تقنيات متطورة في مجال الاستشعار عن بعد لدعم أبحاث الكربون

تمتلك جامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية (كاوست) مختبرات ومرافق علمية متطورة تضم أحدث الأجهزة والتقنيات العلمية التي تساهم في دعم أبحاثها الإستراتيجية. ومن بين هذه المرافق البحثية مختبر الرصد المائي والزراعي والأرضي (HALO) المجهز بأحدث أدوات الاستشعار عن بعد من مختلف الأحجام والأشكال والألوان التي تُستخدم للتحقق من صحة البيانات المأخوذة خلال الدراسات الميدانية في غابات المنغروف في محمية كاوست الطبيعية.
يقول كاسبر يوهانسن، محلل صور الاستشعار عن بعد وعالم أبحاث في مختبر (HALO): «نستخدم طائرة درونز متعددة المحركات تسمى (DJI Matrice 100) لالتقاط آلاف الصور لغابات المنغروف من زوايا متعددة، ثم نقوم بتجميع هذه الصور لإنشاء نموذج ثلاثي الأبعاد عالي الدقة للموقع».
يعمل يوهانسن، الذي يهوى التقنية والتحكم بطائرات الدرونز، مع الفريق البحثي الخاص بالبروفيسور ماثيو مكابي، أستاذ الاستشعار عن بعد والأمن المائي في «كاوست»، ومدير مبادرة المناخ وقابلية العيش. وتتمحور الأبحاث التي يقوم بها الفريق بصورة أساسية على استخدام أدوات الاستشعار عن بعد لرسم خرائط للمواقع الزراعية ورصد صحة النبات واستهلاك المياه وكمية التبخر والري وغيرها من البيانات التي يمكن الاستفادة منها لتحسين إدارة المحاصيل والأمن المائي والمرونة الغذائية.
ويقع أحد هذه المواقع في منطقة الجوف شمال وسط المملكة العربية السعودية، في واحدة من أكبر مزارع الزيتون في العالم. يذكر أن علماء مختبر (HALO) يعملون أيضاً وبشكل وثيق مع وزارة البيئة والمياه والزراعة في المملكة في مختلف المواقع الزراعية في جميع أنحاء المملكة، ويتعاونون مع باحثين آخرين في «كاوست» خصوصاً في الأبحاث المتعلقة بالنباتات، مثل الأبحاث التي يجريها مركز الزراعة الصحراوية في الجامعة على محاصيل الكينوا والطماطم.
ولكن أكثر ما يميز الأبحاث في غابات المنغروف عن بقية الدراسات المسحية الأخرى هو تركيزها على دراسة عزل الكربون. حيث تمتص أشجار المنغروف الكربون أكثر من أي نظام بيئي أرضي آخر، بما في ذلك الغابات المطيرة. ويجري علماء مختبر (HALO) دراسات مكثفة لأشجار المنغروف السائدة في البحر الأحمر؛ بهدف تحديد كمية الكربون الذي تلتقطه هذه الأشجار من الغلاف الجوي وتخزنه في الأرض.
واليوم، يُنظر لأنظمة غابات المنغروف كإحدى الطرق النظيفة والفاعلة في موازنة انبعاثات غاز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي والمساهم في حيادية الكربون التي تعتبر أولوية عالمية. فكلما تطورت معرفتنا كلما تمكنا من تعزيز هذه النظم البيئية وحافظنا عليها. وتشكل أبحاث المنغروف التي يجريها يوهانسن مع فريقه جزءاً من مبادرة تدوير الكربون في «كاوست» باعتماد الحلول القائمة على الطبيعة. وهذا جزء من جهد أوسع لدعم أهداف المملكة العربية السعودية في مجال الحفاظ على البيئة وزيادة المسطحات الخضراء والتشجير، التي تشمل أيضاً أشجار المنغروف على طول ساحل البحر الأحمر والساحل الشرقي للبلاد.
يقوم يوهانسن ببرمجة طائرة الدرونز (M100) لتتبع مسار طيران محدد مسبقاً فوق موقع محدد، وبنمط متوازٍ ومتداخل لإنتاج صور ذات تباين ثلاثي الأبعاد يقدم معلومات حقيقية عن خصائص الانعكاس الطيفي لأشجار المنغروف.
البيانات الدقيقة من أوراق النبات
تعمل ماريانا إلياس لارا، طالبة الماجستير في «كاوست»، مع يوهانسن وعلماء آخرين في فريق (HALO) على أبحاث تعافي النظم البيئية المائية ومعالجة المياه مع التركيز على أبحاث احتجاز الكربون. وتستخدم معدات خاصة لجمع البيانات من الأرض في غابات المنغروف، التي عبارة عن متاهة موحلة من الجذور البارزة وأوراق الشجر الكثيفة، وعادة ما يكون الهواء فيها حاراً ورطباً، ولكنها المكان الفعلي للحصول على بيانات غنية عن الكربون.
