استخدام الاستشعار عن بعد في مراقبة الهبوطات الأرضية بواسطة تقنية التداخل الراداري

اسم الباحث:

م. دارين جابر نوفل

اسم المشرف:

أ.د.م حنان كامل درويش  -د.م فادي عزالدين شعبان 

العنوان:

استخدام الاستشعار عن بعد في مراقبة الهبوطات الأرضية بواسطة تقنية التداخل الراداري

العام:2024

القسم:لهندسة الطبوغرافية

الملخص:

تعد ظاهرة هبوط الأرض وانزياحاتها الأفقية والرأسية من الظواهر المهمة التي يمكن أن تؤثّر بشكل كبير على البنى التحتية والبيئة وسلامة الإنسان. ولذلك، فإن دراسة هذه الظواهر ومراقبتها ضرورية جداً لفهم الأسباب والآليات الكامنة ورائها ولتحديد المخاطر المحتملة وتطوير استراتيجيات لتقليل تأثيرها.

يمكن أن يحدث هبوط الأرض نتيجة لعدة عوامل، مثل استخراج المياه الجوفية بشكل مفرط، والانضغاط الطبيعي، وأنشطة التعدين. ويمكن أن يؤدي ذلك إلى انهيار المباني والطرق والمنشآت الأخرى، فضلاً عن مشاكل بيئية أخرى.

كما يمكن أن تسبب الانزياحات الأفقية والرأسية الناتجة عن كوارث طبيعية كالانزلاقات الأرضية والزلازل تدمير المنشآت الهندسية وخصوصاً الجسور والسدود والمباني. ويمكن أن يساعد مراقبة هذه الانزياحات في التعرف على المشاكل الهيكلية المحتملة.

تركز الأطروحة المقدمة على دراسة ومراقبة وفهم التغيرات المكانية في سطح الأرض باستخدام تقنيات متقدمة في مجال الاستشعار عن بعد الفعال /الراداري. وذلك من خلال تطوير ثلاث منهجيات خاصة قائمة على استخدام تقنيات التداخل بالرادار ذي الفتحة الاصطناعية InSAR، وقياس التداخل بالمبعثر المستمر (PSI) وتقنية التداخل التفاضلي بالرادار ذي الفتحة الاصطناعية DInSAR، بالتكامل مع برامج نظم المعلومات الجغرافية مفتوحة المصدر والمجانية، وذلك لإنتاج النماذج الرقمية للارتفاعات (DEMs) ومراقبة الهبوطات الأرضية الناتجة خلال فترة زمنية طويلة، وأيضاً قياس الإزاحات الأفقية والشاقولية الناتجة عن الزلازل، في عدة مناطق من سورية وإنشاء خرائط غرضية لها. يمكن أن تساعد هذه النتائج والخرائط الغرضية في التخطيط والإدارة المستدامة للأرض، وتحسين استجابتنا للكوارث الطبيعية مثل الانهيارات الأرضية والزلازل.

في القسم الأول من البحث تم تطوير منهجية تضمن إنشاء نماذج رقمية للارتفاعات وذلك اعتماداً على دراسة تأثير مجموعة من المعاملات المثالية وغير المثالية ضمن تركيبات مختلفة لتقييم جودة وموثوقية النماذج الرقمية للارتفاعات (DEMs) المولدة باستخدام تقنية التداخل الراداري من بيانات القمر الصناعي Sentinel-1 في منطقتي تلكلخ والقريتين في محافظة حمص. وقد بينت النتائج أن الغطاء النباتي ووعورة التضاريس يلعبان دوراً مهماً في دقة النموذج الرقمي للارتفاعات. كما أن نماذج الارتفاع الرقمية المشتقة مع قيمة مثالية لخط الأساس العمودي وقيمة غير مثالية لخط الأساس الزمني في المدار الصاعد أعطت دقة أفضل من نماذج الارتفاع الرقمية المشتقة مع قيمة مثالية لخط الأساس الزمني وقيمة غير مثالية لخط الأساس العمودي. وفي حالة توفر أزواج صور من مدار صاعد ومدار هابط يأتي اتجاه حركة القمر ونوع المدار في الترتيب الأول، حيث أن المدار الهابط كان أكثر ملاءمة من المدار الصاعد في الحصول على نماذج ارتفاع رقمية أكثر دقة في منطقتي الدراسة. وتوصلنا بنتيجة هذه الدراسة إلى تحديد التركيبة المناسبة لإنشاء أفضل نماذج رقمية للارتفاعات وفقاً لمنطقة الدراسة والصور المتوفرة، حيث حصلنا على أفضل نموذج ارتفاع رقمي في منطقة القريتين السهلية ذات الغطاء النباتي المنخفض في حالة المدار الهابط من أجل خط أساس زمني (12) يوماً وخط أساس عمودي (151 م) حيث بلغت قيمة جذر الخطأ المتوسط التربيعي (RMSE) المقدار (±8.04 م). أما في منطقة تلكلخ ذات التضاريس الوعرة والغطاء النباتي الكثيف فقد حصلنا على أفضل نموذج ارتفاع رقمي أيضاً، في حالة المدار الهابط من أجل خط أساس زمني (12) يوماً وخط أساس عمودي (143 م) حيث كانت قيمة جذر الخطأ المتوسط التربيعي (RMSE) تساوي (±12.62 م).

