الاستشعار عن بُعد هو العلم والفن الذي ُيستخدم للحصول على معلومات حول هدفٍ ما، أو منطقة أو ظاهرة معينة من خلال تحليل المعلومات التي حُصل عليها بواسطة جهاز استشعار لا يلامس هذه الأهداف المراد التحقق منهاLillesand and Kiefer, 1999). ) . وقد عُرفَ الاستشعار عن بُعد كمصدر معلومات مهم يُستخدم في تحديث الخرائط. والآن مع التقدم التقني الإلكتروني والثورة الكبرى للحاسب الآلي التي بدورها تساهم في معالجة الصور الفضائية أصبح تحديث الخرائط أمراً سهلاً وممكناً، خصوصاً أن الصور الفضائية تُخزن رقمياً Digital وبذلك تكون سهلة المعالجة والتخزين والاستعادة وعرض المعلومات.
و قبل أن نخوض في تحديث الخرائط سنعطي نبذة مختصرة عن تاريخ الاستشعار عن بُعد ومفهومه.
1- تاريخ الاستشعار عن بُعد:
تاريخ الاستشعار عن بُعد Remote Sensing بدأ مع ابتكار التصوير الفوتوغرافي (التصوير الضوئي) عام 1839م. وفي بداية عام 1840م أيد مدير المرصد الفرنسي في باريس استخدام التصوير الفوتوغرافي للمسح الطبوغرافي Topographic Surveying ومن ذلك الوقت ازدهر التصوير الفوتوغرافي بواسطة استخدام البالون والطائرات الورقية في ذلك الوقت التي كانت تُستخدم في الحصول على الصور الجوية وذللك تقريباً عام 1882م. وكان أشهر المصورين الذين استخدموا تلك الأشياء الأمريكي لورنس Lawrence الذي علق كاميرات ضخمة لالتقاط صور جوية فوق المدن. وفي عام 1903م ابتكرت الطائرة على يد الإخوين رايت (right) ولم تستخدم الكاميرات عليها إلا في عام 1909م في رحلة قام بها الأخوان رايت في إيطاليا. وبعد ذلك مع نشوب الحرب العالمية الاولى أصبحت الصور الجوية شيئاً أساسياً للاستطلاع الجوي العسكري. ولكن التقدم الكبير في التصوير الجوي Aerial Photography وتفسير الصور الجوية photo-interpretation أتى مع بداية الحرب العالمية الثانية والتطور العسكري في ذلك الوقت. ونظراً للحاجة المُلحة لمعلوماتٍ أفضل اخترعت نظم جديدة بدلاً من الكاميرات المستخدمة في الطائرات ألا وهي الماسحات الإلكترونية الضوئية electronic scanning وهذه النظم هي المستخدمة حاليا في الأقمار الصناعية.
وقد ظهر مصطلح الاستشعار عن بُعد في عام 1960م على يد بعض الجغرافيين من مكتب البحوث البحرية الأمريكي Cracknell and Hayes, 1991 وفي نفس العام أطلقت الولايات المتحدة الأمريكية القمر الصناعي TIROS (Television Infrared Observational Satellite) وهو خاص بالأحوال الجوية، ومن ذلك الوقت استخدم مصطلح الاستشعار عن بُعد في البحوث العلمية وقد ازداد ذكره يوماً بعد يوم في التطبيقات العسكرية والمدنية. ومراقبة الأرض لاتزال تتطور بشكل سريع مع صنع وسائل استشعار متقدمة وأيضاً إرسال الأقمار الصناعية الجديدة في الفضاء كل عام. ولمزيد من التفاصيل عن تاريخ الاستشعار عن بُعد وتطور مراحله تاريخياً راجع ( العنقري، 1986).
2- مفهوم الاستشعار عن بُعد:
مجرد أن تسمع بمصطلح الاستشعار عن بُعد فإن أول سؤال يتبادر للذهن هو ماذا يعني هذا المصطلح؟ وعلى الرغم من تعريفه في بداية هذا المقال إلا أنه يجب التوضيح أكثر لفهمه فإن الجواب هو أن الله سبحانه وتعالى أعطانا نعمة البصر التي نستخدمها بشكل يومي وذلك برؤية الأشياء التي ينعكس منها الضوء وهو المصدر الرئيسي للرؤيا كما أثبت ذلك العالم المسلم أبو علي الحسن بن الهيثم المتوفى عام 431هـ "وبذلك يعتبر هو أول من قال بأن الرؤية تحصل من انبعاث الأشعة من الجسم إلى العين التي تخترقها الأشعة فترتسم على الشبكية وينتقل الأثر من الشبكية إلى الدماغ بواسطة عصب الرؤية فتحصل الصورة المرئية للجسم، وبهذا أبطل النظرية اليونانية القائلة بأن الرؤية تحصل من انبعاث شعاع ضوئي من العين إلى الجسم المرئي"(فُريدة، 1990م).
