مقدمة: الفيو من أ فوق

وقد حولت الصور الساتلية بشكل أساسي قدرتنا على مراقبة وفهم أجساد المياه الأرضية - الأنهار والمحيطات - من نقطة التخريب المئات من الكيلومترات فوق السطح - توفر هذه الملاحظات بيانات قيمة لرصد التغيرات البيئية، وإدارة موارد المياه العذبة، والاستجابة بفعالية للكوارث الطبيعية مثل الفيضانات، والجفاف، والعواصف الساحلية.

أنواع الأجسام المائية في التصوير الساتلي

وتظهر أجسام المياه على الأرض في أشكال ومقاييس متنوعة، وتظهر كل منها خصائص فريدة عندما تلتقطها أجهزة الاستشعار الساتلية، وتقدم هذه أجهزة الاستشعار قرارات مكانية تتراوح بين عشرات القياسات (مثلا، لادسات عند 30 مترا، وسينتيل-2 في 10 متر) وعدة مئات من المتر (مثلا، MODIS في 250 إلى 500 متر).

البحيرات

وتُغلق البحيرات أو تُغلق أحواض تحتوي على مياه طازجة أو مياه ملوحة، وفي الصور الساتلية، تبدو البحيرات عموماً وكأنها ] متجانسة ومظلمة عبر نطاقات واضحة وشبه خاضعة للأشعة لأن المياه تستوعب بشدة الإشعاع الشمسي، ولا سيما ما وراء الموجات الخضراء، وتميل حدود البحيرات إلى التفاوت نسبياً على مدى الزمن القصير.

Large lakes, such as the Great Lakes] in North America, are easily discernible even in coarse-resolution imagery, while numerous smaller lakes - like the thousands of glacial lakes scattered across the Tibetan Plateau-require higher spatial resolution sensors such as Sentinel-2 for accurate mapping. Additionally, some saspect

الأنهار

والأنهار عادة ما تكون متتالية أو أجسام مائية مُضللة تشكل شبكات الصرف المتشعبة عبر المناظر الطبيعية، ويعزز تحديدها شكلها الطويل والتناقض الصارخ بين المياه والأراضي المتاخمة أو النباتات، وينشأ التعقيد الوفائي من القنوات المُضبَّلة، والمقصّرات، وملامح الفيضانات التي تتباين وفقاً للظروف الهيدرولوجيولوجية.

ويمكن للصور الساتلية أن تكشف ليس فقط عن القنوات النهرية الرئيسية بل أيضا عن المجاري المائية الشمولية والأراضي الرطبة الموسمية المرتبطة بنظام النهر، وفي المناطق القاحلة وشبه القاحلة، قد تكون أنهار المياه الجافة المعروفة باسم " واديس " مخطوءة في المياه ما لم يتم تحليل الصور الزمنية المتعددة لالتقاط أحداث التدفق، وعلاوة على ذلك، كثيرا ما تهاجر الأنهار النشطة في وقت لاحق، مما يؤدي إلى تآكل المصارف وتوريد عمليات الحافظة.

المحيطات والمياه الساحلية

وتغطي المحيطات حوالي 71 في المائة من سطح الأرض وتتميز بتوسعات واسعة ومستمرة من المياه، وفي الصور الساتلية، يبدو المحيط المفتوح مظلما في نطاقات النقل البري الوطني بسبب الامتصاص القوي، ولكنه يظهر كؤوس مختلفة في إطارات مرئية ناجمة عن عوامل مثل تركيز الكلوروفيل، والرواسب المعلّقة، وعُمق الماء .

وتطرح المناطق الساحلية تحديات إضافية بسبب المياه الضحلة، والأنماط المركبة للموجات، وتأثيرات المد والجزر، والخلائط المختلطة التي تتعايش فيها الأرض والمياه في إطار جهاز استشعار واحد، وتزيد أجهزة الاستشعار العالية للاستشعار الإشعاعي مثل سيتينيل - 2 (مع بيانات من عيار 12) من القدرة على التمييز بين الاختلافات الخفية في لون المياه، والمساعدة في تطبيقات مثل رسم خرائط الشعاب المرجانية، وتتبع سباك الزيت من تصريف الأنهار، والكشف عن تسربة الضارة.