في القسم الثاني من البحث تم تطوير منهجية خاصة أسميناهاnew_ STAMPS  لدراسة الهبوطات الأرضية الناتجة خلال فترة طويلة من الزمن وذلك اعتماداً على تقنية قياس التداخل بالمبعثر المستمر (PSI) في مدينة صافيتا (طرطوس) والمناطق المحيطة بها لتحديد قيم الإزاحات والهبوطات. حيث تم التركيز على مراقبة تشوهات سطح الأرض والهبوط باستخدام تقنيات السلاسل الزمنية للتداخل الراداري التفاضلي ذي الفتحة الاصطناعية (DInSAR). اعتمدت المنهجية المطورة على طريقة ستانفورد للمبعثرات المستمرة StaMPS، وهي طريقة متقدمة من تقنية PSI في تحديد قيم التشوه. حيث تم تطوير هذه الطريقة من خلال دراسة أفضل قيمة للعتبة المطبقة على قيم التماسك في المرحلة الأولى من المعالجة. وباستخدام 13 صورة من قمر Sentinel-1، تمت معالجة النتائج وتحليلها وتحديد الإزاحات والهبوطات وسرعة التشوه من 14 شباط 2020 حتى 31 تموز 2020. تراوحت القيمة المتوسطة لسرعة الإزاحة أو التشوه في الاتجاه (LOS) بين-39.5 مم/سنة و36.4 مم/سنة، بينما اختلفت قيم الهبوط من 0 مم إلى 27 مم، مع أعلى قيمة للهبوط في شهر نيسان 2020. كانت الطريقة المطورة new_ STAMPS قادرة على تقدير الإزاحات الرأسية والهبوطات بدقة عند مقارنتها مع نقاط التحقق، مع قيمة RMSE تبلغ ± 0.85 مم للإزاحات الشاقولية والهبوطات، بينما بلغت RMSE القيمة ± 4.8 مم في طريقة STAMPS التقليدية.

أما بالقسم الثالث والأخير من البحث فقد تم تطوير منهجية خاصة قائمة على استخدام تقنية (DInSAR) لدراسة التشوهات السطحية الناجمة عن الزلزال الذي ضرب جنوب شرق تركيا بالقرب من الحدود السورية في 6 شباط 2023 بقوة 7.8 درجة على مقياس ريختر. تم استخدام أزواج من صور القمر الصناعي Sentinel 1A في هذه الدراسة، تغطي شمال غرب سوريا وجزء من جنوب تركيا، من مسارات صاعدة وهابطة فوق منطقة تأثير الزلزال. تم إنشاء مخططات تداخل تفاضلية لهذه الصور، وتم حساب التشوهات الناتجة عن الزلزال على طول خط النظر في أربع مناطق: إعزاز، زيزفون، الإسكندرون وغازي عنتاب. تم حساب ومعالجة التشوهات الأفقية والشاقولية من خلال تطبيق معادلات خاصة وتم رسمها باستخدام برنامج QGIS من خلال واجهة تم تطويرها خصيصاً لرسم خرائط الإزاحات اعتماداً على منتجات المعالجة في برنامج SNAP. أشارت النتائج والخرائط إلى أن منطقة الإسكندرون شهدت تشوها أفقياً نحو الغرب (-26 سم إلى -6 سم) وتشوهاً شاقولياً صعودياً (رفع) (+2 سم إلى +30 سم). أما في مناطق غازي عنتاب وأعزاز وزيزافون فقد تراوحت أغلب قيم الإزاحة الأفقية بين -1 سم و+24 سم، مما يدل على الإزاحة الأفقية نحو الشرق. بينما وقعت غالبية قيم الإزاحة الرأسية بين 4- سم و+12 سم. تم التحقق من دقة المنهجية المطورة من خلال مقارنة النتائج مع بيانات محطات GPS موجودة في المنطقة، وأظهرت النتائج أن قيمة الخطأ المتوسط التربيعي RMSE بلغت حوالي ±5 سم للإزاحات الأفقية وحوالي ±1.5 سم للإزاحات الرأسية. وبالتالي، فإن RMSE الكلي الذي يشمل كلاً من الإزاحات الأفقية والرأسية يتقارب بقيمة إجمالية قدرها ± 3.7 سم.

بشكل عام، تشير النتائج إلى أن استخدام تقنيات التداخل الراداري يمكن أن تكون فعالة في مراقبة الهبوطات الأرضية في مختلف الظروف الجوية والبيئية، وقادرة على تحديد تشوهات سطح الأرض البطيئة والسريعة بدقة عالية. ومن خلال هذه المنهجيات الثلاثة المطورة، تم توفير إطار عمل لتحسين استخدام التقنيات الرادارية في مراقبة الهبوطات الأرضية وتحديد العوامل المؤثرة في دقة النتائج المستخرجة.

الكلمات المفتاحية: التداخل بالرادار ذي الفتحة الاصطناعية (InSAR)، التداخل التفاضلي بالرادار ذي الفتحة الاصطناعية (DInSAR)، قياس التداخل بالمبعثر المستمر (PSI)، طريقة ستانفورد للمبعثرات المستمرة (StaMPS)، الهبوطات، الإزاحات الأفقية والشاقولية، نظم المعلومات الجغرافية الحرة ومفتوحة المصدر QGIS. سورية

تحميل البحث