تطوير منهجية لإنشاء نموذج رقمي للتضاريس للمجاري باستخدام SfM بواسطة طائرات بدون طيار وسحابة نقاط LiDAR

لماذا يهم رسم قيعان الأنهار

الأنهار تفعل أكثر بكثير من مجرد نقل المياه. تتحكم مجاريها وكثبانها وشطآنها في الفيضانات، وتوفر موائل للحياة البرية، وتشكل كيفية تحرك التلوث إلى المصب. ومع ذلك، فإن الحصول على خريطة دقيقة لقاع النهر والأراضي المجاورة يعد أمراً صعباً بشكل مفاجئ، لا سيما في الجداول الضحلة المملوءة بالنباتات حيث تعجز القوارب والسونار والأشخاص المزودون بقضبان المسح عن الوصول. تُظهر هذه الدراسة كيف يمكن للطائرات منخفضة الارتفاع، وأجهزة المسح بالليزر، ومرشحات الحوسبة الذكية أن تتعاون لبناء خرائط مفصلة "لأرض عارية" لمجرى كوري، مقدمة رؤية أكثر أمانًا وسرعةً وكمالًا للشكل المخفي للأنهار.

عيون جديدة في السماء فوق مجرى معقد

ركز الباحثون على امتداد طوله 2.8 كيلومتر من مجرى بوكها في إيتشون، كوريا الجنوبية، وهو مشهد من المجاري المتعرجة والكثبان الطينية وسهول الفيضانات وأشجار الضفاف الشاهقة. ستكون عمليات المسح التقليدية هناك بطيئة وخطيرة وعاجزة عن التقاط كل الانحناءات والغُور. بدلاً من ذلك، استخدم الفريق نوعين من الطائرات بدون طيار. حملت إحداها جهاز مسح ليزري (LiDAR) يرسل نبضات ضوئية ويقيس زمن عودتها، منتجًا سحابة كثيفة من النقاط ثلاثية الأبعاد قادرة على اختراق المَلاَئِم النباتية إلى الأرض. وحلقت الأخرى مزودة بكاميرا متعددة الأطياف واستخدمت تقنية تُدعى الهيكل من الحركة (SfM)، تدمج العديد من الصور المتداخلة لتكوين سحابة نقاط ثلاثية الأبعاد أخرى. معًا قدمت هاتان الرؤيتان التكميليتان تغطية كثيفة لكل من الضفاف المكسوة بالنباتات والقناة الضحلة والواضحة إلى حد كبير.

فصل الماء عن اليابسة والأرض عن العوائق

تسجل سحب النقاط ثلاثية الأبعاد الخام كل شيء: الأوراق، والفروع، والمباني، والضوضاء الجوية، وانعكاسات الماء المتماوج. لنمذجة التضاريس الحقيقية فقط، يجب إزالة هذه النقاط الزائدة. أولًا ميز الفريق الماء عن اليابسة باستخدام مؤشر بسيط قائم على اللون يُسمى مؤشر الفرق المعياري للماء (NDWI)، الذي يقارن مدى سطوع كل بكسل في نطاق الأخضر وقرب الأشعة تحت الحمراء. وُسمت البكسلات ذات القيم فوق حد معين كمياه. في المناطق اليابسة، فضّل الباحثون نقاط LiDAR لأن نبضات الليزر يمكنها الانزلاق بين الأوراق إلى التربة. في مناطق الماء، حيث يعكس LiDAR غالبًا السطح ولا "يرى" العمق، اعتمد الباحثون بدلًا من ذلك على بيانات SfM المعتمدة على الصور، والتي يمكنها أحيانًا تتبُّع ميزات قاع المجرى عبر مياه ضحلة ونقية نسبيًا.

