أصبحت تقنية رسم الخرائط بتقنية LiDAR، بهدوء، إحدى أهم الأدوات في مجال الجغرافيا المكانية الحديثة. فهي تُستخدم في كل شيء بدءًا من نمذجة الفيضانات وتخطيط المدن وصولًا إلى الغابات والبنية التحتية والمحاكاة. ومع ذلك، لا يزال الكثيرون يرونها مجردة أو تقنية للغاية.
في جوهرها، تُعنى تقنية رسم الخرائط بتقنية الليدار بقياس العالم ثلاثي الأبعاد بمستوى تفصيلي لا تستطيع الخرائط التقليدية توفيره. فبدلاً من تخمين شكل التضاريس من الصور، تلتقط هذه التقنية الارتفاعات والبنية بدقة متناهية مباشرةً من الضوء المنعكس. تشرح هذه المقالة آلية عمل تقنية رسم الخرائط بتقنية الليدار، وأنواع البيانات التي تُنتجها، ولماذا تعتمد عليها العديد من الصناعات اليوم.
ما هي تقنية رسم الخرائط بتقنية الليدار؟
تقنية LiDAR هي اختصار لـ "الكشف الضوئي وتحديد المدى". وهي في جوهرها طريقة لقياس المسافات باستخدام الضوء. يقوم نظام LiDAR بإطلاق نبضات ليزرية سريعة - قد تصل إلى مئات الآلاف في الثانية - باتجاه الأرض أو الأجسام القريبة. ومن خلال قياس المدة التي تستغرقها كل نبضة للارتداد، يتم حساب المسافة الدقيقة إلى تلك الأسطح.
كرر هذه العملية ملايين المرات بنمط مسح شامل من طائرة أو طائرة بدون طيار أو سيارة، وستحصل في النهاية على سحابة ثلاثية الأبعاد كثيفة من النقاط. لكل نقطة موقع في الفضاء (س، ص، ع)، وتشكل هذه النقاط مجتمعة ما يُسمى سحابة النقاط. هذا هو العنصر الأساسي لأي خريطة LiDAR.
شرح التقنية (ببساطة)
يتضمن نظام LiDAR المحمول جواً النموذجي ما يلي:
- ماسح ضوئي ليزري: يطلق نبضات ضوئية باتجاه الأرض.
- وحدة تحديد المواقع العالمية (GPS): يتتبع الموقع الدقيق للطائرة.
- وحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU): يقيس اتجاه المنصة - الميل، والانحدار، والدوران.
تعمل هذه الأجزاء الثلاثة معًا لتحديد مكان سقوط كل نبضة ليزر بدقة والمسافة التي قطعتها. والنتيجة؟ مسح ثلاثي الأبعاد دقيق لسطح الأرض وكل ما عليه - المباني والأشجار وحتى خطوط الكهرباء.
شرح نماذج الارتفاع الرقمية، ونماذج الارتفاع الرقمية السطحية، وغيرها من النماذج
بمجرد إنشاء سحابة النقاط، يتم تحويلها إلى نماذج ارتفاع. وهنا يبدأ تألق تقنية الليدار في التطبيقات العملية.
- نموذج الارتفاع الرقمي (DEM)يُظهر هذا النموذج سطح الأرض فقط، حيث يتم استبعاد الأشجار والمباني وكل شيء آخر. ويُطلق عليه أيضاً نموذج "الأرض العارية".
- نموذج السطح الرقمي (DSM): يحتفظ بكل شيء – التضاريس، أسطح المنازل، قمم الأشجار.
- نموذج ارتفاع المظلة (CHM) أو نموذج الارتفاع المعياري (NHM)يتم إنشاء هذا النموذج عن طريق طرح نموذج الارتفاع الرقمي (DEM) من نموذج الارتفاع الرقمي (DSM). يساعد هذا في تحديد ارتفاع الغطاء النباتي أو ارتفاع المباني.
تتكون هذه النماذج من خلايا شبكية صغيرة (غالباً ما يتراوح طولها بين متر ومترين)، حيث تخزن كل خلية قيمة ارتفاع. يُعد هذا الشكل الشبكي مثالياً لعمليات المحاكاة والتحليل والنماذج التنبؤية مثل التنبؤ بالفيضانات.
