مقدمة في علم الاستشعار عن بعد

مقدمة في علم الاستشعار عن بعد والصور الجوية

• تتناول المحاضرة الأولى مكونات نظام الاستشعار عن بعد.
• يتم تقديمها بواسطة د/ مروة فؤاد، مدرس الجغرافيا الطبيعية ونظم المعلومات الجغرافية والاستشعار عن بعد.

عناصر الموضوع

• تعريف علم الاستشعار عن بعد.
• تطور علم الاستشعار عن بعد.
• عناصر نظام الاستشعار عن بعد.
• تقنية الاستشعار عن بعد.
• آلية الاستشعار عن بعد.
• أجهزة الاستشعار عن بعد.
• تطور رسم الخرائط من الصور الجوية.

تعريف علم الاستشعار عن بعد

• يُعرف الاستشعار عن بعد (Remote Sensing) بأنه علم وفن جمع المعلومات عن ظاهرات سطح الأرض دون اتصال فعلي بها.
• تتضمن العملية استشعار وتسجيل الطاقة المنعكسة أو المنبعثة من ظاهرات سطح الأرض.
• تعتبر هذه العملية خطوة أولية لمعالجة وتحليل البيانات بهدف استخدامها في المجالات العلمية المختلفة.

تطور علم الاستشعار عن بعد: المرحلة الأولى (1860-1930)

• تميزت بقلة المادة العلمية وغياب التنظيم.
• شهدت اختراع آلة التصوير الفوتوغرافي واستخدام الحمام الزاجل والطائرات الورقية والبالون لنقل آلات التصوير.
• المهندس الفرنسي إيمي لويزيداه أول من أنتج الخرائط من الصور الجوية، حيث نجح في عام 1859 في التقاط صورة جوية لباريس من ارتفاع 80 متر.
• نجح الأمريكيون أيضًا في التقاط صورة جوية لمدينة بوسطن من ارتفاع 630 متر.
• اتسمت هذه المرحلة ببطء النمو المعرفي والتقني وامتدت لمدة 70 عامًا.
• تم التقاط صورة جوية لمدينة سان فرانسيسكو عام 1906 بعد الزلزال باستخدام طائرة ورقية لتقييم الأضرار.
• في عام 1909، تم التقاط أول صورة جوية من طائرة لمدينة سنتوسيللي الإيطالية، مما يمثل بداية تطور العلم في إيطاليا.
• في عام 1902، نجحت الولايات المتحدة في اختراع الطائرة على يد الأخوين رايت.
• في عام 1909، تم التقاط أول صورة جوية باستخدام الطائرة لمدينة بوسطن من ارتفاع 630 متر.
• بعد الحرب العالمية الثانية، زاد استخدام الصور الجوية وتطورت وسائل الاستشعار عن بعد، بما في ذلك وسائل الطيران والعدسات وأجهزة التصوير.

تطور علم الاستشعار عن بعد: المرحلة الثانية (1931-1944)

• تعتبر امتدادًا للمرحلة السابقة.
• شهدت نموًا سريعًا في مصادر ووسائل الحصول على البيانات وتضاعف عدد الدوريات العلمية.
• حدث تطور كبير في تقنية استخدام الصور الجوية، وظهرت مراكز ومعاهد علمية لتدريس هذا التخصص.
• في عام 1920، بدأ استخدام الصور الجوية في الأغراض السلمية، خاصة في التنقيب عن البترول في الولايات المتحدة.
• في عام 1940، ظهرت العديد من المؤلفات العلمية في مجلات تفسير وتحليل الصور الجوية في أوروبا وأمريكا.

تطور علم الاستشعار عن بعد: المرحلة الثالثة (1945-1960)

• استمر التطوير مع استمرار وحدات البحث العلمي.
• حدث انتشار أكاديمي واسع مع تنوع المؤسسات العلمية التي تدرس هذا المجال، حيث وصل عدد المعاهد والجامعات في الولايات المتحدة إلى 13.
• جرى وضع عناصر للمنهج العلمي بالاعتماد على التحليل الكمي والنوعي للصور الجوية.
• تم التركيز على العلاقة بين الإنسان والأرض من خلال التوسع في الدراسات الخاصة بالمدن وشبكات النقل واستخدام الأراضي والتخطيط العمراني ودراسة الصخور والتصريف المائي والطقس.
• تم إطلاق أول قمر صناعي لدراسة عناصر المناخ في عام 1960.

