تكنولوجيا الاستشعار البصري عن بعد في مجال الطيران والفضاء: أداة "السيلفي" الشاملة للأرض

يُعدّ تطبيق تقنية الاستشعار البصري عن بُعد في مجال الطيران والفضاء أمرًا لا غنى عنه في عملية الحصول على صور الأقمار الصناعية. ويمكن وصف أقمار الاستشعار البصري عن بُعد بأنها "كاميرات سيلفي" مصممة خصيصًا للأرض، ومع دخول صورها إلى الأنظمة المدنية والتجارية، ستلعب "صور السيلفي" الأرضية دورًا أكبر في العديد من المجالات.

تقنية الاستشعار البصري عن بعد في الفضاء: الكشف عن الأرض أو الأجرام السماوية من ارتفاعات عالية.

تشير تقنية الاستشعار البصري عن بعد في الفضاء بشكل عام إلى تقنية الكشف عن الأهداف الأرضية من ارتفاع يزيد عن 100 كيلومتر أو أعلى، أو الكشف عن الأجرام السماوية من ارتفاعات عالية، من أجل الحصول على المعلومات ذات الصلة.

باستخدام الأقمار الصناعية، أو محطات الفضاء، أو مكوك الفضاء كناقلات فضائية، ومعدات الاستشعار البصري عن بُعد مثل كاميرات الفضاء، والماسحات الضوئية، أو أجهزة قياس الطيف التصويري التي تستخدم الضوء المرئي أو الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء كحمولات، يستخدم الاستشعار البصري عن بُعد في مجال الطيران والفضاء أنظمة بصرية لجمع الإشعاع المنعكس من الأجسام الأرضية والمنبعث إليها في الفضاء. ثم يُحوّل هذا الإشعاع إلى إشارات كهربائية بواسطة كاشفات ضوئية، ويُعالج لاحقًا من خلال التخزين وتحليل البيانات للحصول على معلومات مكانية وزمانية وطيفية حول الأجسام الأرضية، مما يوفر للمستخدمين معلومات للتحليل والمراقبة والتعرف عليها.

مبادئ تكنولوجيا الاستشعار البصري عن بعد في مجال الطيران والفضاء

بعد أن تتعرض سطح الأرض لأشعة الشمس، ينعكس الضوء حاملاً معلومات صورة السطح، ثم يمر عبر الغلاف الجوي ويدخل إلى جهاز الاستشعار البصري عن بُعد. على مستوى الصورة في النظام البصري، تتشكل صورة للمشهد المستهدف ويستقبلها جهاز الاستقبال. بعد مزيد من المعالجة، يمكن الحصول على صورة نهائية.

في نطاقات الاستشعار عن بُعد فوق البنفسجية والمرئية والأشعة تحت الحمراء، تُتيح تقنية الاستشعار البصري عن بُعد إمكانية توليد صور بصرية شائعة، مثل الصور أحادية اللون، وصور الضوء المرئي، والبيانات متعددة الأطياف/فائقة الأطياف. توفر صور الضوء المرئي والصور أحادية اللون، بفضل دقتها المكانية العالية، معلومات واضحة عن نسيج الأهداف المرصودة. تتميز البيانات متعددة الأطياف/فائقة الأطياف بقدرتها على دمج الصور الطيفية، مما يكشف عن الخصائص الأساسية لتضاريس الأرض. تُظهر أنواع مختلفة من تضاريس الأرض منحنيات طيفية متباينة نتيجةً لاختلاف خصائص استقبالها وإشعاعها للموجات الكهرومغناطيسية. يعتمد تصنيف صور الاستشعار البصري عن بُعد على الخصائص الطيفية للبكسلات، ويُصنف ضمن فئة التصنيف على مستوى البكسل.

الأدوات الرئيسية لتكنولوجيا الاستشعار البصري عن بعد في مجال الطيران والفضاء

استنادًا إلى نوع معلومات الصورة، تنقسم الأدوات البصرية المستخدمة في البصريات الفضائية إلى فئتين: الأولى تستخدم للحصول على صور بالأبيض والأسود للأهداف الأرضية، وتسمى الكاميرات أحادية اللون أو كاميرات الطيف الكامل، والتي توفر بشكل أساسي الخصائص المكانية للأهداف؛ والأخرى تستخدم للحصول على صور في نطاقات طيفية متعددة مختلفة، وتسمى التصوير الطيفي الفائق/متعدد الأطياف أو كاميرات التصوير الطيفي.

