لایدار (Lidar) و اینسار (InSAR): همه روش‌های سنجش از دور یکسان نیستند

در گوگل با سرواژه‌های «آیا Lidar و InSAR یکسان هستند» جستجو کنید، حدود 375،000 نتیجه دریافت خواهید کرد. این بدان معنا نیست که 375،000 سند یا مقاله وجود دارد که دقیقاً این سؤال را پشتیبانی می‌کند یا به آن پاسخ می‌دهد، اما مطابقت‌ها نشان دهنده یک چیز است: لایدار و اینسار (تداخل‌سنجی رادار دهانه مصنوعی) حرفه‌ای‌هایی جذاب در بخش‌های مختلف و متنوع هستند، و این مزیت به آن‌ها یاری می‌رساند تا از شروع خلاقانه و نوآورانه‌ای که داشته‌اند به سرعت به کالاهایی تجاری تبدیل شوند.

طبق گزارشی که توسط Fortune Business Insights در ژانویه 2020 منتشر شد، بازار جهانی لایدار در سال 2018 به 3/1 میلیارد دلار رسیده و پیش‌بینی می‌شود تا سال 2026 به 7/6 میلیارد دلار افزایش یابد. تحلیل بازار کمتری از InSAR وجود دارد، اما صاحبان صنعت تخمین می‌زنند که ارزش بازار جهانی این فناوری در حال حاضر حدود 60 میلیون دلار باشد، که به طور پیوسته نیز در حال رشد است. رهبر بازار  TRE ALTAMiRA (TREA)، یکی از شرکت‌های گروه CLS  و باسابقه 20 ساله خدمات اینسار است که با دفاتری در میلان، بارسلونا و ونکوور، درآمد خود را در 10 سال سه برابر کرده است.

با این حال، همان‌گونه که محبوبیت و پیشرفت این فناوری‌ها افزایش یافته، تصورات نادرست در مورد قابلیت‌ها، نحوه استفاده از آن‌ها و اطلاعاتی که می‌توانند ارائه دهند نیز رو به فزونی گذاشته است.

جاکومو فالورنی، مدیر فنی دفتر TREA در ونکوور می‌گوید: «یک سوء‌تفاهم رایج در مورد لایدار و اینسار این است که آن‌ها به طور مستقیم فناوری‌هایی رقیب هستند. اگرچه درست است که آن‌ها هر دو فناوری‌های سنجش از دوری هستند که می‌توانند برای اندازه‌گیری توپوگرافی و ساختارهای سه بعدی به کار گرفته شوند، اما در آن‌چه که اندازه‌گیری می‌کنند با هم متفاوت هستند. لایدار برای مدل‌سازی توپوگرافی سطح یا زیرساخت‌های شهری عالی است. اینسار جابجایی توپوگرافی یا ساختمان­ها را در طول زمان اندازه گیری می‌کند. پس مکمل هم هستند. شما می‌توانید یک DEM یا DSM پایه با لایدار ایجاد کنید و سپس از اینسار استفاده کنید تا ببینید که چگونه توپوگرافی در مناطق دارای فرونشست در طول زمان با دقت میلی‌متری تغییر می‌کند».

فالورنی می‌گوید، با این حال، شناخت این متمایزکننده کلیدی – توپوگرافی سطح در مقابل جابجایی سطح زمین – در حال افزایش است. و این آگاهی، کاربران بیشتری را قادر می‌سازد تا نقاط قوت هر کدام، محدودیت‌هایشان، و مزایای استفاده از لایدار و اینسار را با هم درک کنند.

شیوه‌های استخراج پایدار شامل به حداقل رساندن اثرات زیست‌محیطی فعالیت‌های معدنی است و در عین حال تضمین می‌کند که منافع اقتصادی به طور عادلانه بین ذینفعان تقسیم ‌شود. این شیوه‌ها شامل کاهش مصرف انرژی، به حداقل رساندن تولید باطله و استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر است. معدنکاری پایدار همچنین شامل مدیریت مسئولانه منابع آب از جمله کاهش مصرف آب و تصفیه فاضلاب برای جلوگیری از آلودگی آن است.

استفاده از مواد معدنی پایدار شامل انتخاب موادی است که در طول چرخه زندگی خود تأثیر زیست محیطی کمتری دارند که شامل در نظر گرفتن عواملی مانند در دسترس بودن منابع، مصرف انرژی در حین استخراج و فرآوری، انتشار گازهای گلخانه‌­ای در طول تولید و دفع پایان عمر مفید محصول می‌باشد.