تطور علم الاستشعار عن بعد: المرحلة الرابعة (1960-حتى الآن)

• تميزت بتطور كبير في محتوى وتنظيم وأساليب الاستشعار عن بعد.
• ظهرت أجهزة جديدة محمولة على الطائرات والأقمار الصناعية تستخدم الاستشعار الحراري في الأشعة دون الحمراء واستشعار الموجات القصيرة جدًا.
• تطورت وسائل الاستشعار غير الفوتوغرافية، خاصة مع سلسلة رحلات الفضاء الأمريكية (لاندسات/أبوللو/جيميني/رحلات المكوك).
• استخدمت برامج الحاسب الآلي في تحليل الصور والمرئيات الفضائية.
• في عام 1972، تم إطلاق القمر الصناعي لاندسات للتصوير الجوي الفضائي لدراسة الظاهرات على سطح الأرض.
• يُعتبر هذا العام بداية ظهور علم الاستشعار عن بعد بمفهومه الحديث، وأصبح الآن على رأس العلوم التطبيقية في جميع دول العالم المتقدم والنامي.

عناصر نظام الاستشعار عن بعد

• تشمل مصدر للطاقة، ووسط انتقال للطاقة (الغلاف الجوي)، والمستشعر، والتفاعل مع الأهداف.

مصدر الطاقة أو مصدر الإضاءة (Energysoure):

• يعد الخطوة الأولى في عمليات الاستشعار عن بعد، ويوفر الإضاءة أو الطاقة الكهرومغناطيسية اللازمة.

وسط انتقال أو مرور للطاقة (الغلاف الجوي)

• تمر الطاقة من خلاله في طريقها إلى الظاهرات، وتتفاعل مع عناصره، وقد تنعكس أجزاء من طاقة الأهداف إلى أجهزة الاستشعار.

المستشعر (Sensos)

• هو جهاز يستقبل الأشعة الكهرومغناطيسية المنعكسة أو المنبعثة من الهدف المرصود.
• يحول الأشعة الكهرومغناطيسية إلى إشارة كهربائية ثم إلى رقم عددي.
• يقوم المستشعر باستقبال الإشعاع الكهرومغناطيسي من خلال مجموعة المسح والمجموعة الضوئية ثم يمرر الإشعاع عبر مجموعة الفصل الطيفي (المرشحات) لفصل كل نطاق مميز من الأشعة على حدة وتسجيله في مرئية فضائية مستقلة (نطاق Band).
• يمثل الإشعاع الكهرومغناطيسي في نطاق محدد من الأشعة المتنوعة (الأزرق، الأحمر، الأخضر) ثم تجمع وتخزن في ملف رقمي واحد.
• تتعدد الأجهزة المستخدمة لتشمل أجهزة ميكانيكية وإلكترونية لجمع البيانات عن الأجسام والظاهرات والمشاهد المصورة من مسافة معينة وتخزينها في وحدات خاصة.
• تعتمد فكرة عمل هذه الأجهزة على استخدام مصادر متنوعة من الطاقة مثل طاقة الضوء المرئي الذي ينقسم إلى ثلاثة أقسام حسب الطول الموجي: أشعة بنفسجية غير مرئية (0.01 - 0.35 ميكرون)، أشعة ضوئية مرئية (0.35 - 0.77 ميكرون)، أشعة تحت حمراء غير مرئية (7-1 ملم ميكرون).
• توجد بعض الأجهزة مثل الرادارات التي تستخدم الأشعة السينية، ولكنها أقل انتشارًا من الأجهزة التي تستخدم أشعة الضوء المرئي.

عملية التفاعل مع الأهداف

• خلال مرور الطاقة عبر الغلاف الجوي تتفاعل مع الظاهرات الجغرافية طبقًا لخصائص الأشعة والظاهرة.
• تشمل عوامل التفاعل: الخصائص المعدنية والكيميائية والحيوية للهدف، حجم وشكل ودرجة خشونة سطح الهدف، طول موجة الأشعة الساقطة وخصائصها.
• تؤثر هذه الخصائص في شدة انعكاس أو انبعاث أو تشتت الطاقة من الظاهرات إلى أجهزة الاستشعار البعيدة.

