رصد الغطاء الثلجي والجليدي في لواء دالاد، منغوليا الداخلية، باستخدام تحليل طيفي مختلط فائق الطيف

يُعد الغطاء الثلجي متغيرًا نظاميًا نشطًا في تغير مناخ الأرض، فهو ليس مؤشرًا هامًا لتغير المناخ العالمي فحسب، بل يرتبط ارتباطًا وثيقًا بتوازن طاقة الأرض، ودورة الغلاف الجوي، ودورة المياه، ودورة الكربون والنيتروجين. وتجعله انعكاسيته العالية، وقدرته الكبيرة على تخزين البرودة، وحرارته الكامنة الهائلة لتحول الطور، ودوره كمصدر ومستودع للغازات الدفيئة، عنصرًا حاسمًا في توازن طاقة سطح الأرض. وتُعد تقنية الاستشعار عن بُعد الكمية الوسيلة الأساسية للحصول على معلومات عن الغطاء الثلجي لرصد تغيراته، وتقييم استجابته لتغير المناخ، وإجراء البحوث الهيدرولوجية المتعلقة به. ويُستخدم الاستشعار عن بُعد بالأقمار الصناعية على نطاق واسع في مجال أبحاث الغطاء الثلجي.

يتميز الثلج بانعكاسية عالية في نطاق الضوء المرئي، وانعكاسية منخفضة في نطاق الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة، بينما تتميز معظم السحب بانعكاسية عالية في كلا النطاقين. لذا، يُمكن حساب الفرق بين نطاقي الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة باستخدام مؤشر الفرق المعياري في الثلج (NDSI) لتحديد معلومات الثلج بفعالية في بيانات الاستشعار البصري عن بُعد. مع ذلك، ونظرًا لتشابه الخصائص الطيفية للثلج والسحب في نطاق الضوء المرئي، غالبًا ما تتأثر منتجات الثلج المُطورة باستخدام تقنية الاستشعار البصري عن بُعد بنقص الإشعاع الشمسي وغطاء السحب، مما يؤدي إلى عدد كبير من القيم المفقودة ويُسبب صعوبات في التطبيق. لذلك، نستخدم طريقة تحليل طيفي هجينة لاستخراج مساحة الثلج، والتي تُحقق دقة عالية ومعدلًا منخفضًا للنتائج الإيجابية الخاطئة.

شركة CAS Xiguang Aerospace - رسم خرائط الغطاء الثلجي والجليدي

مصدر البيانات: جهاز التصوير الطيفي الفائق XIGUANG003

المنطقة: دالاد بانر، منغوليا الداخلية

تاريخ التصوير: 5 يناير 2024

تتضمن عملية رسم خرائط الغطاء الثلجي والجليدي الخطوات التالية:

1. المعايرة الإشعاعية، والتصحيح الجوي، والتصحيح الإسقاطي لبيانات L2A الخام؛
2. يتم إجراء تقليل الأبعاد الطيفية باستخدام تحويل الحد الأدنى للضوضاء (MNF).
3. استخدم قياسات الاتساق المكاني لتحديد أبعاد البيانات؛
4. احسب مؤشر البكسل النقي (PPI) وقم بفحص المتغيرات بشكل أكبر باستخدام مؤشر البكسل النقي (PPI)؛
5. يتم عرض النتائج في N بُعد، وتجميعها تلقائيًا، وتحديد العناصر النهائية.
6. تم إجراء عملية رسم الخرائط الطيفية باستخدام جهاز رسم الخرائط الطيفية الزاوية (SAM) ومرشح مطابق مضبوط هجين (MTMF) لتصنيف وحساب وفرة المكونات النهائية في وقت واحد.
7. يتم إنشاء الخرائط بناءً على نتائج رسم الخرائط ثم يتم دمجها مع صور بانكروماتية عالية الدقة.

△ الشكل 1: صورة الانعكاس بعد التصحيح الجوي والتصحيح الإسقاطي

تقع منطقة الدراسة في لواء دالاد، بمنطقة منغوليا الداخلية، وتحديداً في الجزء الجنوبي من مدينة باوتو، على الضفة الجنوبية لنهر الأصفر. وتشمل بلدة دالاد ومحطة دالاد للطاقة الكهروضوئية. وتتمثل أبرز معالم هذه المنطقة في البلدات والأنهار والمناجم والصحاري، مع وجود غطاء ثلجي كثيف تم رصده خلال عمليات المسح عبر الأقمار الصناعية.