یکی از نمونه­‌های مواد معدنی پایدار، لیتیوم است. لیتیوم یک جزء ضروری در باتری‌­های مورد استفاده در وسایل نقلیه الکتریکی (EVs) و سیستم­‌های ذخیره انرژی تجدیدپذیر است. با این حال، روش‌های سنتی استخراج لیتیوم شامل پمپاژ مقادیر زیادی آب نمک از سفره‌های زیرزمینی است که می‌تواند منجر به کمبود آب در مناطق خشک شود. روش‌های استخراج پایدار لیتیوم شامل استفاده از انرژی زمین گرمایی برای استخراج لیتیوم از آب نمک زمین گرمایی بدون کاهش منابع آب زیرزمینی است.

مثال دیگر فولاد بازیافتی است. فولاد یکی از پرمصرف‌ترین مواد در صنایع ساختمانی و تولیدی است اما به دلیل ردپای کربنی بالا در طول تولید، اثرات زیست محیطی قابل توجهی دارد. فولاد بازیافتی از آهن قراضه به عنوان ماده اولیه خود به جای سنگ آهن استفاده می‌کند و مصرف انرژی را تا 75 درصد در مقایسه با تولید فولاد بکر کاهش می‌­دهد.

مواد معدنی پایدار همچنین مزایای اقتصادی فراتر از مزایای زیست محیطی خود را ارائه می‌دهند. به عنوان مثال، خودروهای برقی به طور قابل توجهی به قطعات کمتری نسبت به خودروهای موتور احتراق داخلی سنتی نیاز دارند، که پیچیدگی تولید و هزینه‌های تولید را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، استفاده از مواد بازیافتی می­تواند تقاضا برای منابع بکر و به سبب آن قیمت‌­ها را کاهش دهد و در نتیجه ثبات زنجیره تامین را بالا برد.

در نتیجه، مواد معدنی پایدار اجزای ضروری یک آینده سبزتر هستند. شیوه‌های استخراج معدنی پایدار و استفاده از مواد معدنی پایدار می‌تواند به کاهش اثرات زیست‌ محیطی و در عین حال ایجاد منافع اقتصادی کمک کند. به عنوان مصرف کننده، ما می‌توانیم با انتخاب محصولات ساخته شده از مواد پایدار و حمایت از شیوه‌های استخراج پایدار از این تلاش‌­ها حمایت کنیم و ما با همکاری یکدیگر می‌توانیم آینده پایدارتری را برای نسل‌های آینده خلق کنیم.

متمایز کننده‌های کلیدی

کاربران آشنا با لایدار توانایی آن را برای ارائه داده‌های متراکم سه بعدی از پوشش زمین درک می‌کنند و به خوبی می‌شناسند. توانایی این فناوری برای به دست آوردن مختصات سه بعدی X، Y و Z به کاربران اجازه می‌دهد تا برای طیف گسترده‌ای از کاربردها، هم‌چون جنگل‌داری، برنامه‌ریزی شهری، ژئومورفولوژی، معدن، زمین‌لغزش و تأسیسات را نقشه‌برداری و مدل‌سازی کنند.

اینسار یک تکنیک یک یا دو بعدی است که اندازه‌گیری‌های پلانیمتری و ارتفاع را ارائه می‌دهد. مؤلفه عمودی می‌تواند باعث سردرگمی شود و افراد را به این فکر وادار کند که اینسار، مانند لایدار، ارتفاع را اندازه‌گیری می‌کند. تفاوت این است که اندازه‌گیری عمودی اینسار با تغییر ارتفاع در طول زمان برای یک نقطه روی زمین مرتبط است تا این‌که مختصات Z واقعی آن نقطه را به دست دهد.

فالورنی خاطرنشان می‌کند: «اینسار ارتفاع چیزی را به شما نمی‌گوید، اما حرکت آن را به شما می‌گوید. اینسار صدها هزار نقطه را ثبت می‌کند و برای هر نقطه اندازه‌گیری، می‌تواند با دقت میلی‌متری به شما بگوید که آیا حرکت می‌کند، جهت حرکت آن چیست ( بالا -پایین یا افقی) و این‌که آیا حرکت در حال شتاب است یا خیر. هم‌چنین می‌تواند جزئیات جابجایی را در طول هفته‌ها، ماه‌ها، سال‌ها یا دهه‌ها ارائه کند».