عملية الاستقبال والإرسال والمعالجة

• يتم تجميع وتسجيل الأشعة الكهرومغناطيسية بواسطة جهاز الاستشعار (Sensor).
• تحتاج الطاقة المسجلة بواسطة المستشعرات إلى إرسالها في صورة إلكترونية إلى محطات استقبال ومعالجة.
• تتم معاجة البيانات وتحويلها إلى مرئية رقمية وأحيانا ورقية.

عملية التفسير والتحليل

• تتم معالجة و تفسير المرئية إما بصريًا او رقميًا لاستخراج معلومات من الظاهرات التي تم استشعارها.

عملية التطبيق

• بعد التحليل والتفسير يمكن تحديد أفضل البيانات لاتخاذ القرارات و معالجة المشكلات المختصة بأي تطبيق.

تقنية الاستشعار عن بعد

• تعتمد على حمل أنواع متعددة من المستشعرات (Sensors) على منصة إلكترونية لتسجيل بيانات الظاهرات ودراستها وقياسها بشكل تفصيلي.
• تعتمد على أن جميع الظاهرات تشع وتعكس نسبة من الطاقة الكهرومغناطيسية تكون في شكل مجموعات طيفية متميزة تسمى (بصمات طيفية).

آليات وحدة الاستشعار عن بعد

• يتم جمع البيانات المتنوعة عن الظاهرة محل الدراسة عن طريق المستشعرات ثم إرسالها إلى محطات الاستقبال الأرضية.
• تتم معالجة أولية لهذه البيانات ثم تصحح نهائيًا.
• تحول البيانات إلى صور (مرئيات) ثم تفسر باستخدام أكثر من طريقة.
• يتم استخدام الصور (المرئيات) في إعداد بيانات دقيقة وخرائط متنوعة لدراسة الظاهرة.

المنصات الحاملة لأجهزة الاستشعار

• هي الآلة المثبت فيها جهاز الاستشعار عن بعد مثل الأقمار الصناعية والطائرات والبالون وتستخدم لرفع الأجهزة إلى ارتفاع محدد من سطح الأرض.
• المنصات الفضائية باهظة التكاليف وتتطلب تكنولوجيا متطورة.
• الأقمار الصناعية نوعان: نوع يتحرك في مسارات حول الأرض ونوع ثابت يتميز بالتواجد الدائم في موضع معين من سطح الأرض ويوفر ملاحظة دائمة ومستمرة لمساحة من سطح الأرض.

أجهزة استقبال البيانات-

• تتضمن هذه النوعية من الأجهزة أجهزة التصوير المتعددة والرادارات التي تنقل الأشعة , بالإضافة الي التلسكوبات الكبيرة و وظيفتها هي زيادة الدقة و وضوح الصورة المرسلة.
• وظيفة هذه الاجهزة جميعا هي استقبال الأشعة المنعكسة وتوجهها الي محطات الاستقبال الرادارية.

أجهزة تحديد المواقع (GPS)

• تستخدم لتحديد إحداثيات المناطق، منها جهاز (كونيا) الذي يتصل بـ 12 قمر صناعي في نفس الوقت.
• يفضل الاتصال بأربعة أقمار صناعية على الأقل للحصول على قراءات صحيحة.
• يصبح خط جرينتش هو خط الصفر للإحداثيات الطولية وخط الاستواء للإحداثيات العرضية ووحدة القياس هي المتر.

أجهزة تحليل ومعالجة البيانات

• تتضمن حاسب آلي بذاكرة كبيرة لتخزين ودراسة المرئيات الفضائية.

تطور رسم الخرائط باستخدام الصور الفضائية

• مقارنة بالخرائط القديمة، الصور الفضائية الحديثة ساهمت في تمييز أشكال الجبال والأقاليم الجغرافية بشكل أوضح.
• تم تصحيح أخطاء الخرائط القديمة باستخدام تقنية الاستشعار عن بعد والصور الفضائية في رسم خرائط حديثة عالية الدقة لتوزيع الغطاء النباتي والتربة واستخدامات الأراضي.
• في السبعينيات، قامت البرازيل بمسح جغرافي لحوض نهر الأمزون باستخدام الرادار المحمول جواً، ما أدى لاكتشاف نهر غير موجود في الخرائط السابقة وتحديد منطقة حشائش سافانا بدلاً من غابة.
• في عام 1982، استكمل المسح الجيولوجي وأنشئت قاعدة بيانات رقمية للمعلومات الخرائطية تحتوي على الخطوط والحدود والطرق والسكك الحديدية والأنهار والجداول وغيرها من الظاهرات الجغرافية.