An approach for Reference Point Selection in SBAS-InSAR Time Series Slope Deformation Monitoring

تخيل أنك تقف على منحدر، تراقب الأرض تحت قدميك وهي تتحرك بشكل غير محسوس على مدار أشهر أو سنوات. بالنسبة للعين البشرية، تبدو الأرض ساكنة، ولكن بالنسبة لأجهزة العلم الحديث، فهي مشهد في حركة مستمرة وبطيئة. إن قياس هذه الحركة أمر حيوي للسلامة، خاصة بالقرب من السدود أو المنحدرات الشديدة حيث يمكن أن يؤدي انزلاق مفاجئ إلى كارثة. يستخدم العلماء تقنية تسمى "رادار الفتحة الاصطناعية التداخلي" (InSAR) لتتبع هذه التحركات من الفضاء. تقوم الأقمار الصناعية بإرسال إشارات رادارية نحو الأرض وتقيس الوقت الذي يستغرقه الصدى للعودة. ومن خلال مقارنة هذه الإشارات بمرور الوقت، يمكنهم اكتشاف ما إذا كانت الأرض قد تحركت ولو ببضعة مليمترات. ومع ذلك، هناك عقبة جوهرية: لا يستطيع القمر الصناعي تحديد أين تكون الأرض "ساكنة" وأين تكون "متحركة" من تلقاء نفسه. يمكنه فقط قياس مقدار تحرك نقطة واحدة بالنسبة لنقطة أخرى. ولجعل البيانات منطقية، يجب على العلماء اختيار نقطة واحدة على الأرض لتكون بمثابة مرساة ثابتة، وهي نقطة مرجعية يفترضون أنها لا تتحرك على الإطلاق. وإذا اختاروا نقطة تتحرك فعلياً، ولو بشكل طفيف، فإن خريطة الحركة بأكملها ستصبح مشوهة، مما يظهر انزلاقات كاذبة أو يخفي مخاطر حقيقية.

لعقود من الزمن، كافح الباحثون لحل هذه المعضلة. كان الأسلوب القياسي هو البحث عن مناطق تبدو واضحة وثابتة جداً في صور الرادار، وغالباً ما يعتمدون على نقطة واحدة تبدو مستقرة. ومع ذلك، فإن هذا النهج عرضة للخطأ البشري والتحيز. فقد يختار عالم نقطة صخرة تبدو صلبة، بينما يختار آخر صخرة مختلفة، مما يؤدي إلى تقارير متضاربة حول نفس الانزلاق الأرضي. وفي بعض الحالات، قد تكون نقطة المرساة المختارة تهبط أو ترتفع بشكل طفيف، مما يجعل بقية الأرض تبدو وكأنها تتحرك في الاتجاه المعاكس. هذا اليقين جعل من الصعب الوثوق ببيانات الأقراص المدارية لاتخاذ قرارات هندسية حاسمة، مثل مراقبة استقرار سدود المخلفات، التي تحجز خلفها كميات هائلة من نفايات التعدين.

لقد طور فريق من الباحثين في جامعة ملبورن طريقة جديدة لحل هذه المشكلة، مبتعدين عن التخمين نحو عملية مؤتمتة وصارمة. فبدلاً من اختيار بكسل واحد محظوظ من الخريطة، تقوم طريقتهم بمسح المنطقة بأكملها للعثور على مناطق متعددة تبدو مستقرة. ثم يطبقون سلسلة من الفلاتر الصارمة على هذه المناطق، حيث لا يتحققون فقط من مدى وضوح صورة الرادار، بل أيضاً من مدى ترابط البيانات عبر المشهد وما إذا كانت المنطقة كبيرة بما يكفي لتكون موثوقة. فكر في الأمر كفحص مجموعة من الأشخاص لمعرفة من يقف ثابتاً تماماً؛ فأنت لن تختار أول شخص يبدو هادئاً، بل ستراقب مجموعة، وتتحقق مما إذا كانوا جميعاً يقفون معاً في تشكيل مستقر، ثم تحسب متوسط مواقعهم لإيجاد المركز الحقيقي للسكون. ومن خلال دمج البيانات من عدة مناطق مستقرة، يمكن للباحثين إلغاء الضوضاء المحلية، مثل التداخل الجوي أو التحركات الصغيرة والمعزولة، للعثور على نقطة مرجعية واحدة موثوقة للغاية.