أساليب تحديد هيئات المياه

ويستخدم علماء الاستشعار عن بعد مجموعة من تقنيات التعلم من الطيف والإحصاء والآلات لتمييز المياه عن الأراضي والنباتات والمناطق المبنية وغيرها من السمات، والمبدأ الأساسي الذي تقوم عليه هذه الأساليب هو أن المياه تمتلك توقيعاً متمايزاً: فهي تعكس بقوة في الموجات الزرقاء والخضرة المرئية ولكنها تستوعب بشدة في نطاقات الفصل القريبة من الشفرة وسلاسل الموجات القصيرة الأجل (SWspect-I)().

التوقيعات ومؤشرات المياه

The most widely utilized approach involves calculating water indices that exploit spectral differences between bands. Normalized Difference Water Index (NDWI) is a traditional example, defined as:

NDWI = (Green — NIR) / (Green + NIR)]

وتنتج المياه عادة قيماً إيجابية عن الظواهر غير الضارة، في حين أن التربة والنباتات تولد قيماً سلبية أو شبه صفرية، غير أن هذه المادة قد تكون أقل فعالية في المناطق الحضرية أو المناطق المظللة، ومن أجل تعزيز الأداء، فإن مؤشر المياه المتغيرة المطبعية (MNDWI) يحل محل الظل الذي بنيت عليه فرقة البحث والتطوير الوطني، ويقلل من الأسطح المزيفة.

وثمة مؤشر آخر، هو [(FLT:0]]) الرقم القياسي للإيرادات المائية المحسوبة (AWEI) ]، يتضمن مجموعات متعددة من الأطياف للتقليل إلى أدنى حد من أخطاء اللجان، ولا سيما في المناظر المعرضة للظل والمعقدة. وتوجد نسخ مختلفة من هذه المعلومات، مثل AWEI sh (مُصوَّبة للكشف عن الظل).

وتشمل منتجات كثيرة من البيانات الساتلية، مثل USGS Landsat Collection 2 surface reflectance products]، مؤشرات المياه الحاسبية المسبقة، وتيسير رسم خرائط سريعة لمدى المياه، وهذه المؤشرات توفر خطوة أولى مباشرة وفعالة من الناحية الحسابية في تحديد هوية الأجسام المائية.

تعلم المزيد عن جمع بيانات لاندسات 2 منتجاً ]

الاحتفاظ بالتصنيف

وبعد حساب مؤشر المياه، يطبق تصنيف ثنائي باختيار عتبة مناسبة للتمييز بين المياه والبكازات غير المائية. فالعتبات الثابتة )مثلا، NDWI ⁇ 0.0( تعمل جيدا على إيجاد أجسام للمياه واضحة ومفتوحة ولكنها كثيرا ما تفشل في ظروف مائية مطهرة أو ضحلة، وتقنيات العتبة التكيفية، مثل طريقة أوتسو، وصورات التحلل التي تحدد أفضل مشهد.

(ج) استخدام نماذج تدريبية لتعيين مختلطات في فئات المياه أو الأراضي استناداً إلى الخصائص المفتقرة إلى نوع (FLT:1]) و أجهزة ناقلات الدعم [FLT:]، وذلك لإدراج خصائص إضافية مثل الدقة في النص، والسياق المكاني، والزمن.

التعلم في مجال الآلات والتعلم في أعماق البحار

وقد أدت عمليات التقدم في مجال التعلم الآلي والتعلم العميق إلى تعزيز قدرات رسم خرائط جسم المياه إلى حد كبير، ويمكن للشبكات العصبية الثورية وتركيب أجهزة الترميز مثل U-Net أن تتعلم أنماطاً مكانية معقدة وعلاقات غريبة مباشرة من مجموعات البيانات الكبيرة المسمّاة، وهذه النماذج تتفوق على معالجة البكازات المختلطة والظل والتلوث بالسحاب والتعقيد.

