EOS-4 dual-polarised and Hybrid polarimetric data utilization for field crops and plantation monitoring

في مواسم الرياح الموسمية الرطبة والمثقلة بالغيوم في الهند، لطالما كانت مراقبة نمو المحاصيل من الفضاء لعبة تعتمد على الحظ. فالأقمار الصناعية البصرية، التي تعتمد على الضوء المرئي لالتقاط الصور، غالباً ما تُصاب بالعمى بسبب الضباب الكثيف، أو السديم، أو الأمطار الغزيرة التي تميز موسم النمو. وعندما تصبح السماء رمادية، تختفي الرؤية من الأعلى، مما يترك المزارعين والعلماء في عتمة حول صحة حقولهم. ولحل هذه المعضلة، لجأ الباحثون إلى نوع مختلف من العيون: الرادار. فخلافاً للكاميرا التي تحتاج إلى الضوء، يرسل الرادار نبضات ميكروويف غير مرئية ترتد عن الأرض وتعود إلى القمر الصناعي، مما يسمح له بالرؤية عبر السحب والظلام. وتتميز هذه التكنولوجيا بحساسية خاصة للهيكل الفيزيائي للنباتات والمياه التي تحتويها، مما يجعلها أداة موثوقة لتتبع الزراعة حتى في أسوأ الظروف الجوية. لسنوات، استخدم العلماء هذه الإشارات الرادارية لرسم خرائط للأرز ومحاصيل أخرى، لكن قمراً صناعياً جديداً قدم مؤخراً طريقة أكثر حدة وتعدداً في الاستخدامات للنظر إلى الأرض، واعداً بالكشف عن تفاصيل حول نمو النباتات كانت مخفية في السابق.

قام فريق من الباحثين من معاهد الاستشعار عن بعد وعلوم الفضاء في الهند باختبار هذه القدرة الجديدة مؤخراً مع إطلاق EOS-4، وهو قمر صناعي صُمم لحمل أدوات رادارية متطورة. كان هدفهم هو معرفة ما إذا كانت هذه البيانات الجديدة يمكن أن تفعل أكثر من مجرد تحديد أنواع المحاصيل المزروعة؛ فقد أرادوا معرفة ما إذا كان بإمكانها تتبع الحياة اليومية للحقل، من لحظة بذر البذور حتى الحصاد النهائي، وحتى مراقبة الدورات المعقدة والمتعددة السنوات لمزارع الشاي. ركزت الدراسة على مشهدين طبيعيين مختلفين تماماً: السهول شبه القاحلة والمنبسطة في "أغرا"، حيث يزرع المزارعون الأرز ودخن اللؤلؤ، وحدائق الشاي الجبلية الضبابية في "بالامبور". ومن خلال الجمع بين عمليات المسح واسعة النطاق التي تغطي مناطق بأكملها، واللقطات عالية الدقة لحقول محددة، رسم الفريق خريطة لكيفية تغير إشارات الرادار مع نمو المحاصيل ونضجها وحصادها.

في حقول "أغرا"، راقب الباحثون الأرز ودخن اللؤلؤ خلال موسم الرياح الموسمية. وقد قدم الأرز، الذي يُزرع غالباً في حقول مغمورة بالمياه، بصمة فريدة؛ فعندما تكون الحقول مغمورة في البداية وتكون النباتات الصغيرة في مرحلة الشتل فقط، تكون إشارة الرادار ضعيفة جداً لأن سطح الماء الناعم يعمل كمرآة، حيث يعكس الإشارة بعيداً عن القمر الصناعي. ومع نمو الأرز وطوله وبدء الأوراق في ملء الهواء، تصبح الإشارة أقوى، حيث ترتد بقوة أكبر. ووجد الفريق أنه من خلال مراقبة هذه التغيرات بمرور الوقت، يمكنهم التمييز بين الأرز الذي زُرع مبكراً، أو في وقته، أو متأخراً، مما يخلق صورة واضحة لجدول الحصاد عبر المنطقة. أما دخن اللؤلؤ، وهو حبوب صلبة تزدهر في الظروف الأكثر جفافاً، فقد أظهر نمطاً مختلفاً. فمع نمو النباتات من تربة عارية إلى سيقان كثيفة وطويلة، زادت إشارة الرادار بشكل مطرد، وبلغت ذروتها عندما كان المحصول في أوج اكتماله. استخدم الباحثون مؤشراً محدداً، وهو عملية حسابية تعتمد على كيفية ارتداد الرادار عن النباتات، لتتبع هذا النمو. ووجدوا أن هذا المؤشر يرتفع مع ازدياد كثافة المحصول ثم ينخفض مرة أخرى عندما تجف النباتات ويتم حصادها، تاركة وراءها فقط بقايا السيقان أو الحزم. وقد سمح لهم ذلك بتحديد الوقت بدقة متناهه متى كان المحصول جاهزاً للقطع ومتى أصبحت الحقول فارغة.