علاوه بر اندازه‌گیری حرکت به جای ارتفاع خالص، اینسار که بر مبنای تصاویر ماهواره‌ای کار می‌کند، این امکان را فراهم می‌کند تا مناطق قابل توجهی (Areas of Interest, AOI) مانند شهر لندن در یک قاب و به دفعات و معمولاً به صورت هفتگی پوشش داده شوند (شکل 1). اندازه‌گیری تغییرات با لایدار در مناطق بزرگ بسیار پرهزینه و غیر عملی است و دقتی در حدود ده سانتی‌متر به جای میلی‌متر دارد. پوشش وسیع، بسامد و دقت بالا؛ اینسار را به فناوری نقشه‌برداریِ تغییر شکل تبدیل کرده است.

با این حال؛ اینسار نمی‌تواند به همان پوشش فضایی لایدار دست یابد زیرا بیشتر از لایدار تحت تأثیر پوشش گیاهی است. این باعث می‌شود که لایدار ابزار نقشه‌برداری بهتری برای بسیاری از خروجی‌های قابل تحویل باشد، به عنوان مثال DEMها، بررسی پوشش گیاهی، ارتفاع ساختمان، بررسی خطوط شهری و مدل‌سازی و حجم‌سنجی مواد مانند انباشت باطله در یک معدن.

اینسار شامل بررسی فازهای سیگنال پس‌پراکندۀ SAR از ماهواره‌ها در همان منطقه جغرافیایی است؛ در فواصل زمانی منظم. تفاوت در فازها نتیجه مستقیم تغییر در فاصله بین هدف و ماهواره است که به دلیل موقعیت نسبتاً متفاوتِ نقطۀ روی زمین در هر گذر ایجاد می‌شود. ترکیب دو تصویر SAR که از یک نقطۀ دید مشابه در فضا گرفته شده‌اند، یک تداخل‌نگاشت را تولید می‌کند که تفاوت فاز بین تصاویر را از طریق یک الگوی رنگارنگ از حاشیه‌ها نشان می‌دهد که نشان دهنده تغییرات در حرکت زمین است.

توانایی منحصر به فرد اینسار برای بازگشت به گذشته – نزدیک به سه دهه – مزیتی است که نه تنها می‌تواند زمینه‌ای تاریخی را برای DEMهای مبتنی بر لایدار فراهم کند، بلکه به تغییر دیدگاه‌ها در مورد مدیریت زمین (و آن‌چه که به عنوان زمینِ پایدار فرض می‌شود) نیز کمک کرده است.

فالورنی می‌گوید: «به دلیل تراکم نقطه‌ای اینسار و پوشش فضایی قابل‌توجه بر روی AOI، ما اغلب می‌توانیم حرکات میلی‌متری را نشان دهیم که مشتریان از آن آگاه نیستند. این افشاگری‌ها آن‌ها را قادر می­سازد تا گام‌های پیشگیرانه‌ای برای جلوگیری از گسیختگی احتمالی بردارند».

در واقع، با امکان رخداد جابجایی‌های کوچکی که منجر به وقایع بزرگ و آسیب‌های بالقوه قابل‌توجه می‌شود، درک ناپایداری‌های سطح زمین برای مدیریت مخاطرات، فرونشست شهری، معدن، مهندسی عمران، نفت و گاز یا تأسیسات آب ضروری است.

مکمل‌های سنجش از دور

تجزیه و تحلیل، نقشه‌برداری و پایش مخاطرات زمین، مانند زمین لغزش، از زمانی که این تکنیک برای اولین بار در سال 1993 توسعه یافت، یکی از کاربردهای اصلی اینسار بوده است و هنوز هم هست. اگرچه اینسار ابزاری برای لغزش‌های ناگهانی و سریع نیست، اما در شناسایی و نظارت بر «لغزش‌های خزنده» یا لغزش‌های عمیق و آهسته که یک تهدید مداوم هستند، بسیار مؤثر است. جزئیات سرعت به دست آمده از اینسار هم‌چنین به کاربران اجازه می‌دهد حرکت زمین را در طول زمان تجزیه و تحلیل کنند و به طور بالقوه پیش‌بینی کنند که چگونه زمین‌لغزش‌ها ممکن است بر اساس جابجایی‌های تاریخچه‌ای به حرکت ادامه دهند. همراه با لایدار (که در برابر اختلالات سطح زمین آسیب‌پذیر نیست و می‌تواند به پوشش گیاهی نفوذ کند) کاربران می‌توانند نقشه‌های جامع لغزش تولید کنند و مناطق ناپایدار را علامت­گذاری نمایند.