فعلى سبيل المثال، يقوم مركز البحوث المشترك التابع للمفوضية الأوروبية بدمج خوارزميات التعلم الآلاتي بقواعد الخبراء لرسم خرائط عالمية للمياه السطحية في 30 متراً من عام 1984 إلى الوقت الحاضر، وهذه المجموعة من البيانات تمكن المستعملين من تحليل ديناميات هيئات المياه على مدى عقود، ودعم تغير المناخ والدراسات الهيدرولوجية.

Explore the Global Surface Water dataset.]

التحديات المشتركة واستراتيجيات التخفيف

وفي حين يوفر الاستشعار عن بعد أدوات قوية لكشف الأجسام المائية، فإن عدة تحديات يمكن أن تقلل من الدقة وتعقّد التفسير، ففهم هذه التحديات يمكّن الباحثين والممارسين من اختيار أجهزة الاستشعار المناسبة، وتقنيات المعالجة، واستراتيجيات التثبت.

Coud Cover and Shadows

وكثيرا ما تحجب السحابات وظلها سطح الأرض في صور السواتل البصرية، مما يجعل أجساد المياه غير مرئية أو يسبب الارتباك بسبب البقع المظلمة، وتؤدي هذه العقبات إلى تثبيط سلبيات (المياه المفقودة) و إلى إيجابيات كمادة.

وتشمل استراتيجيات التخفيف ما يلي:

  • (ج) استخدام بيانات الرادار ذي الفتحة الاصطناعية، التي يمكن أن تخترق السحابات وتوفر معلومات سطحية بصرف النظر عن الطقس.
  • الجمع بين الصور الزمنية المتعددة لسد الثغرات التي تسببها الغيوم، وذلك غالباً من خلال تقنيات تجميعية أو تحليل للسلاسل الزمنية.
  • Applying cloud and shadow masks like the Fmask] algorithm to exclude contaminated pixels prior to classification.

The Sentinel-1 SAR mission] plays a critical role in flood mapping and water body detection in persistently cloudy regions by providing all-weather, day-and-night imaging capabilities.

المياه المزروعة والملاحة

وقد تغيرت السمات الطينية لجثث المياه التي تتركز تركيزاً كبيراً من الرواسب المعلّقة أو البلوز أو المادة العضوية المذوبة، مثلاً، فإن أعمدة النهر الغنية بالرواسب تعكس أكثر في نطاقات أجهزة تقرير الجرد الوطنية، مما أدى إلى انخفاض قيم النيتروز إلى أدنى من العتبات المائية النموذجية، مما أدى إلى سوء تصنيف الأراضي.

ولمعالجة هذا الأمر، تستخدم مؤشرات متخصصة تُعنى بالاضطرابات، مثل AWEI sh]، أو منهجيات متعددة زمنيات تُستشف من ظروف واضحة التزلج خلال فترات منخفضة التدفق، وبالإضافة إلى ذلك، يمكن للمصنفين الخاضعين للإشراف الذين يتلقون تدريبا على عينات المياه الممثلة محليا أن يتكيفوا مع مختلف الخصائص البصرية في مختلف هيئات المياه.

الثلج والنواة

إن سطح متجمد مثل الجليد البحري والثلج البحري والمناطق المغطى بالثلوج تتضخم بقوة في نطاقات مرئية وناقلة، مما يتسبب في تماثل أسطح الأرض أو أكياس السحاب وارتباك الأرقام القياسية للمياه، وعادة ما يكون للثلج والثلج انعكاسات عالية عبر عدة مجموعات، خلافاً للماء السائل الذي يستوعب بقوة في تقرير الجرد الوطني.

ويتطلب تفريق الجليد من المياه مصادر بيانات إضافية مثل الصور الحرارية ذات الحمراء (حيث يبدو الجليد بارداً) أو بيانات التتبع اللاحق (حيث يظهر الجليد توقيعات مميزة على التقريب) ] أجهزة استشعار الموجات الدقيقة ] مثل AMSR2 توفر معلومات قيمة لرصد الجليد البحري الواسع النطاق نظراً لحساسيتها إزاء الخصائص الجليدية بصرف النظر عن الغطاء السحابي.

