A multi-river contactless airborne river bathymetry dataset

لفهم النهر، يجب على المرء أن ينظر تحت السطح. فبالنسبة للعلماء الذين يدرسون الفيضانات، أو يديرون موارد المياه، أو يتتبعون كيفية تغير المناظر الطبيعية، فإن شكل مجرى النهر لا يقل أهمًا عن المياه المتدفقة فوقه. هذا التضاريس الخفية، المعروفة باسم "القياسات الأعماق" (bathymetry)، هي التي تحدد سرعة حركة المياه، وأين تتجمع، ومدى ارتفاعها أثناء العواصف. تقليديًا، كان رسم خرائط هذه التضاريس المائية مهمة بطيئة وصعبة وغالبًا ما تكون خطيرة؛ إذ تتطلب عادةً من الناس الخوض في الماء، أو الصعود على متن القوارب، أو إنزال معدات ثقيلة في التيار. وتتحدد هذه الأساليب بمدى عمق المياه، وسرعة تدفقها، وما إذا كانت الضفاف سهلة الوصول. وفي العديد من المواقع النائية أو الخطرة، كان الحصول على هذه البيانات الحيوية أمرًا مستحيلاً تقريبًا، مما ترك فجوات في فهمنا لكيفية سلوك الأنهار.

تقدم دراسة جديدة طريقة مختلفة لرؤية ما يكمن تحت السطح. فقد أنشأ باحثون من جامعات ومعاهد عبر أوروبا وأفريقيا مجموعة مفتوحة وكبيرة من قياسات أعماق الأنهار التي تم أخذها دون لمس الماء أبدًا. وباستخدام طائرات بدون طيار (درونز) مجهزة بمستشعرات خاصة، حلقوا فوق سبعة أنهار مختلفة، ملتقطين خرائط تفصيلية لمجاري الأنهار من الجو. ووجد الفريق أن هذه الأساليب غير التلامسية تعمل بشكل جيد للغاية، حيث تضاهي دقة المسوحات الأرضية التقليدية مع القدرة على الوصول إلى أماكن لا تستطيع القوارب والناس الوصول إليها. ومن خلال إتاحة هذه البيانات للجمهور مجانًا، قدم الباحثون أداة قيمة لتحسين التنبؤ بالفيضانات، وفهم بيئة الأنهار، وتطوير النماذج الحاسوبية التي تساعدنا في إدارة مواردنا المائية.

بدأ المشروع بهدف بسيط ولكنه طموح: جمع بيانات أعماق عالية الجودة من مجموعة متنوعة من الأنهار الواقعية. وبين أواخر عام 2023 ومنتصف عام 2025، قام الفريق بمسح 81 مقطعًا عرضيًا محددًا عبر سبعة أنهار تقع في السويد وألمانيا وإيطاليا وبنين ونيجيريا. وتتفاوت هذه الأنهار كثيرًا في الحجم والطابع، من المياه الباردة والصافية لنهر تورني في الشمال إلى القنوات الدافئة والغنية بالرواسب في نهر أوغون في غرب أفريقيا. لم يكن الهدف مجرد أخذ بعض القياسات، بل بناء مجموعة بيانات شاملة يمكن استخدامها لاختبار وتحسين كيفية رسم خرائط الأنهار من السماء.

ولتحقيق ذلك، اعتمد الفريق على أسطول من الطائرات بدون طيار، وبشكل أساسي طراز "دي جي آي ماتريس 300" (DJI Matrice 300)، وهي تحمل نوعين رئيسيين من المستشعرات. كان الأول نظام رادار يخترق الماء، يرسل موجات كهرومغناطيسية عبر الهواء والماء. وعندما تصطدم هذه الموجات بسطح الماء، يرتد بعضها فورًا، بينما ينتقل الجزء المتبقي عبر الماء، ويصطدم بقاع النهر، ثم ينعكس للأعلى. ومن خلال قياس الفرق الضئيل في الوقت الذي تستغرقه هاتان الإشارتان للعودة، يمكن للنظام حساب عمق المياه. أما المستشعر الثاني فهو جهاز سونار يستخدم الموجات الصوتية بدلاً من الموجات الراديوية. وخلافًا للرادار، يجب أن يكون السونار في تماس مباشر مع الماء، حيث يتدلى أسفل الطائرة بدون طيار بواسطة حبل. وقد استخدم الباحثون كلا الطريقتين لمقارنة نتائجهما، مع اعتبار السونار والقياسات الأرضية التقليدية معيارًا معروفًا للتحقق من دقة تقنية الرادار الجديدة.