تستخدم إلياس جهازا محمولا يسمى (LI-6400XT)، يعمل بنظام التمثيل الضوئي لقياس نسبة تبادل الغازات. فمن خلال أخذ عينات عدة من أوراق الأشجار، يمكنها تقدير كمية امتصاص الكربون للشجرة بأكملها بناءً على قراءة مساحة صغيرة في كل ورقة لا تتجاوز 2 × 2سم. ويستطيع الجهاز توضيح مقدار ثاني أكسيد الكربون الذي تمتصه الورقة ومقدار بخار الماء المنبعث منها.
وتوضح إلياس أهمية البيانات التي تتحصل عليها من خلال أوراق الأشجار، ولكن في الوقت نفسه تؤكد أن هذه البيانات ليست كاملة وتحتاج لقدرات طائرة الدرونز التي يمكنها تقديم صورة أشمل لكامل الموقع، وتقول: «نحن بحاجة إلى البيانات التي تقدمها طائرات الدرونز، لذلك طورنا نموذجاً جديداً يربط بين مجموعتي البيانات الجوية والأرضية حتى نتمكن من أخذ بيانات المنطقة بأكملها. ومن ثم يمكن الترقية إلى صور الأقمار الاصطناعية حتى نحصل على رؤية شاملة لأماكن أخرى في البحر الأحمر».
سامر المشواري، هو مهندس وعالم أبحاث في مجال الهيدرولوجيا والتبخر في «كاوست» ويعمل أيضاً منسقاً في مختبر (HALO)، حيث يمتلك خبرة كبيرة في تشغيل وصيانة جميع المعدات والأجهزة المختبرية، إضافة لاستخدامها في تحليل البيانات سواء في المختبر أو الميدان. ومن بين الأجهزة الأساسية التي يستخدمها في أبحاث غابات المنغروف جهاز تحليل النبات (LI-COR LAI-2200) الذي يمكنه حساب مؤشر مساحة الأوراق (LAI)، واستنتاج المساحة الإجمالية لأوراق الشجر من سطح الأرض إلى غطاء الأوراق أعلى الشجرة. ويستخدم الجهاز مستشعراً بصرياً بمجال رؤية يبلغ 148 درجة لقياس مستويات الضوء في غابات المنغروف. ولكي يحصل العلماء على تقديرات أكثر موثوقية، يقومون عادةً بجمع البيانات في فترات الشفق (قبل شروق الشمس وبعد غروب الشمس) لتجنب تأثير أشعة الشمس المباشرة.
يقول المشواري: «إن توقيت القياسات يمثل تحدياً كبيراً لنا خصوصاً أننا نريد تغطية أكبر مساحة ممكنة من الحقل خلال فترة الشفق، التي لا تتجاوز 30 أو 40 دقيقة فقط. وقد نضطر في معظم الأوقات للانتظار حتى غروب الشمس لفترة الشفق الثانية لجمع القياسات المتبقية، مما يزيد في فترة بقائنا في الموقع».
ومن خلال تحديد مناطق مسح الأوراق بصورة مبكرة، يستطيع المشواري وغيره من العلماء تحديد المناطق المراد دراستها بدقة في صور طائرات الدرونز، وإنتاج خريطة تستخدم مجموعتي البيانات الجوية والأرضية لتحدد مقدار التمثيل الضوئي الذي يحدث داخل منطقة التصوير في الميدان. وبمساعدة كل من طائرات الدرونز والأقمار الاصطناعية، يمكن رفع مستوى هذه المعلومات عبر منطقة أكبر بكثير للحصول على فهم أفضل للتنوع المكاني ومقدار عزل الكربون على المستوى الإقليمي.
التطبيقات المستقبلية
هذه البيانات المستمدة من تقنيات الاستشعار عن بعد، سواءً كانت طائرات الدرونز أو أجهزة القياس الأرضية أو صور الأقمار الاصطناعية، تساعد علماء مختبر (HALO) في «كاوست» على تقييم كمية الكربون المحتجزة. وبحسب ماريانا إلياس فإن هذه التقنيات مكملة لبعضها البعض، وهي التي تجعل أبحاثهم فريدة من نوعها خصوصاً في مجموعة من التطبيقات المستقبلية ولأنواع أخرى من النباتات.