ونعود لمصطلح الاستشعار عن بُعد الذي يعتمد اعتماداً كليا على الأشعة الكهرومغناطيسية المنعكسة من ضوء الشمس أو أي ضوء صناعي آخر فمثلاً وأنت ترى شاشة حاسبك الآلي فإنك فعلياً تستخدم الاستشعار عن بُعد .
إن كمية الضوء المنبعث من تلك الشاشة يعتبر مصدراً للإشعاعات المنعكسة للعين، وبذلك فإن الأشعة المنعكسة تمر خلال المسافة بين شاشة الحاسب الآلي والعين وبهذا فأنت في نطاق استخدام الاستشعار عن بُعد بوسيلة استشعار عن بُعد طبيعية الا وهي عيناك التي ترى شاشة الحاسب. فكل عين ترسل إشارة للمعالج وهو الدماغ الذي بدوره يسجل المعلومات ويحللها وبالتالي تعطيك الصورة النهائية لما ترى فعلياً.
فكرة الاستشعار عن بُعد إذاً أتت من نفس الفكرة السابقة وذلك بصنع أجهزة استشعار sensors تعمل عمل العين في التقاط الصور بواسطة الأشعة المنعكسة من الضوء وهذه تسمى أجهزة استشعار سالبة Passive sensors) أو بواسطة أجهزة استشعار موجبة Active sensors ترسل وتستقبل الأشعة المُنتجة إلا أن العين لا تستطيع أن ترى إلا في النطاق المرئي Visible Band أما الأشعة الأخرى مثل الأشعة فوق البنفسجية وتحت الحمراء وغيرها, فهناك أجهزة استشعار خاصة تستخدم لالتقاط هذة الموجات التي لا يستطيع الإنسان رؤيتها.
عملية الاستشعار عن بُعد تتضمن التفاعل بين الأشعة من المصدر الاشعاعي والهدف الذي يستقبل هذة الأشعة وهذة ممثلة بواسطة استخدام النظام التصويري التي تتضمن سبعة عناصر مع الملاحظة أن الاستشعار عن بُعد ايضاً يتضمن اجهزة استشعار تطلق الموجات الإشعاعية وتستخدم النظام غير التصويري. أما العناصر السبعة كما ذكرها(Lillesand and Kiefer 1999 ) فهي كما يلي:
(1) مصدر الطاقة أو الضوء (A)
(2) تولد الاشعة خلال الغلاف الجويB))
(3) التفاعل مع الهدفC))
(4) تسجيل الطاقة بواسطة المتحسس (جهاز الاستشعار) D))
(5)الاستقبال ومعالجة المعلومات E) )
(6) تفسير وتحليل المعلومات F))
(7) التطبيق G))
هذه العناصر السبعة هي التي تشتمل على مراحل الاستشعار عن بُعد من البداية إلى النهاية.
وبعد هذا الشرح المبسط والمختصر عن الاستشعار عن بُعد نأتي الى استخداماته التي تشتمل على الكثير من التطبيقات ومنها التخطيط العمراني، والاستخدامات العسكرية من عمليات الاستطلاع والاستخبارات وتسيير الحملات وأشياء أخرى ، وأيضاً تطبيقات الاستشعار عن بُعد والتطبيقات البيئية والمائية وتحديث الخرائط الطبوغرافية التي نفصلها بعد قليل.
3- استخدام الاستشعار عن بُعد في تحديث الخرائط الطبوغرافية:
أصبحت الحاجة للخرائط الطبوغرافية في الدول النامية ضرورية جداً وتهتم بها كثير من مراكز البحوث وذلك لأن المختصين والمخططين من أصحاب القرار في قطاع الدولة يحتاجون لتحديث الخرائط الطبوغرافية من أجل التخطيط لإنشاء شبكة المواصلات من طرق سريعةHighways وغيرها وأيضاً لتطوير المصادر الطبيعية وحماية ومراقبة البيئة وكذلك لقطاع السياحة. وتبقى الخرائط الطبوغرافية وسيلة ضرورية ومهمة للدوائر الحكومية والبحوث العلمية والقطاعات الصناعية وايضا مهمة للقطاع العسكري في المهمات السلمية لأغراض التدريب أو في حالة الحروب أوالإرهاب.
