الكشف عن تألق الكلوروفيل الناتج عن ضوء الشمس وتطبيقه باستخدام مطياف فائق محمول على الفضاء

الشكل 1. توزيع مؤشر SIF في شمال نيجيريا، أفريقيا، اعتبارًا من 8 أبريل 2025.

حالياً، معظم بيانات تألق الكلوروفيل الناتج عن ضوء الشمس (SIF) تكون على شكل نقاط منفصلة مع تغطية مكانية متفرقة.

استخدمنا جهازًا طيفيًا فائقًا بدقة طيفية تبلغ 0.48 نانومتر لإجراء تصوير عالي الدقة لاستكشاف تألق الكلوروفيل، على أمل سد الفجوة في منصة الأقمار الصناعية الحالية لتألق الكلوروفيل الناتج عن ضوء الشمس بدقة مكانية أعلى.

الجدول 1. مؤشرات الأداء الرئيسية لبعض أجهزة الاستشعار الفضائية ذات قدرات الكشف عن التألق المستحث بالإشعاع الشمسي

*المرجع: تشانغ، ليفو؛ وانغ، سيهينغ؛ هوانغ، تشانغبينغ. 2018. طريقة عكسية للاستشعار عن بعد بالأقمار الصناعية لفلورة الكلوروفيل المستحثة بالطاقة الشمسية. مجلة الاستشعار عن بعد، 22(1): 1-12

أساسيات حساب عامل تثبيط الإجهاد

لا يُستخدم جزء من طاقة الضوء التي تمتصها النباتات في عملية التمثيل الضوئي، بل يُشعّ على شكل فلورة بأطوال موجية طويلة. تقع فلورة الكلوروفيل في نطاق الضوء الأحمر والأحمر البعيد للنباتات (650-800 نانومتر). وباعتبارها ناتجًا ثانويًا لعملية التمثيل الضوئي، ترتبط الفلورة ارتباطًا وثيقًا بآلية هذه العملية، ويمكنها أن تعكس بشكل مباشر قدرة النباتات على التمثيل الضوئي.

تساهم خاصية التألق في الانعكاس الظاهري للغطاء النباتي؛ ويمكن رصد قمم الانعكاس عند 685 و760 نانومتر باستخدام مطياف ذي دقة دون النانومتر. عند 685 نانومتر، يساهم التألق بنسبة 10-20% في الانعكاس الظاهري، وعند 740 نانومتر، يساهم بنسبة 2-6%.

في منطقة الحدود الحمراء للنباتات (650-800 نانومتر)، يساهم التألق في الانعكاس الظاهري.

مزايا تقنية SIF مقارنةً بمؤشرات الغطاء النباتي: لا تستطيع مؤشرات الغطاء النباتي القائمة على الانعكاس رصد العلامات المبكرة للنمو غير الطبيعي للنباتات في المراحل الأولى من الشذوذات البيئية، إذ تظهر تأخراً في الكشف. أما تقنية SIF، من ناحية أخرى، فتستطيع رصد الشذوذات بحساسية أكبر.

الشكل 2. موقع الخطوط المخفية لفرونهوفر وفيهيم

طريقة ملء الخطوط المظلمة لفراونهوفر: نظرًا لامتصاص الغلاف الجوي، يحتوي الطيف الشمسي على العديد من الخطوط المظلمة الدقيقة، والمعروفة باسم خطوط فراونهوفر المظلمة. ويمكن قياس إشارات التألق كميًا عند أطوال موجية محددة يتم امتصاصها بواسطة الطيف الشمسي.

يحتوي الإشعاع الشمسي على ثلاثة نطاقات امتصاص رئيسية في منطقتي الأحمر والأشعة تحت الحمراء القريبة: خط Hα عند 656.3 نانومتر (الممثل بامتصاص الهيدروجين في الغلاف الجوي)، وخطوط امتصاص الأكسجين (O2) في الغلاف الجوي للأرض عند 687 نانومتر و760 نانومتر. تتداخل هذه النطاقات عادةً مع طيف انبعاث فلورة الكلوروفيل. تقارن تقنية الاستشعار عن بُعد بالفلورة عمق خطوط الطيف الإشعاعي الشمسي بعمق خطوط الطيف الإشعاعي للنباتات، وتقيس كمية الفلورة المنبعثة من الإثارة ذات الطول الموجي القصير لملء "بئر" فراونهوفر إلى حد معين. يُمثل "بئر" فراونهوفر خط امتصاص في نطاق طول موجي محدد، يشبه شكل البئر.