△الشكل 2: مقارنة انعكاسية مختلف معالم الأرض

يشير وجود ذروة انعكاس عند 760 نانومتر في الثلج إلى انعكاسيته العالية للضوء عند هذا الطول الموجي. ويعود ذلك إلى أن الثلج يتكون من بلورات جليدية، والتي تُشتت الضوء بقوة. فعندما يسقط الضوء على الثلج، تمتص البلورات الجليدية جزءًا منه، بينما يتشتت الجزء المتبقي في اتجاهات مختلفة. وتكون شدة التشتت في أعلى مستوياتها عند 760 نانومتر، مما يُفسر ذروة الانعكاس عند هذا الطول الموجي. ووفقًا للشكل 2، يُمكن استخدام الفرق في الانعكاسية عند 760 نانومتر لتصنيف الغطاء الثلجي بشكلٍ أدق؛ أي أنه من خلال رصد التغيرات في انعكاسية الضوء عند 760 نانومتر، يُمكن مراقبة ذوبان الثلج. فعندما يذوب الثلج، تتحول البلورات الجليدية إلى ماء، والماء يُشتت الضوء بكفاءة أقل من البلورات الجليدية. لذلك، مع ذوبان الثلج، تنخفض انعكاسية الضوء عند 760 نانومتر.

بعد حساب البكسلات النقية واستخراج المكونات النهائية، بلغ العدد النهائي للمكونات النهائية المحتفظ بها 3، اثنان منها يمثلان الغطاء الثلجي. وبناءً على ذلك، تم تقسيم الغطاء الثلجي لاحقًا إلى ثلج جديد وثلج قديم (مزيج من الجليد والثلج)، وتم تحليل حالة ذوبان الثلج.

يمكن استخدام مراقبة ذوبان الثلوج في التطبيقات التالية:

1. التنبؤ بالفيضانات: يُعد ذوبان الثلوج أحد المصادر الرئيسية للفيضانات. ومن خلال مراقبة ذوبان الثلوج، يمكن التنبؤ باحتمالية حدوث الفيضانات وحجمها.
2. التنبؤ بالانهيارات الثلجية: تُعدّ الانهيارات الثلجية كارثة طبيعية أخرى ناجمة عن ذوبان الثلوج. ومن خلال مراقبة ذوبان الثلوج، يمكن التنبؤ باحتمالية حدوث الانهيارات الثلجية وحجمها.
3. إدارة موارد المياه: يُعد ذوبان الثلوج مصدراً هاماً لجريان الأنهار. ومن خلال مراقبة ذوبان الثلوج، يمكن التنبؤ بالتغيرات في جريان الأنهار، مما يُسهم في إدارة موارد المياه.

△ الشكل 3: خريطة توزيع وفرة عنصر الثلج الجديد.

△ الشكل 4: خريطة توزيع وفرة جنس الثلج القديم الداخلي.

تستخدم تقنية الترشيح المطابق المُعدَّل بالخليط (MTMF) طريقة فصل جزئي لتحديد وفرة أطياف المكونات النهائية. وتعتمد هذه التقنية على "مرشح مطابق" (MF) لتعظيم استجابة المكونات النهائية المعروفة وكبح الاستجابات الناتجة عن الخلفيات غير المعروفة، وبالتالي "مطابقة" إشارة معروفة. توفر هذه التقنية طريقةً للكشف السريع عن مواد محددة بناءً على مطابقة أطياف المكونات النهائية في مكتبة أو صورة، دون الحاجة إلى معرفة جميع المكونات النهائية في مشهد الصورة. من ناحية أخرى، يحدد الفصل الطيفي الخطي وفرة المواد في وحدات البكسل في الصورة بافتراض أن انعكاس البكسل في كل نطاق يساوي توليفة خطية من انعكاسات المواد النهائية الموجودة داخل البكسل.

يوضح الشكلان 3 و4 نتائج تحليل MTMF، الذي يُتيح تصوير وفرة المكونات النهائية لكل بكسل وعرض التركيب الطيفي المختلط للبكسل بشكلٍ بديهي. كلما كان اللون أغمق، زادت وفرة ذلك المكون النهائي. وُجد أن الثلج الطازج يغطي السهول الغربية والجبال الجنوبية لمدينة دالات. أما الثلج القديم فكان منتشراً بشكل رئيسي في الصحراء الغربية ومدينة دالات ومنطقة التعدين.وتؤكد نتائج جهاز رسم الخرائط الطيفية اللاحقة (SAM) هذا الأمر أيضاً.

