Towards Drone-based Mapping of Volcanic Gases using Gas Tomography

ملخص تقني: نحو رسم خرائط الغازات البركانية باستخدام الطائرات بدون طيار (الدرونز)

بيان المشكلة
تعد مراقبة الغازات البركانية أمراً ضرورياً للتنبؤ بالثورات وفهم التأثيرات البيئية، ومع ذلك، فإن القياسات التقليدية في الموقع (in-situ) تشكل مخاطر أمنية كبيرة على الباحثين. وبينما توفر الطائرات بدون طيار بديلاً أكثر أماناً للوصول إلى التضاربات الخطرة، إلا أنها تفرض عائقاً تقنياً حرجاً: وهو "الاضطراب الهوائي الناجم عن الدفع لأسفل من المراوح" (propeller downwash). هذا الاضطراب الديناميكي الهوائي يعمل على تخفيف وتشتيت سحب الغاز مباشرة أسفل الطائرة، مما يمنع المستشعرات الموجودة في الموقع من اكتشاف الانبعاثات من المصادر ذات المعدل المنخفض، مثل البراكين الطينية في "سالينيلي دي كابوتشيني" (Salinelle dei Cappuccini). وبناءً على ذلك، غالباً ما تفشل عمليات أخذ العينات القياسية باستخدام الطائرات بدون طيار في رصد تركيزات الغاز الدقيقة أو تحديد مواقع المصادر في هذه البيئات المحددة.

المنهجية
لمعالجة مشكلة الدفع لأسفل، يقترح المؤلفون نهجاً للاستشعار عن بُعد باستخدام التصوير المقطعي للغاز (Gas Tomography) مع تقنية مطيافية الامتصاص الليزري للديود القابل للضبط (TDLAS). وبخلاف المستشعرات التي تعمل في الموقع والتي تقيس التركيز عند نقطة واحدة، يقوم نظام TDLAS بقياس التكامل لتركيز الغاز على طول مسار الليزر بين المستشعر والعاكس (ويُقاس بوحدة ppm·m).

تضمنت الدراسة إعدادين تجريبيين رئيسيين في البراكين الطينية بـ "سالينيلي دي كابوتشيني":

1. التحقق في الموقع (In-situ Validation): تم تحليق طائرة بدون طيار مجهزة بمستشعر CO2 من نوع SmartGAS FlowEvo فوق الفوهات. بالإضافة إلى ذلك، أُجريت "جولة مشي" يدوية باستخدام نفس المستشعر بعد فصله عن الطائرة ليكون بمثابة خط أساس للكشف (ground-truth) دون حدوث تداخل ديناميكي هوائي.
2. الاستشعار عن بُعد والتصوير المقطعي: تم تركيب مستشعر TDLAS على حامل ثلاثي القوائم، بينما تم تركيب عاكس على طائرة بدون طيار (أو حمله يدوياً). قام النظام بجمع قياسات متكاملة الخطوط من زوايا متعددة لإعادة بناء خريطة توزيع الغاز ثنائية الأبعاد.

الابتكار المنهجي الرئيسي هو إعادة بناء التصوير المقطعي للغاز القائم على النماذج والذي يتضمن نموذج تعويض الرياح اللاغرانجي (Lagrangian wind compensation model). نظان انتقال الغازات (advection) يؤدي إلى إزاحة جزيئات الغاز بين الانبعاث والقياس، لذا يعوض المؤلفون عن ذلك بإزاحة مواقع المستشعر والعاكس بناءً على متجه الرياح ($w_t$) وتأخير زمني ($\Delta t$). يتم تطبيق التصحيح كما يلي:
$$x^{new}_t = x_t - w_t \Delta t$$
حيث تم تحديد $\Delta t$ تجريبياً بـ 3 ثوانٍ لمراعاة زمن انتقال الغاز من الأرض إلى مستوى القياس.

المساهمات الرئيسية

• إثبات محدودية تأثير الدفع لأسفل: تقدم الورقة دليلاً تجريبياً على أن مستشعر الـ CO2 المثبت على الطائرة بدون طيار فشل في اكتشاف انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من البراكين الطينية بسبب الدفع لأسفل الناتج عن المراوح، بينما نجحت قياسات المشي اليدوية في تحديد مستويات مرتفعة من ثاني أكسيد الكربون.
• نجاح الاستشعار عن بُعد: تثبت الدراسة أن استشعار TDLAS مفتوح المسار، عند دمجه مع عاكس مثبت على طائرة بدون طيار، يمكنه بنجاح رسم خرائط لتوزيع الغاز دون أن يقوم المستشعر نفسه باضطراب السحابة.
• التصوير المقطعي المعوض للرياح: يقدم المؤلفون خوارزمية إعادة بناء مبتكرة تدمج نموذج لاغرانجي لتصحيح انتقال الغاز الناتج عن الرياح، مما يؤدي إلى استقرار خريطة توزيع الغاز ضد ظروف الرياح المتغيرة.

النتائج

• القدرة على الكشف: سجل مستشعر الـ CO2 المثبت على الطائرة بدون طمار عملية اكتشاف واحدة فقط لثاني أكسيد الكربون أثناء الطيران، بينما حددت جولة المشي اليدوية مناطق متعددة ذات كشف عالٍ ومتوسط للغاز.
• دقة إعادة البناء: أنتجت عمليات إعادة بناء التصوير المقطعي للغاز (سواء من العواكس المحمولة يدوياً أو المثبتة على الطائرة) خرائط ثنائية الأبعاد حيث يتوافق توزيع ثاني أكسيد الكربون مع مواقع الغاز المرتفعة التي تم اكتشافها بواسطة المستشعر اليدوي في الموقع.
• المقارنة: بينما كانت منطقة إعادة البناء لمجموعة بيانات الطائرة بدون طيار أصغر بسبب حدود الدقة البشرية وحجم العاكس، إلا أن قيم ثاني أكسيد الكربون القصوى والمواقع المكانية للانبعاثات كانت متسقة بين التصوير المقطعي القائم على الطائرة والبيانات اليدوية في الموقع. ويشير المؤلفون إلى أن المقارنة محدودة لأن التصوير المقطعي يوفر خريطة متوسطة زمنياً، بينما توفر مستشعرات الموقع لقطات لحظية.

الأهمية
تزعم الورقة أن التصوير المقطعي للغاز القائم على النماذج يتغلب بفعالية على القيود الديناميكية الهوائية الناتجة عن الدفع لأسفل من الطائرات بدون طيار، مما يسمح برسم خرائط دقيقة للانبعاثات البركانية في البيئات التي تفشل فيها عملية أخذ العينات المباشرة بالطائرات. ومن خلال الجمع بين الاستشعار عن بُعد وتعويض الرياح، يوفر هذا النهج طريقة أكثر أماناً وموثوقية لمراقبة انبعاثات الغازات البركانية، لا سيما للمصادر ذات الانبعاثات المنخفضة. وتؤكد هذه الدراسة جدوى استخدام العواكس المثبتة على الطائرات بدون طيار لرسم خرائط توزيع الغاز سريعة وواسعة النطاق دون الحاجة لدخول المستشعر فعلياً في سحابة الغاز.