المشكلة التي تواجه المختصين هي كيفية تحديث الخرائط الطبوغرافية في الدول الكبيرة من حيث المساحة أو الدول التي تتطور بسرعة لأنها تحتاج إلى الكثير من الوقت والجهد والمال. والمملكة العربية السعودية إحدى هذه الدول لاسيما أن حوالي 85% من الخرائط الطبوغرافية ذات المقاييس 25,000:1 و50,000:1 و100,000:1 غير محدثة وإن وجدت فتكون لمناطق محدودة.
الهدف من تحديث الخرائط هو إضافة التغيُّرات الجديدة في المنطقة لكي تساعد المخططين في أعمالهم. وبالطبع فإن تحديثها باستمرار بالطرق التقليدية يعتبر مهمة مستحيلة وتتطلب مصادر معلومات كبيرة أكثر من العادة وحتى أيضاً في استخدام وسائل التخريط الحديثة في الدول المتقدمة، فالكثير من الدول النامية شُغلها الشاغل هو كيفية تغطية مناطِقها بالخرائط الطبوغرافية. ومع التقدم العلمي أصبح تحديث الخرائط له أولوية ومهماً جداً وبذلك تغيرت الطرق والتقنية في تحديث الخرائط الطبوغرافية وغيرها فقد كانت في السابق تستخدم الطرق التقليدية وكان الوضع يتطلب وقتاً طويلاً وأموالاً طائلة لذلك أتت فكرة الاستعانة بالاستشعار عن بُعد في تحديث الخرائط وفي بعض الأحيان قد يتعدى الى إنتاج هذه الخرائط.
ومنذ أن توافرت صور الأقمار الصناعية فإن هناك دولاً حاولت أن تستخدم هذة التقنية في تحديث الخرائط الطبوغرافية، ومثل هذه الاستخدامات بدأت باستخدام صور الأقمار الصناعية متعددة الأطياف ومتعددة درجات الوضوح خلال العشرين سنة الماضية .
وتوافر مصادر المعلومات من الأقمار الصناعية مثل (لاندسات وسبوت وغيرهما) قد أعطى فوائد كثيرة لتحديث الخرائط الطبوغرافية. فمثلاً استُخدم لاندسات LANDSAT (TM) لتحديث خرائط طبوغرافية بمقياس 1: مليون في أستراليا Payne. et al 1984).) وهناك أيضاً المعهد الجغرافي الوطني الفرنسي الذي استخدم سبوت SPOT في تحديث خرائط ذات مقياس 100,000:1 و250,000:1Planques, 1984) ) وهناك تجربة في دولة السودان استخدم فيها صور فضائية مختلفة مثل Landsat MSS, RBV and TM sensors, (the MOMS Scanner) لتحديث خرائط طبوغرافية ذات مقياس 100,000:1 (Petrie and El Niweiri, 1992). واستخدمت الصور الفضائية للقمر الصناعي ( SPOT XS (20 m في دولة أوغندة لتحديث الخرائط الطبوغرافية ذات المقياس 50,000:1Petrie, 1997). ) أيضا هناك معهد المسح الأرضي القومي في السويد والشركة السويدية للفضاء قاموا بعمل مشترك باستخدام صور القمر الصناعي SPOT في تحديث الخرائط الطبوغرافية ذات المقياس 50,000:1 (Malmstrom and Engbreg,1992). وهناك تجارب أخرى لبلدان كثيرة لايسعنا ذكرها الآن ولكن نتناول فيما يلي إحداها بالتفصيل وهي عن مدينة الدمام في المملكة العربية السعودية.
3- 1 مشروع تحديث الخريطة الطبوغرافية لمدينة الدمام:
في هذا المشروع تم تحديث الخريطة الطبوغرافية لمدينة الدمام 1982 المجتمع وذلك باستخدام تقنية الاستشعار عن بعد (Alshammari, 2000) بإستخدام صور الأقمار الصناعية التالية:
1- صورة القمر الصناعي الفرنسي سبوت 1999م (ابيض واسود) SPOT Panchromatic (PAN) image ودرجة الوضوح 10 أمتار.
2- صورة القمر الصناعي الفرنسي أكسس 1999م (متعدد الأطياف) SPOT XS spectral resolution images ودرجة الوضوح 20 متراً.