اختبار ثلاث "مكانس رقمية"

جاءت بعد ذلك الخطوة الأصعب: تنظيف النقاط النباتية والأجسام غير الأرضية الأخرى مع الحفاظ على الشكل الحقيقي للشطآن والقاع. قارن الفريق ثلاث مرشحات أرضية مستخدمة على نطاق واسع، أو ما يسميه البعض "مكانس رقمية". يتخيل مرشح محاكاة القماش قطعة قماش مرنة تُلقى على سحابة نقاط مقلوبة، معتبرًا القماش أرضًا. يبني مرشح TIN التقدمي تدريجيًا سطح شبكة من النقاط المنخفضة، مضيفًا نقاطًا جديدة إذا كانت تتوافق مع قواعد الارتفاع والانحدار. أما المرشح الشكلاني البسيط (SMRF) فيقوم بتآكل وتوسيع السطح بشكل متكرر، قاصًا الأشياء العالية مثل الشجيرات والأشجار. بالنسبة لكل طريقة اختبر الباحثون العديد من إعدادات المعاملات، مضبوطة لـ LiDAR على اليابسة وSfM في المياه، ثم تحققوا من التضاريس الناتجة مقابل 11 مقطعًا عرضيًا قيس بعناية باستخدام أدوات مسح تقليدية.

إيجاد أفضل تطابق للنهر الحقيقي

حُكم على الدقة باستخدام المتوسط والفروق الجذرية لمربعات الاختلافات بين الارتفاعات المُنمذَجة والممسوحة. عندما استُخدم LiDAR وSfM كل على حدة، كان الأسلوب المعتمد على الصور أفضل بشكل عام لأنه استطاع جزئيًا التقاط القاع المغمور الذي فشل LiDAR في رصده. لكن أصفى صورة ظهرت عندما تم دمج مجموعتي البيانات: LiDAR لليابسة، وSfM للمياه، وكلاهما تم تنظيفه بواسطة مرشحات مُحسّنة. من بين الخوارزميات الثلاث، أعطى SMRF أفضل أداء عام، بأخطاء على مستوى يتراوح فقط بين 16 إلى 21 سنتيمترًا عبر المساحة بأكملها. تفوق في إزالة الشجيرات الكثيفة والأشجار العالية مع الحفاظ على ميزات حادة مثل المدرجات الصغيرة والشطآن الحادة، وهي أمور حاسمة لنماذج الفيضانات والموائل الواقعية، رغم أنه في بعض الأحيان قلل قليلاً من الارتفاعات في مناطق المياه.

ما معنى هذا للأنهار وجيرانها

عمليًا، تقدم الدراسة وصفة مُختبرة لتحويل قياسات الطائرات غير المنتظمة إلى خرائط أرض عارية دقيقة للجداول الصغيرة والضحلة. عبر فصل الماء تلقائيًا عن اليابسة ودمج بيانات الليزر والصور بذكاء، تتغلب الطريقة على العديد من نقاط العمى في المسوحات القديمة القائمة على القوارب أو الأرض. يحدد المؤلفون SMRF كأكثر مرشح موثوق عامًا لهذا النوع من الممرات النهرية المختلطة، مع ملاحظة أن طريقة محاكاة القماش ثابتة بشكل خاص في مناطق المياه الصعبة ذات النقاط السيئة. معًا، يمكن أن تساعد هذه الرؤى المهندسين والإيكولوجيين في بناء نماذج فيضان أفضل، وتخطيط مشاريع استعادة، وتتبع كيفية تغير الأنهار مع الزمن، وكل ذلك بتعرض أقل للمخاطر وتكلفة أقل في الميدان. ومع انتشار أنظمة ليزر أكثر كفاءة ومعالجات محسنة، قد تجعل هذه المقاربة رسم قيعان الأنهار عالي الدقة أداة قياسية لإدارة المجاري المائية.

الاستشهاد: Gou, J., Lee, H., Park, J. et al. Development of a stream DTM generation methodology using UAV-based SfM and LiDAR point cloud. Sci Rep 16, 5178 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35473-x

الكلمات المفتاحية: رسم خرائط الأنهار, مسح بالدرون, ليدار, نموذج رقمي للتضاريس, إيكولوجيا الجداول