إذن، كيف يُستخدم؟
ستندهش من عدد الصناعات التي تعتمد على تقنية رسم الخرائط بتقنية LiDAR اليوم. لم يعد الأمر مقتصراً على الباحثين والمتخصصين في نظم المعلومات الجغرافية فقط.
رسم خرائط مخاطر الفيضانات وتدفق المياه
تعتمد نماذج الفيضانات على فهم كيفية تحرك المياه على سطح الأرض. وباستخدام نموذج الارتفاع الرقمي عالي الدقة المُستمد من تقنية الليدار، يستطيع المحللون محاكاة سلوك مياه الفيضانات أثناء العواصف. مع ذلك، تتطلب نماذج الارتفاع الرقمي تعديلات يدوية، على سبيل المثال، لمراعاة قنوات تصريف المياه تحت الطرق، والتي لا تستطيع تقنية الليدار رصدها لعدم قدرتها على اختراق الأرض.
التخطيط الحضري والتوائم الرقمية
يستخدم مخططو المدن تقنية الليدار لبناء نماذج ثلاثية الأبعاد مفصلة للبيئات الحضرية. تُغذّي هذه النماذج "التوائم الرقمية" - وهي نسخ افتراضية للمدن تُستخدم في التخطيط واختبار السيناريوهات. هل ترغب في رؤية كيف يسقط ضوء الشمس على ناطحة سحاب جديدة؟ يمكن لبيانات الليدار محاكاة ذلك.
الرصد البيئي
في مجال الغابات والحفاظ على البيئة، تُستخدم تقنية LiDAR من أجل:
- قم بتقدير كثافة الأشجار وارتفاع مظلة الأشجار.
- الكشف عن علامات التدهور أو إزالة الغابات.
- مراقبة صحة الغابات بمرور الوقت.
الاتصالات والبنية التحتية
في مجال الاتصالات، تساعد تقنية LiDAR في تحليل خط الرؤية لشبكات الجيل الخامس وتخطيط الأبراج. يستطيع المهندسون رسم خرائط التضاريس والعوائق التي تؤثر على قوة الإشارة، مما يجعل تخطيط التغطية أكثر دقة.
علم الآثار والتاريخ الخفي
تتميز تقنية الليدار بقدرتها الفائقة على الرؤية عبر الغطاء النباتي، مما يجعلها مثالية للكشف عن المستوطنات القديمة المختبئة تحت ظلال الغابات الكثيفة. وقد استُخدمت هذه التقنية في قضية شهيرة في الولايات المتحدة لتحديد موقع انهيار أرضي يعود إلى عصور ما قبل التاريخ، والذي ورد ذكره في التاريخ الشفهي للسكان الأصليين.
نقاط قوة تقنية الليدار باختصار
إليكم ما يجعل تقنية LiDAR أداة قيّمة للغاية:
- دقة عالية: وصولاً إلى السنتيمترات أو حتى المليمترات.
- تفاصيل ثلاثية الأبعادليس فقط الأشكال، بل العمق والارتفاع أيضاً.
- عمليات إرجاع متعددةيمكن لنبضة واحدة أن تنعكس عن قمم الأشجار والفروع والأرض، كلها في وقت واحد.
- يعمل في الإضاءة الخافتةلا يحتاج إلى ضوء الشمس مثل التصوير البصري.
- سحب النقاط الكثيفة: يلتقط البيانات بدقة عالية جداً.
لكن الأمر ليس مثالياً تماماً
لتقنية الليدار عيوبها. فبالرغم من دقتها العالية، إلا أن هناك بعض القيود التي يجب مراعاتها:
- يكلفقد يكلف إجراء مسح كامل بتقنية LiDAR ملايين الدولارات، خاصة عند رسم خرائط لمناطق كبيرة أو نائية.
- تعقيدمعالجة بيانات LiDAR تتطلب أجهزة كمبيوتر قوية ومحللين مدربين.
- ليس في الوقت الفعليهذه ليست بثاً مباشراً. إذا تغيرت التضاريس، فستحتاج الخريطة إلى إعادة رسمها.
- مشاكل المياه: لا يعمل نظام LiDAR بشكل جيد عبر الماء إلا إذا تم استخدام أنظمة قياس الأعماق المتخصصة.
