طائرة DJI M350 بدون طيار وكاميرا متعددة الأطياف لمراقبة جودة مياه الأنهار والكشف عن التلوث

١. نظرة عامة على المشروع

في أبريل ٢٠٢٤، استخدمت شركة راموتون نظام استشعار عن بُعد متعدد الطيف مُركَّب على طائرة مُسيرة للحصول على بيانات متعددة الطيف من نهر في تشينغداو، مع جمع بيانات عيِّنات المياه في الموقع في الوقت نفسه. وتم إجراء تقييم نوعي لتلوث البيئة المائية والانعكاس الكمي لمعايير جودة المياه من خلال المعالجة المسبقة لصور متعددة الطيف، وتحليل درجة التلوث، واختبار بيانات عيِّنات المياه، مما قدَّم أدلةً ذات صلة لمراقبة البيئة المائية لهذا النهر.

٢. جمع البيانات

جمع بيانات الطائرات المسيرة متعددة الطيف: استُخدم في هذه المرحلة نظام الاستشعار عن بُعد متعدد الطيف M300 RTK + RT600 Pro لجمع البيانات، والذي تبلغ مدة طيرانه القصوى ٣٥ دقيقة، ويمكنه تغطية مساحة تصل إلى ٥ كيلومترات مربعة في رحلة واحدة.

معلمات الطيران

جمع بيانات عينات المياه: وُجد أن عينات المياه المأخوذة من النهر قد جُمعت في الوقت نفسه مع بيانات الطائرة المسيرة باستخدام جهاز أخذ عينات غاطس، حيث أُخذت كل عينة على عمق ٠٫٥ متر تحت سطح الماء.

في هذا الكشف متعدد الأطياف عن نوعية المياه، قيست تسعة مؤشرات لجودة المياه: الكلوروفيل (أ)، والفسفور الكلي، والنيتروجين الكلي، ومؤشر برمنجنات البوتاسيوم، والشفافية، والأكسجين المذاب، والطلب الكيميائي على الأكسجين، والتعكر، والمواد العالقة الكلية. وقد جرت قياسات الأكسجين المذاب والشفافية في الموقع، بينما أُجري اختبار باقي معايير جودة المياه في المختبر وفقًا للمعايير الوطنية أو الصناعية مثل “مطيافية الامتصاص الضوئي” و“طريقة المجس” و“الطريقة الوزنية”.”

٣. معالجة البيانات مبدئيًّا

في البداية، خضعت البيانات متعددة الأطياف الأولية لمعالجة مبدئية باستخدام برنامج متخصص، عبر ثلاث خطوات: تسجيل الحزم الطيفية، وتجميع الصور، ومعايرة الانعكاسية، مما أدى في النهاية إلى إنشاء صورة طولية متعددة الأطياف (DOM) للمنطقة الخاضعة للمسح.

٤. تحليل حالات التغذية الزائدة وتلوث المياه السوداء ذات الرائحة الكريهة

باستخدام وحدتي تحليل “البيئة النهرية – تحليل التغذية الزائدة” و“تحليل تلوث المياه السوداء ذات الرائحة الكريهة” المدمجَتين في برنامج تطبيقي صناعي مطوَّر داخليًّا، جرى تحليل صور TIFF المُعالجة مبدئيًّا، ما سمح بتصدير ملفات الشبكة (raster) والخرائط الموضوعية الخاصة بـ“التغذية الزائدة/المياه السوداء ذات الرائحة الكريهة” بنقرة واحدة.”

٤.١ تحليل إثراء المياه

يشير إثراء المياه إلى التراكم المفرط للمواد المغذية (مثل النيتروجين والفوسفور) في المجاري المائية، مما يؤدي إلى نمو مفرط للطحالب والنباتات المائية. ويمكن أن يؤدي هذا الظاهرة إلى نمو طحلبي مفرط، واستنزاف الأكسجين في الماء، وحدوث نقص حاد في الأكسجين (الهيبوكسيا)، واضطراب توازن النظم الإيكولوجية المائية، بل وقد تؤدي في بعض الحالات إلى «موت» المجاري المائية.