مختلطين من طراز Pixels و Sub-Pixel Water

وكثيرا ما تلتقط أجهزة الاستشعار عن طريق الاستبانة المكانية (مثلا، MODIS التي تحتوي على 250-500 متر مكعب) أكاذيب مختلطة تحتوي على مزيج من المياه أو الأراضي أو النباتات أو المناطق المبنية، ولا يكفي التصنيف الثنائي المبسط في هذه الحالات، مما يؤدي إلى التقليل من حجم المياه، ولا سيما بالنسبة للأنهار الضيقة أو البركود الصغيرة أو الأراضي الرطبة المجزأة.

Spectral unmixing] techniques decompose mixed pixels into fractional covers of constituent materials, allowing estimation of water proportion within each pixel. While higher resolution sensors like Landsat and Sentinel-2 reduce mixed pixel effects, challenges persist along complex shorelines and in heterogeneous wetland environments.

الديناميكية المؤقتة

فالجثثث المائية دينامية بطبيعتها، متأثرة بالفيضانات الموسمية، وعمليات الخزان، وتقلبات التهطال، ودورات المد والجزر، ولا تلتقط صورة ساتلية واحدة سوى صورة مؤقتة، قد لا تمثل ظروفا نموذجية.

تحليل السلسلة الزمنية على مدى سنوات متعددة، مثل Landsat-based water recurrence] products, quantify the frequency and duration of water presence, distinguishing permanent lakes from ephemeral wetlands and floodplains. These temporal datasets are crucial for understanding hydrological regimes, managing water resources, and assessing climate change impacts.

تطبيقات كشف هيئة المياه الساتلية

(ج) تحديد ورصد دقيقين لأجهزة المياه من الفضاء، وهو ما يشكل أساساً لطائفة واسعة من البحوث العلمية، والإدارة البيئية، وصنع القرارات التنفيذية، وتسلط الفروع التالية الضوء على مجالات التطبيقات الرئيسية بأمثلة توضيحية.

الرصد الهيدرولوجي وإدارة الموارد المائية

Mapping the spatial extent of lakes, reservoirs, and rivers over time enables water resource managers to monitor storage changes) and plan for droughts or water shortages. For example, Landsat imagery has been instrumental in tracking dramatic water level declines in the Colorado River basin’s

(ب) يتيح الجمع بين بيانات المناطق السطحية وقياسات التأشيرات الساتلية من بعثات مثل Sentinel-3] أو ]ICESat-2] تقدير التغيرات في الحجم عبر آلاف البحيرات في جميع أنحاء العالم، مع المساعدة في تقييمات توافر المياه العذبة ورصد صحة النظم الإيكولوجية.

رسم خرائط الفيضانات والاستجابة للكوارث

وأثناء أحداث الفيضانات، تؤدي الصور الساتلية - لا سيما من أجهزة الاستشعار التابعة لوكالة الفضاء لمنطقة البحيرات الكبرى - إلى إجراء تقييمات سريعة ودقيقة لمدى التوحيد، ودعم جهود الاستجابة والإنعاش في حالات الطوارئ، وتقوم وكالات مثل دائرة إدارة حالات الطوارئ في كوبرنيكوس، ]] بتنسيق المهام الساتلية وتقديم خرائط الفيضانات في غضون ساعات إلى المناطق المتضررة.

كما تدعم محفوظات السواتل التاريخية تحديد المناطق المعرضة للفيضانات، وتسترشد في تخطيط استخدام الأراضي وتصميم الهياكل الأساسية للحد من الضعف، ويعزز تكامل البيانات الساتلية مع النماذج الهيدرولوجيا قدرات التنبؤ بالفيضانات.

Visit the Copernicus Emergency Management Service website.]