قبل أن أبدأ في شرح الطريقة التي استخدمت في هذه الدراسة يجب أن أعطي القارئ معلومات من الواجب معرفتها لفهم بعض الخطوات التي سأوردها. جميع الصور السابقة قد صححت هندسياً ويكون هناك مرجع إحداثي واحد Coordinate Systems ويكون هذا المرجع هو صورة القمر الصناعي سبوت المصحح بواسطة مدينة الملك عبد العزيز التقنية - معهد علوم الفضاء وذلك بأخذ نقاط الضبط الأرضي Ground Control Points (GCPS) وسبب تصحيح هذه الصور يرجع الى أنها تدمج مع بعضها لاستفادة من إضافة الصور ذات الأطياف المتعددة التي درجة وضوحها غير عالية الى الصور الأبيض والأسود ذات درجة الوضوح العالية لكي يستفاد من الوضوح والألوان التي تبرز المعلومات بشكل أوضح وهذا الدمج يسمى Data Fusion Techniques.
الطريقة المستخدمة في تحديث خريطة الدمام
أول هذه الخطوات تحويل الخريطة الطبوغرافية مقياس 50,000:1 من الحالة الورقيةHardcopy الى الحالة الرقمية Digital Form لكي يسهل بعد ذلك التعامل معها وبالطبع يجب أن يأخذ في عين الاعتبار درجة الوضوح التي لاتقل عن 250 نقطة في البوصة. وبعد ذلك تصحح الخريطة هندسيا وتكون بنفس نظام الاحداثيات الجغرافية للصور السابقة.
وبعد ان تكون الصور في نظام إحداثي واحد فإنه من السهل العمل على استخلاص او اضافة معلومات لها. فبعد الخطوة الاولى وهي التصحيح الهندسي بمرجع واحد فإن الخطوة الثانية هي دمج الصور مع بعضها البعض لكي يستفاد من التعدد الطيفي الوضوح، وطبعا هناك عمليات رياضية معقدة لها فهناك طرق كثيرة مثل Brovey HPF, and IHS لايمكن شرحها الآن. ونأتي الى دمج الصور مع بعضها البعض وهو صورة القمر الصناعي سبوت ابيض واسود ودرجة الوضوح 10 أمتار، و صورة القمر الصناعي ايضا سبوت ولكن متعدد الأطياف وبدرجة وضوح 20 متراً، فإن الصورتين قد دمجتا مع بعضهما البعض وبذلك فإن استخلاص المعلومات وإمكانية معرفة الظواهر الطبيعية والبشرية اصبح سهلا و ممكناً. وبعد جاهزية الصور الفضائية تاريخ 1999م تركب الخريطة الطبوغرافية الرقمية 1982م على هذه الصور ومن ثم تصبح اضافة المعلومات الجديدة الى الخريطة اكثر سهولة بالتحليل النظري للصور ويشتمل على الظواهلر الطبوغرافية مثل اليابسة والطرق والمناطق العمرانية والمباني المنفردة والسكك الحديدية وغيرها وسوف نتكلم عنها في القسم القادم.
الظواهر الطبوغرافية
- اليابسة Landform
بما أن مدينة الدمام تعتبر العاصمة البترولية للمملكة العربية السعودية ومركز الثقل الاقتصادي فإن التغيرات تعتبر تغيرات كبيرة على اليابسة وعلى حساب السواحل البحرية في الردم المستمر لها واستخدامها للمشاريع السكنية والتجارية وقد ساعد في ذلك الردم ضحالة المياه خصوصا في الخليج العربي.
- شبكة الطرق:
شبكة الطرق تشمل الطرق المعبدة والسكك الحديدية. وجميع هذه الظواهر استخلصت من صور الأقمار الصناعية مباشرة باستخدام أدوات الطبقات الخطية المتوافرة في برنامج MapInfo في هذا البرنامج يعطيك الفرصة لكي تتبع الطرق والخطوط الأخرى وتحولها الى خريطة مصورة وبعد أن أعطينا بعض التغيرات التي حصلت في أجزاء من المنطقة المراد تحديثها فإن الخطوة الأخيرة هي إنتاج الخريطة النهائية.