• كاميرا تصوير بانورامية

الكاميرا أحادية اللون هي تلسكوب قادر على جمع معلومات عن نقاط أرضية في نطاق الضوء المرئي. بعد تجميع الصورة بواسطة التلسكوب، تتشكل صورة أحادية اللون للهدف على مستوى البؤرة، والتي يمكن استقبالها وتسجيلها بواسطة أجهزة كشف مختلفة.

• كاميرا التصوير الطيفي

كاميرا التصوير الطيفي هي جهاز كشف يجمع بين التصوير البصري وتقنية التحليل الطيفي. فهي لا توفر معلومات مكانية عن الأهداف الأرضية فحسب، بل توفر أيضًا معلومات طيفية عنها. تحصل كاميرا التصوير الطيفي على المعلومات الطيفية للأجسام الأرضية في نطاقات مختلفة باستخدام جهاز التحليل الطيفي. وتتكون بشكل أساسي من عدسة تلسكوبية أمامية ومطياف، حيث تلتقط صورًا للهدف نفسه في نطاقات طيفية متعددة على مستوى البؤرة.

النظر + المسح: طريقة تصوير شائعة

تنقسم طرق التصوير الشائعة إلى فئتين رئيسيتين: التصوير الثابت والمسح الضوئي. وتنقسم طرق المسح الضوئي بدورها إلى أنواع بانورامية، ومسح بالفرشاة، ومسح بالدفع. يحصل المسح البانورامي على صورة ثنائية الأبعاد لمنطقة محددة من الهدف مع كل تعريض. ومع تحرك الكاميرا بالنسبة للأرض، يتم التقاط صور محلية متعددة تحت تحكم الغالق. وبعد دمج الصور، نحصل على صورة كاملة. أما كاميرات المسح بالدفع والمسح بالفرشاة، فتتطلب كاشفًا أحادي البعد وعدسات بصرية توفر جودة صورة جيدة ضمن مجال الرؤية الخطي فقط. ويتميز النظام البصري وبنية الكاشف بالبساطة النسبية. وعلى وجه الخصوص، لا يتطلب التصوير بالدفع مسحًا ميكانيكيًا، بل يعتمد على حركة المنصة ودوران الأرض لتحقيق المسح. ويمكن لكاشف المصفوفة الخطية أحادي البعد الحصول على المعلومات الزمنية ثنائية الأبعاد للجسم. وفي هذه الطريقة، يُسهّل استخدام كاشف ثنائي الأبعاد الحصول على تصوير طيفي عالي الدقة.

تكنولوجيا الاستشعار البصري عن بعد في مجال الطيران والفضاء:  عصا سيلفي عالمية

تعمل معظم أقمار الاستشعار عن بُعد البصرية في مدار متزامن مع الشمس، حيث تمر بالموقع نفسه في التوقيت المحلي نفسه في كل مرة. يتيح ذلك مراقبة مستمرة للموقع نفسه، وتسجيل اتجاهات التغيرات السطحية. يُحسّن هذا بشكل كبير من كفاءة مسوحات الموارد الطبيعية، ورصد البيئة، والإدارة الحضرية، والوقاية من الكوارث والتخفيف من آثارها. علاوة على ذلك، يمكن استخدام أقمار الاستشعار عن بُعد البصرية للاستطلاع العسكري، مما يُسهّل الحصول السريع والدقيق على مواقع العدو وتحركاته؛ وهي نوع شائع من الأقمار الصناعية العسكرية.

على مدى العقود القليلة الماضية، شهدت تقنية الاستشعار البصري عن بُعد في مجال الطيران والفضاء تطورًا سريعًا، لتصبح وسيلة لا غنى عنها لفهم العالم، وإدراك العلاقة بين الإنسان والطبيعة، وحماية الأمن القومي، وتعزيز التنمية المستدامة. واليوم، دخلت أقمار الاستشعار البصري المدنية في بلادي عصر الدقة دون المتر. ومن المتوقع أنه مع استمرار تحسن أداء أقمار الاستشعار عن بُعد وقدراتها التطبيقية الشاملة، سيتضح جليًا اتجاه التكامل بين تقنية الاستشعار البصري عن بُعد وتقنية المعلومات من الجيل القادم. وستواصل نماذج تطبيق الاستشعار عن بُعد عبر الأقمار الصناعية الابتكار بوتيرة متسارعة، دافعةً حياة الناس إلى عصر جديد.