اختبر الباحثون هذا الإطار الجديد على سد كاديا في نيوساوث ويلز، أستراليا، وهو موقع شهد فشلاً كبيراً في مارس 2018. قبل انهيار السد، كانت الأرض تتعرض لتشوه بطيء، وهو علامة تحذير كان من الصعب تفسيرها بالأساليب السابقة. طبق الفريق عملية الاختيار متعددة الخطوات على بيانات القمر الصناعي التي تغطي السد وما حوله. حددوا ثلاث مناطق متميزة استوفت جميع معايير الاستقرار الخاصة بهم واستخدموا تقنية حساب المتوسط الرياضي لتحديد أفضل نقطة مرجعية واحدة من بينها. وعندما قارنوا نتائج طريقتهم الجديدة بالأجهزة الفيزيائية التي تسمى "المناشور" (prisms) والتي تم تركيبها على السد وتقيس الحركة مباشرة، كانت المطابقة مذهلة. فقد تطابقت بيانات القمر الصناعي، المرتكزة على طريقتهم الجديدة، بشكل وثيق مع قياسات الأرض، حيث أظهرت متوسط خطأ قدره 2.24 ملم فقط. مثّل هذا المستوى من الدقة انخفاضاً بنسبة خمسين بالمائة في الخطأ مقارنة بأسوأ السيناريوهات التي تحدث عند استخدام الطرق القياسية الافتراضية لاختيار نقطة مرجعية.

ذهبت الدراسة إلى أبعد من ذلك لتثبت أن نهجهم لم يكن مجرد تخمين محظوظ لهذا الموقع تحديداً. فقد قام الباحثون بإزالة أجزاء من طريقتهم الجديدة بشكل منهجي لمعرفة أي الخطوات كانت ضرورية حقاً. ووجدوا أن الخطوات الأكثر أهمية هي تلك التي تتحقق من الشكل العام والترابط للمناطق المستقرة، مما يضمن أن النقاط المختارة ليست جزرًا معزولة من البيانات، بل جزء من مشهد مستقر ومتماسك. كما اختبروا مدى صمود الطريقة عندما يتم تقصير الفترة الزمنية التي تغطيها بيانات القمر الصناعي. واكتشفوا أنه بينما يمكن للطريقة العثور على نقاط مستقرة حتى مع بيانات أقل، فإن دقة سرعة تحرك الأرض تتحسن بشكل كبير عندما تكون فترة المراقبة أطول من عام واحد. وقد أكد هذا أن عملية الاختيار الجديدة قوية، لكن طول الوقت الذي يراقب فيه القمر الصناعي الأرض يظل عاملاً رئيسياً في الحصول على الصورة الكاملة.

من خلال استبدال الخيارات الذاتية بإطار عمل مهيكل متعدد المعايير، يقدم هذا البحث مساراً أوضح لاستخدام تقنية الأقمار الصناعية لمراقبة تحركات الأرض. ويؤكد العمل أنه مع وجود نقطة مرساة صحيحة، يمكن لتقنية (InSAR) التقاط سلوكيات الأرض المعقدة بدقة تضاهي الأجهزة الفيزيائية الموجودة على الأرض. وهذا أمر مهم بشكل خاص لسلامة البنية التحتية، حيث يمكن أن يكون الفرق بين الإنذار الكاذب والتحذير الفائت هو الفرق بين الفحص الروتيني والكارثة. وتؤكد الدراسة أن الطريقة المقترحة تزيل بفعالية خطر الخطأ البشري في اختيار النقطة المرجعية، مما يوفر للمهندسين والجيولوجيين أداة أكثر موثوقية لمراقبة التحركات البطيئة والصامتة للأرض.