Climate Change Studies

وتكشف السجلات المستمدة من السواتل لأجهزة المياه عن مؤشرات حرجة لتغير المناخ، فعلى سبيل المثال، توسعت البحيرات الجليدية ] كمحطة للزراعة الجليدية، مما يزيد من خطر فيضان البحيرات الجليدية، وفي مناطق القطب الشمالي، تسبب التهوية في البحيرات في استنزاف أو تغيير الربط بين المياه والمستوطنات المائية.

The recently launched NASA SWOT mission (Surface Water and Ocean Topography) is designed to measure the elevation of rivers, lakes, and oceans with unprecedented accuracy, deliver new insights into the global water cycle and enhancing climate resilience planning.

Ecology and Wetland Conservation

وتشكل الأراضي الرطبة مناطق انتقالية هامة بين النظم الإيكولوجية البرية والمائية، حيث تستضيف نباتات وحيوانات متنوعة، وتتيح البيانات الساتلية رسم خرائط لمدى الأراضي الرطبة، وديناميات التوحيد الموسمي، وصحة النباتات، ودعم حفظ البؤر الساخنة للتنوع البيولوجي وموائل الطيور المهاجرة.

(ب) تعزيز استخدام الاستشعار عن بعد في جرد الأراضي الرطبة ورصدها وإدارتها، بما يساعد على حماية هذه النظم الإيكولوجية الحيوية من التدهور.

الملاحة والسلامة البحرية

وفي المجاري المائية الساحلية والداخلية، تساعد أقنعة المياه المستمدة من السواتل في تحديث الخرائط البحرية وكشف المخاطر الملاحية مثل الشعاب المرجانية والشعاب المغمورة وتراكم الرواسب.() وتُسترشد بيانات لون المحيطات بكشف وتتبع ] البلغمات الطحالب الضارة ، التي تهدد السياحة والصحة العامة.

وتقوم برامج مثل NOAA CoastWatch] بتسليم منتجات بيانات ساتلية في وقت قريب إلى مشغلي السفن البحرية، ودعم الملاحة الآمنة والرصد البيئي.

الزراعة والتخطيط للري

وتساعد معرفة مواقع المياه السطحية ومداها المزارعين ومديري المياه على تحقيق الحد الأمثل من استراتيجيات الري، وكفالة الاستخدام الفعال لموارد المياه العذبة المحدودة، وتساعد الصور الساتلية على رصد قنوات الري، وكشف استخراج المياه غير المشروع، وتقييم أثر الممارسات الزراعية على توافر المياه.

وفي بلدان مثل الهند، تدعم مجموعات بيانات آلية لأجهزة المياه المستمدة من الصور الساتلية الوكالات الحكومية في إدارة الهياكل الأساسية للري والمحافظة على الإنتاجية الزراعية في ظل الظروف المناخية المتغيرة.

الاتجاهات المستقبلية والتكنولوجيات الناشئة

وتستعد البعثات الساتلية الناشئة وتكنولوجيات الاستشعار وطرق تجهيز البيانات لزيادة تعزيز تحديد ورصد الأجسام المائية، كما أن الصور التي تُعرض على مئات من النطاقات الضيقة من الطيف، تتيح التحديد التفصيلي لبارامترات نوعية المياه مثل الاضطرابات، والكلوروفيل، والكربون العضوي المذاب.

وتوفر مجموعات السواتل الصغيرة وأجهزة الحاسوب الترددي الترددي الترددات العالية التي تتردد عليها، مما يؤدي إلى حدوث تغيرات سريعة في مدى المياه وجودتها، ويعزز تكامل البيانات البصرية، وآلية البحث والتطوير، والبيانات المتعلقة بالموجات الدقيقة من الغطاء السحابي والتعقيد السطحي.

وتعجل أجهزة الاستخبارات الفنية والحواسيب السحابية في تجهيز محفوظات السواتل الواسعة، مما ييسر رصد المياه في الوقت القريب على النطاقات العالمية، ويدعم هذا التطور إدارة المياه على نحو أكثر استجابة، والتخفيف من حدة الكوارث، وحفظ البيئة في عصر يزداد فيه الضغط على المياه وعدم التيقن من المناخ.