- الخاتمة
هذا المقال أعطى فكرة شاملة عن كيفية الاستفادة من صور الأقمار الصناعية لتحديث الخرائط الطبوغرافية من دون صرف الأموال الطائلة والجهد والوقت. ولكن هذه الطريقة تحتاج الى محترفين في تطبيقها وأن يكون لدية الخبرة الكافية في التعامل مع صور الأقمار الصناعية وأن يكون لديه أيضا المعرفة في معالجة هذة الصور. ولا نُغفل الأشياء الاخرى من الطابعات والماسحات الضوئية الكبيرة والبرامج المناسبة التي لها دور كبير في تحديث الخرائط. كذلك هناك فكرة يجب ذكرها وهي تصميم قمر صناعي لإنتاج الخرائط، كما ذكر العميد الدكتور عبد العزيز العبيداء في أطروحة الدكتوراه (العبيداء 1993) وعلى الرغم من التكاليف الباهظة في إنشائه إلا أنه مفيد جداً في المستقبل البعيد لإنتاج الخرائط على مستوى المملكة العربية السعودية ومن المنتظر ان تبادر مدينة الملك عبدالعزيز التقنية إلى تبني هذا الموضوع.
أما بالنسبة للاستفادة من الاستشعار عن بُعد في الحرس الوطني فما أقترحه هو أن يكون هناك وحدة استشعار عن بُعد ونظم معلومات جغرافية مستقلة تتبع إحدى الهيئات في الحرس الوطني متعاونة مع الجهات الحكومية الأخرى، لكي يتسنى لمتخذي القرار في الحرس الوطني جميع الوسائل لاتخاذ القرار المناسب في الوقت المناسب وبالتالي يكون الحرس الوطني قد أنشأ وحدة تساند جميع وحداته في تدريباتها او المهمات الخاصة لها. وبهذه الوحدة نستطيع أن نحول كل الخرائط الورقية الى خرائط رقمية تواكب العصر الحديث وبالتالي يكون تحديثها سهلاً وايضا استخدام الصور سواء كانت ضوئية (الصور الجوية) او فضائية في استخدامات أخرى كالاستغناء عن الطاولة الرملية او المصنوعة من الفلين بالطرق التقليدية وعمل نموذج تضاريسي رقمي ثلاثي الأبعاد Digital Terrain Models لشرح العمليات العسكرية يمكن عرضه بواسطة الحاسب الآلي وكذلك تحديد المواقع الجغرافية رقمياً وايضا تفسير الصور الجوية والفضائية للأغراض الاستخبارية. بل قد يتعدى استخدام الاستشعار عن بُعد الى متابعة العربات او القوافل العسكرية من مكتبك الخاص عن طريق الأقمار الصناعية GPS Vehicle Tracking وتحديد المواقع وأماكن التوقف او يستخدم للدوريات الأمنية ومتابعة حركتها وقتياً وتوجيهها الى اماكن اخرى حسبما يتطلبه الموقف.
المراجع العربية:
- العنقري، خالد محمد: (1986) - الاستشعار عن بُعد وتطبيقاته في الدراسات المكانية- دار المريخ للنشر- الرياض.
- العبيداء، عبدالعزيز إبراهيم: (1993) - تصميم قمر صناعي لإنتاج الخرائط آنياً للمملكة العربية السعودية - رسالة دكتوراه - جامعة أوهايو - الولايات المتحدة الأمريكية.
- فُريدة، إسماعيل: (1990) - الصور الجوية تفسيرها وتطبيقاتها - مكتبة الفلاح للنشر والتوزيع - الكويت.
المراجع الأجنبية:
- Alshammari, S., (2000), Updating of Topographic Map using Satellite Imagery in Saudi Arabia, MSc. Thesis , University of Dundee, Scotland, UK.- Cracknell A. P. and Hayes L. W. B., (1991), Introduction to remote sensing, Taylor Francis London.Lillesand, T. M. Kiefer, R.W. (1999), Remote Sensing and Image Interpretation. Wiley, New York.- Malmstrom B., and Engberg A., (1992), Evaluation of SPOT data for topographic map revision at the National Land Survey of Sweden. Presented at the ISPRS Conference, Washington, D.C. USA.- Payne, J. and Lawler, P. (1984), Revision of 11 Million scale topographic maps using satellite imagery, Technical Papers of the 12th Conference of the International Cartographic Association, Perth, Australia, Vol. 2 of 2 pp 13-20.- Petrie, G. (1997), The current situation in Africa regarding topographic mapping and map revision from satellite images, ITC J 1997-1, pp 49-63.- Petrie, G. and El Niweiri, A.E.H., (1992), The Applicability of Space Imagery to the Small Scale Topographic Mapping of Developing Countries A Case Study - The Sudan, ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 47-1, pp 1-42. - Planques, P. (1984), Map Revision using SPOT Imagery, Technical Papers of the 12th Conference of the International Cartographic Association, Perth, Australia 1984, vol. 2 of 2 pp 41-42.
(*) مدارس الحرس الوطني العسكرية
المصدر : http://haras.naseej.com