السرقات الجوية ذات المستويات الدنيا مع نماذج قياسية تقليدية أو مثبتة للنظم العالمية لسواتل.

تعليم الآلات للتصنيف الآلي للتضارير

وقد أوجد تآكل البيانات المتعلقة بالأرض العالية الاستبانة حاجة إلى أساليب تفسير آلية، إذ إن التعلم الماكني - لا سيما التعلم العميق مع الشبكات العصبية المولدة للثورة - يجري الآن تطبيقه لتصنيف صور الترسبات من نظم الإدارة البيئية والاستشعار عن بعد، ويمكن تدريب شبكة CNN على مجموعة بيانات مسمّاة من السمات المعروفة (مثلاً، جميع أنواع الغبار.

في الممارسة العملية، يستخدم المساحون التصنيفات التي تستخدمها حركة التحرير لإنتاج خرائط جيومورفيولوجية تسترشد بها التحقيقات الميدانية، مثلاً، يمكن للخوارزمية أن تجهز جهازاً مدمجاً مستمداً من مادة الـ (ليدار) لتصنيف الـ (دي.دي.إ.إ) ليرسم تلقائياً إخفاقات المنحدرات، وشبكات الغالي، والهز، وتغذي هذه النواتج مباشرة في تقييمات مخاطر التحلل التربة.

تعزيز التكامل وتدفق العمل

كل تقنية من التكنولوجيات المذكورة أعلاه تقدم مزايا كبيرة لكن قوتها الحقيقية تتحقق عندما تدمج في تدفق عمل رقمي متماسك، وعادة ما تجمع المساحات الحديثة بين بيانات حساسية التربة، وسحبات لنقطة ليدار، وصور الطائرات بدون طيار، وبيانات السواتل ضمن نظام معلومات جغرافي أو منصة قائمة على الغيوم، مما يتيح تداخل المعلومات وإنشاء خرائط شاملة للمواقع.

على سبيل المثال، يمكن للمساحين المجهزين بأجهزة استقبال مصفحة يدوية ومطيافات جهاز المراقبة الوطنية أن يتدفقوا مباشرة إلى لوحة سحابية حيث يتم صبغهم بالأجهزة الآلية والسجلات التاريخية، هذا البث المباشر للبيانات يسمح لمديري المشاريع باتخاذ قرارات بشأن الأطقم الميدانية التي تقوم على توجيه الطيران إلى مناطق الاهتمام أو تحديث نماذج الـ 3D التي تكون مفتوحة أمام منابر جديدة للتكامل دون السطحي.

وقد أدى اعتماد نماذج المعلومات المتعلقة بالبناء في الهندسة المدنية إلى زيادة الحانة المتعلقة بمعايير البيانات الجغرافية المكانية، ويجب على المساحين الآن أن يقدموا بيانات عن التربة والأرض في أشكال تتوافق مع أدوات الترخيص الخاصة بشركة BIM (مثلاً، 3D، بينتلي للصناديق المفتوحة) ولا يتطلب ذلك قياساً دقيقاً فحسب وإنما أيضاً توزيعاً: قطع الثقوب، ومدونات التربة، ونتائج اختبارات الضمادات().

الفوائد العملية والتوجيهات المستقبلية

ويحقق اعتماد تقنيات مبتكرة لتحليل التربة والتضاريس فوائد ملموسة عبر قطاعات متعددة، وفي مجال البناء، تؤدي عمليات حساب الحجم الدقيق القائمة على الدي آر إلى خفض تجاوزات التكاليف الناجمة عن سوء تقدير التربة، وفي الزراعة، يمكن تفريق التربة بواسطة الطائرات بدون طيار من التخصيب الدقيق، وقطع تكاليف المدخلات، والحد من المضاربة البيئية، وبالنسبة للإدارة البيئية، يقدم الفريق الحكومي الدولي المعني بتغير المناخ، ووكالة الطاقة الأوروبية الكشف المبكر عن عدم الاستقرار والتلوث في الأرض، وحماية المجتمعات المحلية والنظم الإيكولوجية.

كما أن هذه الأساليب تحسن السلامة بتقليل عدد المستكشفين الزمنيين الذين يجب أن يقضوا في بيئات خطرة - سواء كانت منحدرات شديدة، أو حركة المرور الثقيلة، أو المواقع الصناعية الملوثة، وبدلا من أن يمشى أحد الشبكات، يمكن للمساحين أن يطيروا بطائرة بدون طيار أو يجهزوا بيانات ساتلية من المكتب، وكثيرا ما تكون نوعية البيانات أعلى لأنها توفر تغطية مستمرة بدلا من عينات من نقاط متضاربة، وعلاوة على ذلك، تصبح الدراسات الاستقصائية المتكررة ممكنة اقتصاديا، مما يتيح رصد العمليات الدينامية مثل التحات التربة أو تغيرات الزمن.

وفي انتظار ذلك، ستستمر عدة اتجاهات في تشكيل الميدان، فالاستخبارات الفنية لتفسير البيانات المستقل تتقدم بسرعة، ويمكننا أن نتوقع أن نرى نماذج من مؤشرات التنفيذ التي لا يمكن تصنيفها فقط، بل أيضاً التنبؤ بخواص التربة من مدخلات متعددة الاستشعار دون أي قياس ميداني، بدلاً من ذلك عن تقديم بيانات تدريبية من بيئات مماثلة، كما أن شبكات رصد التضاريس في الوقت الحقيقي، تجمع بين أجهزة مسح ثابتة للدمغ، ومحطات الرقمية، والهيكل الأساسي للسواتل، والسواتل الأساسية ذات الاصدار،

وأخيرا، فإن إضفاء الطابع الديمقراطي على تكنولوجيا الاستشعار وسياسات البيانات المفتوحة سيقلل من الحواجز أمام الدخول، إذ أن الطائرات الآلية ذات السطوانات المنخفضة التكلفة التي تستخدمها أجهزة السطو العاملة على الشاشة، وأجهزة التحكم في استهلاكها، التي تستخدم كاميرات متعددة الأطياف، والصور الساتلية المجانية المستمدة من برامج مثل كوبرنيكوس تتيح بالفعل إمكانية الوصول إلى التحليلات المتقدمة للشركات الصغيرة والوكالات العامة، كما أن المستقصين المهنيين الذين يتبنىون هذه الأدوات سيكونون مؤهلين بشكل جيد لتوفير أفكار وخدمات استشارية ذات قيمة أعلى تتجاوز رسم الخرائط التقليدية.

وبالنسبة لمن يسعون إلى المزيد من القراءة، يقوم الاتحاد الدولي للمساحين ]FLT:0[ بنشر تقارير واسعة عن الابتكارات في تكنولوجيا الدراسات الاستقصائية، كما يقوم ] European Journal of Environmental and Engineering Geophysics بانتظام بإصدار دراسات حالة عن طرق متقدمة لتحليل التربة والتضاريس، ولا تعد مواصلة دراسة هذه التطورات ذات جودة اختيارية.