أظهرت النتائج أن طريقة الرادار المعتمدة على الطائرات بدون طيار فعالة للغاية. ففي الأجزاء التي استطاع فيها الفريق مقارنة بيانات الطائرة بدون طيار مع القياسات الأرضية التي أخذها أشخاص باستخدام أجهزة GPS عالية الدقة، كانت قياسات الرادار قريبة جدًا. وكان الفرق بين قراءة الطائرة بدون طيار والحقيقة الأرضية حوالي 12 سنتيمترًا عادةً، مع كون معظم الأخطاء أصغر من ذلك. وتعد هذه الدرجة من الدقة كافية للعديد من التطبيقات الهامة، مثل تصميم الدفاعات ضد الفيضانات أو نمذجة كيفية حركة المياه عبر القناة. كما أكدت الدراسة أن طريقة الرادار تتمتع بمزايا واضحة على السونار؛ لأن الرادار لا يحتاج إلى لمس الماء، مما يسمما له للطيران فوق التيارات سريعة الحركة والمناطق المليئة بالنباتات المائية حيث قد يواجه السونار المرتبط بحبل صعوبة أو يتعرض للتشابك.

ومع ذلك، لاحظ الباحثون أيضًا أن طريقة الرادار ليست مثالية في كل موقف. فقدرتها على رؤية قاع النهر تعتمد بشكل كبير على الخصائص الكهربائية للمياه. ففي الأنهار التي تحتوي على مستويات عالية جدًا من الأملاح أو المعادن الذائبة، يمكن للموجات الراديوية أن تُمتص قبل أن تصل إلى القاع، مما يجعل من الصعب الحصول على قراءة. ووجد الفريق أنه عندما تصبح الموصلية الكهربائية للمياه عالية جدًا، تنخفض كفاءة الرادار بشكل كبير. وفي المقابل، لا تتأثر أجهزة السونار والمسوحات الأرضية التقليدية بهذه المشكلة. وهذا يعني أنه بينما يعد الرادار أداة قوية للعديد من الأنهار، فإنه يعمل بشكل أفضل في المياه العذبة نسبيًا والخالية من معادن معينة.

إن مجموعة البيانات التي نشرها الفريق هي أكثر من مجرد مجموعة من الأرقام؛ فهي مورد مصمم لمساعدة العلماء والمهندسين الآخرين. تتضمن البيانات ليس فقط قياسات العمق، بل أيضًا الموقع الدقيق لكل نقطة، مما يسمح للمستخدمين بإعادة بناء الشكل ثلاثي الأبعاد لقاع النهر. وللمرة الأولى، يمتلك الباحثون وصولًا إلى مجموعة كبيرة من مقاطع الأنهار من قارات مختلفة، تم جمعها باستخدام نفس التقنية الحديثة. وهذا يتيح مقارنة مباشرة لكيفية سلوك الأنهار المختلفة وكيفية أداء تقنيات القياس المختلفة تحت ظروف متنوعة. وتُستخدم هذه البيانات بالفعل لاختبار طرق جديدة لتقدير تدفق الأنهار من الفضاء وتحسين النماذج الحاسوبية التي تتنبأ بالفيضانات.

من خلال إثبات أن الطائرات بدون طيار يمكنها رسم خرائط لأعماق الأنهار بدقة دون دخول الماء، تفتح هذه الدراسة الباب أمام مراقبة أكثر تكرارًا وأمانًا لمجارينا المائية. فالأنهار تتغير باستمرار، بفعل التآكل، والرواسب، والنشاط البشري. وإن القدرة على رسم خرائط لهذه التغييرات بسرعة وأمان أمر ضروري للحفاظ على سلامة المجتمعات وإدارة الموارد المائية بفعالية. ويشير نجاح هذا المشروع إلى أنه في المستقبل القريب، قد نتمكن من تحديث خرائط أنهارنا بنفس السهولة التي نحدث بها توقعات الطقس، باستخدام السماء لرؤية ما يكمن تحت السطح.