فناوری‌های ترکیبی به مقامات پارک ملی یلوستون کمک کرد تا مسیر بهتری را برای جاده‌ای طراحی کنند که قرار بود در نزدیکی پنجه یک زمین‌لغزش فعال تغییر مسیر دهد. آن‌ها مطمئن نبودند که خطری برای جاده وجود دارد یا نه، بنابراین به دنبال تجزیه و تحلیل تاریخی اینسار برای تأیید این‌که آیا زمین‌لغزش در حال حرکت است و با چه سرعتی حرکت می‌کند؛ رفتند. TREA یک Lidar DEM موجود و 115 صحنه از ماهواره اروپایی Sentinel-1 را از سال 2016 تا 2020 تهیه نمود. با استفاده از الگوریتم پیشرفته SqueeSAR خود، کل این دسته از تصاویر را پردازش کرد تا بتواند یک سیر زمانی از جابجایی را در منطقه‌ای 130 کیلومتر مربعی ایجاد کند. در مارس 2021، TREA یک ابر نقطۀ کد رنگی از AOI ارائه کرد که در آن هر نقطه دارای یک تاریخچه تغییر شکل چهار ساله است (شکل 2). نتایج نشان داد که آن زمین‌لغزش خاص به سرعت 25 میلی‌متر در سال در چند سال گذشته نشست کرده است – یک کشف شگفت‌انگیز که به آن‌ها اجازه داد تا در طراحی جاده تجدید نظر کنند.

علاوه بر نقشه‌برداری از تغییراتِ پیش از گسیختگیِ لغزش‌های ناگهانی، مانند زمین‌لغزش عظیم بیگ سور در کالیفرنیا در سال 2017، TREA زمین‌لغزش‌ها را در پارک دنالی آلاسکا، داوسون کریک در استان یوکان کانادا و موارد دیگر در سراسر جهان زیر نظر داشته است. دفتر این شرکت در ایتالیا از سال 2016 نظارت مستمر لغزش را در منطقه توسکانی این کشور ارائه کرده است. TREA با استفاده از تصاویر صورت فلکی سنتینل-1 اروپا، هر 12 روز میلیون‌ها نقطۀ اندازه‌گیری را در کل منطقه پردازش می‌کند و یک بولتن اینسار ارائه می‌دهد که حرکت یا شتاب ناگهانی در حرکت این مناطق را برجسته می‌کند.

فالورنی اظهار داشت: «این نمای دقیق و ساده‌شده به مقامات محلی این امکان را می‌دهد تا رویکردی فعالانه برای خطرات زمین اتخاذ کنند و مردم را برای بررسی مناطق در معرض خطر به میدان اعزام نمایند».

معدنکاری

اتخاذ یک رویکرد پیشگیرانۀ جامع‌تر برای نظارت بر دارایی‌های اساسی به ویژه در بخش معدن رایج شده است. از زمان شکست فاجعه‌بار سد باطله برومادینیو در برزیل در سال 2019، صنعت معدن در مجموع به سمت به کارگیری ابزارهای مؤثرترِ نظارت بر دارایی حرکت کرده است. لایدار و اینسار بخش قابل توجهی از این الگو بوده‌اند.

بسیاری از شرکت­ها از لایدار برای مدل‌سازی کل معادن یا بخش‌های خاصی از یک سایت برای برنامه­ریزی و مدیریت منابع استفاده می‌کنند (شکل‌های 3 و 4). این امر به ویژه برای تعیین مقدار قلوه‌سنگ‌ها در انباشتگاه‌های باطله مناسب است.

اینسار در حال تبدیل شدن به اولین انتخاب برای نظارت بر تغییر شکل‌های شیروانی پیت‌های روباز، انباشتگاه‌های باطله، سدهای باطله، زمین‌لغزش‌های طبیعی، و فرونشست‌های ناشی از استخراج زیرزمینی است، به‌ویژه جایی که اطلاعات تاریخچه‌ای محدود یا در دسترس نباشد (شکل 5).

در یک مورد اخیر، TREA تصاویر TerraSAR-X با وضوح بالا از یک سد باطله را به دست آورد و پردازش نمود. نتایج شواهدی واضح از حرکت افقی را نشان می‌دهند، که نشانگر قابل توجهی است که ممکن است شکم‌دادگی در سد رخ دهد (شکل 6). این جزئیات دقیق شرکت را قادر می­سازد تا به سرعت عملیات خود را تغییر دهد و اقدامات پیشگیرانه را اجرا کند.