وبناءً على نتائج تحديد تلوث المياه السوداء ذات الرائحة الكريهة، ظهر أن النهر كان في الغالب في حالة غير سوداء وغير كريهة الرائحة. وعند دمج هذه النتائج مع بيانات القياسات الميدانية، تبين أن مؤشري الأمونيا النيتروجينية والأكسجين المذاب كانا بعيدين جدًّا عن مستويات التلوث التي تُصنَّف على أنها مياه سوداء ذات رائحة كريهة. ويُظهر التحليل الشامل أن أداء خوارزمية تحديد المياه السوداء ذات الرائحة الكريهة كان ممتازًا.

٥. الاستنتاج الكمي لمعايير نوعية المياه

استنادًا إلى صور الطيف المتعدد التي تم جمعها بواسطة طائرة درون من طراز DJI Matrice ٣٥٠، ومعطيات نوعية المياه المرتبطة بها، أُجري تحليل للبيانات لإنشاء نموذج علاقة كمي بين معايير نوعية المياه وبيانات الاستشعار عن بُعد الطيفية المتعددة، مما مكّن من تحقيق استنتاج كمي لمختلف معايير نوعية المياه الخاصة بالجسم المائي المستهدف. ويوضح الشكل أدناه توزيع نقاط أخذ العينات.

تشمل المؤشرات التسع المقاسة لنوعية المياه: الكلوروفيل (أ)، والمجموع الكلي للفوسفور، والمجموع الكلي للنيتروجين، ومؤشر برمنجنات البوتاسيوم، والشفافية، والأكسجين المذاب، والطلب الكيميائي على الأكسجين، والتعكر، والمواد العالقة الكلية، مع عرض نتائج الاستنتاج الكمي في الشكل أدناه.

وقد جرى تقييم دقة نتائج الاستنتاج باستخدام متوسط الخطأ النسبي (MRE) والجذر التربيعي لمتوسط مربعات الخطأ (RMSE)، مع عرض نتائج تقييم الدقة لكل مؤشر في الجدول ٢.

ومن الجدول، يمكن ملاحظة أنه باستثناء المجموع الكلي للنيتروجين، فإن متوسط الخطأ النسبي لكل معلمة من معايير نوعية المياه أقل من 30%، مما يلبي احتياجات المراقبة الروتينية والمتكررة عالميًّا لنوعية المياه.

على الرغم من أن متوسط الخطأ النسبي للنيتروجين الكلي كبير نسبيًا، فإن مقدار الجذر التربيعي لمتوسط المربعات الخاطئة (RMSE) صغير نسبيًا. وبأخذ محتوى النيتروجين الكلي المقاس في الاعتبار، يتضح أن تدرّج التوزيع لقيم النيتروجين الكلي في هذه النهر غير متجانس، مما يؤثر على حساسية استنتاج قيم النيتروجين الكلي. وستُركِّز عمليات تحسين الخوارزميات المستقبلية على تحقيق توازن أفضل لتوزيع البيانات والتعامل مع التباين في البيانات لضمان دقة استنتاج جميع معايير جودة المياه.

٦. ملخّص المشروع

تتيح تقنية الاستشعار عن بُعد متعدد الأطياف باستخدام طائرة درون DJI M350 الحصول على معلومات طيفية غنية عن الأجسام الأرضية، ما يمنحها مزايا فريدة وآفاق تطبيق واسعة في مجال مراقبة جودة المياه البيئية في الأنهار. وتستمر الأبحاث الجارية حول تقنية الاستشعار عن بُعد متعدد الأطياف باستخدام الطائرات المسيرة وخوارزميات تطبيقها في التعمق أكثر فأكثر. وبالمقارنة مع صور الاستشعار عن بُعد بالسواتل، فإن بيانات الطائرات المسيرة متعددة الأطياف توفر جمع بيانات أكثر دقة ومرونة وذات دقة زمنية ومكانيّة أعلى، وهي مناسبة لمهمات المراقبة عن بُعد التي تستهدف الأنهار والسواحل. أما بالمقارنة مع طرق أخذ العيّنات اليدوية التقليدية، فإن تقنية الاستشعار عن بُعد متعدد الأطياف يمكن أن تقلل تكاليف الحصول على معايير جودة مياه الأنهار وتوفر عرضًا شاملاً لحالة جودة المياه في المنطقة المستهدفة، مما يجنّب الأخطاء المرتبطة بتقييمات “النقاط المفردة” للبيئة المائية.