بافتراض أن الانعكاس الطيفي للغطاء النباتي R في خط فراونهوفر المظلم والمناطق الطيفية المجاورة متساوٍ، يتم حساب شدة الفلورة f للغطاء النباتي في خط فراونهوفر المظلم والمناطق الطيفية المجاورة باستخدام الصيغة التالية:

الشكل 3. مبدأ الكشف عن التألق باستخدام خط فراونهوفر المظلم

أ، ب: شدة طيف الإشعاع الشمسي المقاس باستخدام لوحة مرجعية في خط فراونهوفر المظلم والمناطق الطيفية المجاورة.

ج، د: شدة طيف الإشعاع المنعكس بواسطة غطاء النباتات في خط فراونهوفر المظلم والمناطق الطيفية المجاورة.

λ0: الطول الموجي المركزي لخط فراونهوفر المظلم.

بما أن R مستقل عن الفلورة، يمكن قياس فلورة الكلوروفيل ببساطة عن طريق قياس الانعكاس الطيفي والإشعاع الشمسي وانعكاس الغطاء النباتي في نطاق خط فراونهوفر المظلم.

تؤدي أنواع النباتات المختلفة وظروفها إلى نسب مختلفة من قيم شدة الفلورة النسبية عند 760 نانومتر و 687 نانومتر المحسوبة بواسطة FLD، والتي يمكن استخدامها كأساس للحكم على الحالة الفسيولوجية للنباتات.

عينة البيانات

الشكل 4. مثال على طيف بكسل الغطاء النباتي

الشكل 5. ذروة امتصاص O2A

تُظهر الصورة أعلاه الطيف النموذجي للغطاء النباتي للقمر الصناعي 04. ويمكن ملاحظة ذروة امتصاص O2B قرب 687 نانومتر، وذروة امتصاص O2A قرب 760 نانومتر، وذروة امتصاص H2O قرب 720 نانومتر. وبالمقارنة مع طيف امتصاص فراونهوفر القياسي، فإن المواقع الطيفية دقيقة، وتأثير الانزياح الطيفي ضئيل للغاية (

حساب SIF

طريقة فراونهوفر المحسّنة لتعبئة الخطوط الداكنة باستخدام الاستيفاء الخطي (iFLD)

استنادًا إلى طريقة فراونهوفر لملء الخطوط المظلمة (FLD)، أُدخلت تحسينات على اختيار نطاقات المرجعية والنطاقات المجاورة. تم اختيار ثمانية نطاقات إجمالًا وفقًا لعرض ذروة الامتصاص، واستُخدمت دوال التجزئة الخطية لمطابقة طيف الخلفية.

الشكل 6. نطاق التردد المستخدم للمطابقة

الشكل 7. نتائج تركيب دالة Spline والاستيفاء (تمثل البكسلات 1 و2 و3 بكسلات الشجيرات والأراضي الزراعية والمباني على التوالي).

كما هو موضح في الشكل أعلاه، يمثل الخط المتقطع نتائج المطابقة باستخدام ثمانية نطاقات قريبة من ذروة امتصاص O2A. ولأن النطاقين 211 و212 يقعان على جانبي ذروة امتصاص O2A، فقد استُخدمت القيمة المتوسطة، 760.43195 نانومتر، كقيمة الإشعاع المتأثر بتأثير التألق الذاتي المستحث (SIF)، وأيضًا كطول الموجة المستهدف لمطابقة دالة التجزئة. في الشكل أعلاه، في الجزء السفلي من الدالة التربيعية، يمثل الفرق بين القيمة الطيفية الأصلية وقيمة دالة التجزئة المُطابقة الجزء الذي يملؤه تأثير التألق الذاتي المستحث، وهو شدة هذا التأثير.