حتى عام 2023، لم يتم مسح سوى حوالي 51 تريليون طن من سطح الأرض باستخدام تقنية الليدار. ويعود ذلك جزئياً إلى التكلفة العالية والجهد الكبير المطلوب.
ما وراء تقنية الليدار: عندما تكون مجرد جزء من اللغز
نادراً ما يُستخدم نظام LiDAR بشكل منفرد هذه الأيام. ففي سير العمل الجغرافي المكاني الحديث، غالباً ما يتم دمجه مع مصادر بيانات أخرى.
- صور الأقمار الصناعية يُضفي ملمساً ولوناً.
- التصوير الفوتوغرامتري يساعد في استكمال العناصر المرئية المفقودة.
- طبقات نظم المعلومات الجغرافية أضف أشياء مثل الطرق، والسكان، أو استخدام الأراضي.
يُتيح هذا النهج متعدد الطبقات إنشاء بيئات ثلاثية الأبعاد واقعية للغاية. فعلى سبيل المثال، يُضفي دمج بيانات الارتفاع بتقنية LiDAR مع صورة فضائية لقرية عمقًا هيكليًا وتفاصيل بصرية دقيقة. والنتيجة تبدو أقرب إلى نسخة رقمية من العالم الحقيقي.
كيف نتعامل مع رسم الخرائط الجغرافية المكانية في شركة FlyPix AI
في فلاي بيكس الذكاء الاصطناعي, نركز في شركتنا على أتمتة التحليل الجغرافي المكاني باستخدام الذكاء الاصطناعي. تساعد منصتنا المستخدمين على اكتشاف وتصنيف الأجسام بسرعة في صور الأقمار الصناعية والطائرات المسيّرة والصور الجوية، حتى في المشاهد الكثيفة أو المعقدة أو التي يصعب معالجتها يدويًا. وبينما توفر خرائط LiDAR بيانات ارتفاع تفصيلية، فإن عملنا يُكمّلها من خلال تقديم رؤى سريعة وقابلة للتطوير على مستوى الأجسام من الطبقة المرئية.
في المشاريع الواقعية، غالبًا ما يجمع مستخدمونا بين أنواع مختلفة من البيانات الجغرافية المكانية للحصول على صورة أكثر شمولًا، على سبيل المثال، باستخدام صور عالية الدقة مع رسم الخرائط الهيكلية أو تصنيف الأراضي. وهنا يأتي دورنا. مع FlyPix، يمكن للفرق الانتقال من الصور الخام إلى رؤى قابلة للتنفيذ في دقائق، سواء كانوا يراقبون البنية التحتية، أو يتتبعون التغيرات البيئية، أو يفحصون مواقع واسعة. نوفر السرعة والمرونة اللازمتين لتوسيع نطاق عمليات رسم الخرائط المرئية دون المساس بالدقة.
تقنية الليدار للمستقبل
نشهد أيضاً تزايداً في استخدام تقنية LiDAR في الأنظمة المدعومة بالذكاء الاصطناعي. تستخدم منصات مثل FlyPix AI تقنية التعرف على الصور والبيانات الجغرافية المكانية معاً لأتمتة عمليات التفتيش، وتصنيف استخدامات الأراضي، وحتى عمليات التنظيف البيئي. في هذه الأنظمة، غالباً ما تكون تقنية LiDAR جزءاً من منظومة "الذكاء الجغرافي المكاني" الأوسع، مما يساعد الآلات على فهم الفضاء المادي بشكل أقرب إلى فهم البشر له.
ما هي الخطوة التالية؟ تقنية LiDAR الطبوغرافية-البحرية المستمرة التي ترسم خرائط اليابسة وقاع البحر الضحل في مسح واحد. يمكن لهذه الأنظمة دعم نماذج الفيضانات الساحلية، ومراقبة التعرية، ومحاكاة سلوك الأمواج بالقرب من الشواطئ.
متى تكون تقنية الليدار هي الأداة المناسبة؟
تكون تقنية LiDAR أكثر فائدة عندما:
- أنت بحاجة إلى بيانات ارتفاع ثلاثية الأبعاد عالية الدقة.
- منطقتك مغطاة بالأشجار أو المباني.
- أنت تقوم بنمذجة الفيضانات أو الغابات أو التضاريس.