ولفهم النباتات بمزيد من التفصيل، استخدم الفريق أيضاً وضعاً عالي الدقة للقمر الصناعي يمكنه رؤية الحقول الفردية بوضوح مذهل. لقد جمعوا عينات فيزيائية من الأرض، وقاسوا وزن النباتات وطولها، وقارنوا هذه الأرقام ببيانات الرادار. واكتشفوا أن إشارات الرادار الجديدة كانت حساسة للغاية لكمية المواد النباتية الحية، المعروفة باسم الكتلة الحيوية، ومساحة الأوراق، حتى عندما تكون المحاصيل كثيفة جداً. ومن خلال تقسيم إشارة الرادار إلى أنواع مختلفة من الارتدادات، استطاعوا التمييز بين السطح الأملس للحقل المحصود، والارتداد المزدوج الذي يحدث عندما تصطدم الإشارة بالأرض ثم بساق عمودية، والارتداد الحجمي الذي يحدث عندما تتشتت الإشارة عبر مظلة كثيفة من الأوراق. هذا المستوى من التفاصيل يعني أنهم لم يستطيعوا فقط رؤية وجود المحصول، بل استطاعوا أيضاً تقدير كميته ومدى صحته، وكل ذلك دون وضع قدم واحدة في الحقل.

كما وجهت الدراسة اهتمامها إلى حدائق الشاي في "بالامبور"، وهو محصول يتصرف بشكل مختلف تماماً عن الحبوب السنوية. فالشاي نبات معمر، مما يعني أنه ينمو عاماً بعد عام، وتعتمد قيمته على توقيت قطف الأوراق والبراعم الفتية. وجد الباحثون أن الرادار يمكنه اكتشاف اللحظات المحددة التي يتم فيها تقليم الشجيرات ومتى يتم حصاد الأوراق. فعندما يتم تقليم شجيرات الشاي، يرى الرادار تغيراً في هيكل النباتات، ومع نمو أوراق جديدة، تتغير الإشارة مرة أخرى. وقد لاحظوا أن وجود أشجار الظل في الحدائق يخلق إشارة ثابتة، لكن شجيرات الشاي نفسها أظهرت تغيرات متميزة اعتماداً على ما إذا كانت تُحصد أو في مرحلة السكون الشتوي. وكشفت البيانات أن القطاف والتقليم في الوقت المناسب يخلقان أنماطاً محددة في ارتداد الرادار، مما يسمح بمراقبة هذه المراحل الاقتصادية حتى أثناء الأمطار الغزيرة في موسم الرياح الموسمية، وهو وقت يكون فيه الرصد التقليدي مستحيلاً تقريباً.

تشير النتائج إلى أن نظام القمر الصناعي الجديد هذا يعد أداة قوية لإدارة الزراعة في المناطق التي غالباً ما تحجب فيها الأحوال الجوية الرؤية. فقد أثبت قدرته على التمييز بين أنواع المحاصيل المختلفة، وتتبع مراحل نموها بدقة، وتقدير حالتها الفيزيائية. إن القدرة على الرؤية عبر السحب والضباب تعني أن المزارعين والمخططين يمكنهم اتخاذ القرارات بناءً على بيانات فورية بدلاً من التخمين. وبينما ركزت الدراسة على الأرز والدخن والشاي، فإن الأساليب التي تم تطويرها هنا تشير إلى مستقبل يمكن فيه للرادار مراقبة مجموعة واسعة من المحاصيل والمزارع، مما يوفر عيناً مستمرة وموثوقة على الإمدادات الغذائية بغض النظر عن حالة الطقس في الأعلى.