△ الشكل 5: نتائج تصنيف مُحدد الزاوية الطيفية

تُطابق أداة رسم الخرائط الزاوية الطيفية (SAM) طيف الصورة مع طيف مرجعي في فضاء ذي أبعاد N. تقارن SAM الزاوية بين طيف العنصر النهائي (المُصوَّر كمتجه ذي أبعاد N، حيث N هو عدد النطاقات) ومتجه كل بكسل في هذا الفضاء. تشير الزاوية الأصغر إلى تطابق أدق مع الطيف المرجعي. عند استخدامها على بيانات مُعايرة، تكون هذه التقنية غير حساسة نسبيًا لتأثيرات الإضاءة والبياض. تُنشئ SAM صورة تصنيفية بناءً على عتبة زاوية قصوى.

يوضح الشكل 5 نتائج التصنيف النهائية. يتضح من الشكل أن دقة التصنيف في المنطقة الغربية أفضل مقارنةً بنتائج MTMF، مما يقلل بشكل فعال من معدل النتائج الإيجابية الخاطئة. كما يُظهر الشكل بوضوح أكبر انخفاض الغطاء الثلجي والجليدي وظاهرة ذوبان الثلوج في بلدة دالات شمال شرق المدينة ومنطقة التعدين جنوب شرقها.

إحصائيات عن مساحة تغطية الثلوج والجليد

فيما يلي إحصائيات تغطية الثلوج والجليد:

إجمالي المساحة التي تغطيها صور الأقمار الصناعية: 6400 كيلومتر مربع

الغطاء الثلجي: 11% (704 كيلومتر مربع)

الغطاء الثلجي القديم: 6% (384 كيلومتر مربع)

من خلال مراجعة البيانات المناخية التاريخية المحلية، تبيّن أن أعلى درجة حرارة سُجّلت كانت حوالي -1 درجة مئوية. لذا، يُرجّح أن تكون الأسباب الرئيسية لذوبان الثلوج والجليد في هذه المنطقة هي العوامل التالية:

1. تأثير النشاط البشري: تشهد المناطق ذات الكثافة السكانية العالية ومناطق تعدين الفحم عادةً نشاطًا بشريًا مكثفًا، كالتعدين والنقل والتشغيل الآلي. قد تُغير هذه الأنشطة طبيعة وبنية السطح، وتقلل من خشونة سطحه، وتُصعّب تراكم الثلوج عليه. في الوقت نفسه، تُجرى عمليات إزالة الثلوج الاصطناعية في المدن والطرق. في المقابل، تتكون المناطق الشمالية في الغالب من قرى وأراضٍ زراعية ذات تدخل بشري أقل، لذا يذوب الثلج فيها ببطء أكبر.
2. الغطاء والمنشآت: عادةً ما تحتوي المناطق ذات الكثافة السكانية العالية ومناطق تعدين الفحم على عدد كبير من المنشآت التي صنعها الإنسان، مثل المباني والمعدات والطرق. تمتص هذه الأغطية الإشعاع الشمسي، مما يرفع درجة حرارة السطح ويقلل من تكوّن الثلج وبقائه.
3. انبعاثات الحرارة: عادةً ما تترافق الأنشطة الإنتاجية في المناطق المكتظة بالسكان ومناجم الفحم مع كميات كبيرة من انبعاثات الحرارة، مثل الحرارة الناتجة عن حرق الفحم وحرارة تشغيل المعدات الميكانيكية. وتؤدي هذه الحرارة إلى رفع درجة حرارة السطح المحيط، مما يُصعّب تراكم الثلوج في مثل هذه البيئة.

ظهرت نتائج تصنيف سطح الثلج/الجليد القديمة في مجرى النهر الأصفر. وبالاقتران مع الظروف الجوية وتاريخ موسم فيضان النهر الجليدي، تبيّن أنها عبارة عن كتل جليدية مكونة من خليط من الجليد والماء، أو مجرى نهر متجمد جزئيًا. وبالاستعانة بالبيانات الأرضية، يمكن إجراء تحليل إضافي لتكوين الكتل الجليدية أو تجمد النهر. ويمكن رصد العملية الكاملة للكتل الجليدية في مجرى النهر من نطاق مكاني أوسع، مما يعكس القيمة التطبيقية لتقنية الاستشعار عن بُعد فائقة الطيف.