- أنت بحاجة إلى تخطيط البنية التحتية أو محاكاة البيئات.
إنها مبالغة بالنسبة لرسم الخرائط الأساسية أو العروض المرئية البسيطة. ولكن إذا كانت الدقة مهمة، وهي كذلك في كثير من الأحيان، فمن الصعب التغلب على تقنية LiDAR.
الأفكار النهائية
لم تعد تقنية رسم الخرائط بتقنية LiDAR مجرد تقنية متخصصة، بل أصبحت من أدق الأدوات وأكثرها تنوعًا لقياس العالم ونمذجته. ورغم تكلفتها، إلا أنها توفر مستوىً من التفاصيل لا يُضاهى، وهو ما تعجز عنه الطرق الأخرى بمفردها.
مع ازدياد سهولة الوصول إلى الأدوات واستمرار الذكاء الاصطناعي في أتمتة أصعب أجزاء المعالجة، توقع أن يلعب LiDAR دورًا أكبر في التحليل اليومي - من التخطيط الحكومي إلى الزراعة الذكية وما وراء ذلك.
إذا أردنا اتخاذ قرارات أفضل بشأن كوكب الأرض، فنحن بحاجة إلى بيانات أفضل عنه. وتقنية الليدار هي الوسيلة لتحقيق ذلك.
التعليمات
ليس بالضرورة أن يكون "أفضل"، بل مختلفاً فحسب. تُظهر صور الأقمار الصناعية شكل الأشياء، بينما يُظهر لك نظام LiDAR ارتفاعها وموقعها الدقيق في الفضاء. إذا كنت تهتم بالارتفاع أو البنية أو تفاصيل التضاريس، فإن LiDAR يتفوق بلا منازع. لكن بدمج النظامين، ستحصل على صورة أوضح بكثير.
لا يمكنها اختراق المباني، بالطبع. لكنها قادرة على اختراق فجوات أغصان الأشجار. لذا، ورغم أنها لن تتمكن من رؤية كل شيء تحت الغابة، إلا أنها غالباً ما تجمع بيانات كافية لنمذجة الأرض تحتها بدقة عالية. ولهذا السبب فهي ذات قيمة كبيرة في مجالي الغابات وعلم الآثار.
في أغلب الأحيان، نعم. يُعدّ نظام الليدار المحمول جواً من الطائرات أو الطائرات المسيّرة الخيار الأمثل للمساحات الشاسعة. ولكن توجد أيضاً أنظمة ليدار أرضية (تُسمى الليدار الأرضي) وحتى أنظمة متنقلة مُثبّتة على المركبات. تحمل بعض الأقمار الصناعية بيانات الليدار، لكنها تُشكّل استثناءً.
إنها مزيج من المعدات، ووقت الطيران، والمعالجة اللاحقة. أنت تدفع ثمن الليزر، ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS)، وأجهزة الاستشعار المدمجة، بالإضافة إلى الأشخاص الذين يجيدون تحويل البيانات الخام إلى معلومات مفيدة. والنتيجة بيانات فائقة الدقة، ولكنها ليست رخيصة.
يعتمد ذلك على مدى تغير المنطقة. قد لا تحتاج الغابة إلى مسح ضوئي إلا كل بضع سنوات. أما المدينة سريعة النمو، فربما تحتاج إلى مسح أكثر تكرارًا. إذا كنت تستخدم تقنية LiDAR للتخطيط أو تقييم المخاطر، فإن امتلاك بيانات محدّثة يُحدث فرقًا كبيرًا.
يمكنك ذلك، خاصةً إذا كنت تستخدم أدوات تتولى عنك المهام الصعبة. على سبيل المثال، تركز منصات مثل FlyPix AI على جعل التحليل الجغرافي المكاني أسرع وأسهل، حتى بالنسبة للفرق التي لا تضم متخصصين في نظم المعلومات الجغرافية ضمن فريقها.
بالتأكيد. تُستخدم تقنية LiDAR في نمذجة الفيضانات، ومخاطر الانهيارات الأرضية، وتآكل السواحل، ومناطق حرائق الغابات، والقائمة تطول. إذا كان للتضاريس دور في المخاطر، فإن LiDAR تساعد في نمذجة ذلك بدقة أكبر بكثير من الطرق القديمة.