ويشير يوهانسن إلى أن النظم البيئية لأشجار المنغروف هي مجال حيوي لأبحاث عزل الكربون، ولكنهم في مختبر (HALO) ينظرون أيضاً إلى قدرة المحاصيل الزراعية الأخرى مثل أشجار الزيتون على عزل الكربون.
بمجرد تحديد المؤشرات اللازمة بناءً على القياسات الهيكلية للأشجار من بيانات طائرات الدرونز والأقمار الاصطناعية، مثل ارتفاع جذع الشجرة وقطره، وكثافة الخشب، وتفرعات الأغصان، وما إلى ذلك، يمكن للعلماء تطوير ما يسمى بالمعادلات التماثلية -المتعلقة بالخصائص عبر المقاييس- لتقدير الكتلة الحيوية وما يرتبط بها مستويات تخزين الكربون في المنطقة.
ويفيد يوهانسن بأنه يجب أيضاً الأخذ بالاعتبار أنشطة إنتاج الكربون الأخرى في الأراضي الزراعية، مثل الأسمدة والري والحصاد والنقل، التي يمكن تضمينها في المعادلات التماثلية مقابل كمية الكربون المعزولة لتقدير المكسب الفعلي.
كما يقوم فريق مختبر (HALO) بدراسة طرق تطبيق بيانات عزل الكربون على أنشطة البناء والتطوير الساحلي في بيئة أشجار المنغروف وتأثير ذلك على البيئة، خصوصاً إذا ما أخذنا في الاعتبار أن أشجار المنغروف تحمي الشواطئ من العواصف، وتمنع التآكل، وتوفر موطناً للحياة البحرية وسبل العيش لمجتمعات الصيادين، والأهم من ذلك كله دورها الكبير في عزل كميات كبيرة من غاز ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي.
ويقول يوهانسن: «نستطيع من خلال خرائط عزل الكربون في النظم البيئية لأشجار المنغروف تقدير التأثير الكبير لها في حماية البيئة، وبالتالي إظهار مدى أهميتها لصانعي السياسات كي يتمكنوا من سن تشريعاتهم وفقاً لذلك».
ومن ناحية أخرى، فإن التربة هي بنفس الأهمية للنظم البيئية لأشجار المنغروف، لأنها تخزن كميات هائلة من الكربون. وفي هذا السياق يتم في «كاوست» أبحاث تعاونية مهمة في هذا المجال كالتي يقوم به باحثا «كاوست» البروفيسور دانييلي دافونشيو، والبروفيسور كارلوس دوارتي لتحليل محتوى الكربون في التربة كثيفة الأشجار لمعرفة ما إذا كان محتوى التربة الكربوني يختلف من بيئة لأخرى. ويمكن استخدام بيانات الأشجار الملتقطة من صور طائرات الدرونز كمؤشر على محتوى الكربون في التربة.
كما يجري الباحث وزميل ما بعد الدكتوراه في «كاوست» الدكتور خافيير بلانكو ساكريستان مشروعاً بحثياً طموحاً يستخدم صور الأقمار الاصطناعية لرسم خرائط لكافة غابات المنغروف في البحر الأحمر. ويقوم فريق آخر من باحثي «كاوست»، بمن فيهم البروفيسور إبراهيم حطيط، بدراسة الاختلافات بين الخرائط الحالية والبيانات الجديدة التي تم جمعها لتحديد المناطق التي لم يتم النظر فيها سابقاً. ويتضمن ذلك دراسة المدخلات المختلفة حول المكان الذي يمكن أن تنمو فيه أشجار المنغروف، والظروف البيئية المختلفة مثل الارتفاع عن سطح البحر، والمد والجزر، ودرجة حرارة الماء، ونوعية التربة والمسطحات الرملية.
يقول يوهانسن: «أكثر ما يميز غابات المنغروف هو عدم حاجتها للري أو المياه العذبة. ونحن في غاية الحماس لمواصلة بحثنا كي نخرج بنتائج تثبت مدى فائدتها، وبالتالي إحداث التأثير في السياسات والطرق التي تدير بها الدول هذه الموائل البيئة المهمة».
وتعد طائرات الدرونز من أدوات الاستشعار عن بعد المهمة في مختبر (HALO) في «كاوست» التي تُستخدم لجمع البيانات عن النظم البيئية لأشجار المنغروف والمواقع الزراعية المتنوعة.
كاسبر يوهانسن، عالم الأبحاث في «كاوست» ومحلل صور الاستشعار عن بعد في مختبر (HALO)، يتحكم في طائرة درونز من نوع (M600) فوق أشجار الزيتون لمراقبة صحتها وكمية استهلاكها للمياه.