استنادًا إلى ظروف التضاريس الفعلية، فإن الغطاء النباتي في بكسلات الشجيرات في البكسل 1 أقل بكثير من نظيره في الأراضي الزراعية، كما أن كثافة التمثيل الضوئي فيها أقل من كثافة المحاصيل خلال فترة نموها السريع. لذا، فإن قيمة مؤشر التألق المستحث ضوئيًا (SIF) أقل بكثير من قيمته في الأراضي الزراعية في البكسل 1. أما البكسل 3، كونه منطقة مبنية، فلا يوفر سوى قدر ضئيل من المساحات الخضراء والأشجار، مما ينتج عنه أدنى قيمة لمؤشر التألق المستحث ضوئيًا.

التحقق من نتائج SIF

الشكل 8. مقارنة نتائج الحسابات لنطاقات الامتصاص المختلفة

يوضح الشكل أعلاه نتائج قياسات التألق المستحث ضوئيًا (SIF) باستخدام نطاقات تردد مختلفة، ويقارنها بمؤشر الغطاء النباتي الطبيعي (NDVI) من بيانات Sentinel-2 نفسها. وكما هو موضح، فإن قياسات SIF باستخدام نطاق O2A تتميز بأقل قدر من التشويش، وتوزيع البيانات قريب من توزيع NDVI. أما نطاق O2B، فيُظهر تشويشًا ملحوظًا نظرًا لعمق امتصاصه الأقل، إلا أن اتجاه التوزيع لا يزال واضحًا. ولا تُقدم النتائج المحسوبة من نطاقات غير SIF أي معلومات مفيدة تقريبًا. تُبرهن هذه المقارنة على فعالية طريقتنا.

حالات التطبيق

الشكل 9. خريطة توزيع الفلورة المستحثة بالإشعاع الشمسي في الأراضي الزراعية والمناطق الحرجية

 الشكل 10. خريطة توزيع مؤشر الغطاء النباتي الطبيعي (NDVI) للأراضي الزراعية والمناطق الحرجية 

الشكل 11. خريطة توزيع عالية الدقة لمؤشر الغطاء النباتي (NDVI) في منطقة الأراضي الزراعية

الشكل 12. مقارنة إحصائية لرطوبة التربة في منطقة الجذور وهطول الأمطار في المناطق الزراعية والغابات.

تُظهر قيم SIF في المناطق الحرجية والزراعية المذكورة آنفًا اختلافاتٍ ملحوظة، وتختلف اختلافًا طفيفًا عن توزيع NDVI. ففي المنطقة الزراعية، ونظرًا لأن الدقة الأصلية لصورة Sentinel تبلغ 10 أمتار، فقد أدى إعادة أخذ العينات لتتوافق مع دقة SIF، بعد إعادة أخذ العينات، إلى انخفاض قيمة NDVI الإجمالية نتيجةً لاختلاط المحاصيل والتربة في الجزء السفلي الأيسر من المنطقة الزراعية. ومع ذلك، تظهر ظاهرة ارتفاع SIF في المنطقة الزراعية بوضوح في نتائج SIF. أما المنطقة الحرجية، بتضاريسها الجبلية ونباتاتها التي تتكون أساسًا من شجيرات منخفضة وبعض الأشجار، فتتميز بغطاء نباتي أقل من المنطقة الزراعية، مما ينتج عنه قيمة SIF أقل بشكل ملحوظ. علاوة على ذلك، ووفقًا للرسوم البيانية الإحصائية أعلاه، انخفض هطول الأمطار في كلتا المنطقتين بعد شهر مارس، مما أدى إلى انخفاض كبير في رطوبة التربة، مع انخفاض أكبر في المنطقة الحرجية مقارنةً بالمنطقة الزراعية. وبما أن المنطقة الزراعية عادةً ما تحتوي على مرافق ري، بينما تفتقر المنطقة الجبلية إليها عمومًا، فمن المتوقع أن تكون المنطقة الحرجية تعاني من إجهاد الجفاف، مما يؤدي إلى مزيد من الانخفاض في قيمة SIF. يشير هذا إلى أنه بالمقارنة مع مؤشر NDVI، يمكن لـ SIF أن يرصد ظواهر إجهاد المحاصيل بشكل أكثر حساسية ويحدد المناطق المتضررة، مما يوفر أداة أكثر قوة لتقييم البيئة الإيكولوجية والزراعة الدقيقة.