فالورنی می‌گوید: «غالباً فرونشست خارج از اندازه‌گیری‌های محلی GNSS یا انحراف‌سنج‌ها اتفاق می‌افتد. و اگرچه ممکن است در ابتدا حرکت قابل توجهی وجود نداشته باشد، تاریخچه حرکت ارائه شده توسط اینسار امکان پایش حرکت غیر خطی را فراهم می‌کند و در بدترین سناریو، می‌توان از روش‌های معکوس سرعت برای پیش‌بینی این‌که آیا گسیختگی رخ می‌دهد و یا چه زمانی ممکن است به وقوع بپیوندد؛ استفاده نمود».

علاوه بر معادن فعال، شرکت‌ها هم‌چنین از اینسار به عنوان یک ابزار دورسنجی برای کمک به نظارت بر نشست و سایر تغییرات در سایت‌های متروک نیز استفاده می‌کنند.

در حال حاضر، TREA پایش حرکات زمین را برای حدود 100 سایت معدنی فراهم می‌کند و بیش از 110 مورد دیگر را از طریق توافق اخیر با شرکت منابع طبیعی Glencore (بزرگ‌ترین قرارداد صنعتی تا به امروز برای نظارت بر انباشتگاه‌های باطله با استفاده از داده‌های ماهواره‌ای) به مجموعه خود اضافه می‌کند.

پایش جریان آب

کاربردهای دیگری مانند رفتارنگاری بر سدها، تونل‌سازی و مدیریت منابع آب وجود دارند که به لایدار به عنوان مکمل اینسار نیاز نیست.

یک بخش دولتی ایالت کالیفرنیا (CSG) از سال 2018 از اینسار برای نظارت بر فرونشست 127 حوضه آب زیرزمینی در سراسر ایالت با اولویت بالا و متوسط استفاده کرده است.

CSG ابتدا یک تجزیه و تحلیل تاریخچه‌ای را به TREA محول نمود.  TREA؛ 6424 تصویر Sentinel-1 را در یک دوره سه ساله از 2015 تا 2018 پردازش کرد. مطابق با درخواست این دپارتمان، آن‌ها از 231 اندازه‌گیری ایستگاه GNSS موجود برای کالیبره کردن اندازه‌گیری‌های اینسار استفاده کردند و متعاقباً یک شرکت نقشه‌برداری نیز از 600 اندازه‌گیری GNSS اضافی برای تأیید نتایج اینسار بهره بردند. ظرف سه ماه TREA یک ابر نقطه‌ای دوبعدی و کاملاً کالیبره‌شده از جابجایی زمین با بیش از 100،000 مایل مربع (259،000 کیلومتر مربع) وسعت ارائه کرد که فرونشست گسترده‌ای را نشان می‌داد – مناطق کشاورزی در دره مرکزی بیش از 30 سانتی‌متر تغییر شکل را در طول سه سال از خود نشان دادند (شکل 7).

پس از ارائه گزارش اولیه و به‌روزرسانی‌های سالانه بعدی، CSG اهمیت اینسار را با افزایش پایش از طریق تکیه بر ابر نقطۀ دقیقی که هر سه ماه یک بار تجدید می‌شد، تقویت بخشید.

آدریان بوهان، مدیر عامل دفتر TREA در ونکوور، می‌گوید: «اینسار آن‌قدر سازگار و دقیق است که مانند آن است که به جای 900 نقطۀ موجود، 90 میلیون نقطۀ GNSS به CSG تحویل داده شود». آن‌ها می‌توانند مناطق دقیق حرکت و میزان جابجایی را از روی دسکتاپ خود ردیابی و نظارت کنند. در واقع اینسار اطلاعاتی قابل اندازه‌گیری را در اختیارشان قرار می‌دهد که به آن واسطه بتوانند مدیریتی فعال برای منابع آب حیاتی خود داشته باشند.

اینسار هم‌چنین ابزار ارزشمندی برای عملیات استخراجی یا حفاری مانند تونل‌سازی است. از آن‌جا که قادر است از عوارض طبیعی و بشرساخت (ساختمان‌ها، اشیای فلزی، دکل‌ها و زمین‌های سنگی رخنمون‌دار) به عنوان اهداف اندازه­گیری استفاده کند، می­تواند فرونشست را در حین عملیات تونل‌سازی و هم‌چنین پس از آن شناسایی نماید. به عنوان مثال، TREA جزئیات اینسار را به طور منظم به Société du Grand Paris در طول ساخت گرند پاریس اکسپرس (شبکه 200 کیلومتری خطوط متروی زیرزمینی) برای نظارت بر تأثیر عملیات تونل‌سازی بر روی ساختمان‌ها و سازه‌های سطحی موجود در امتداد مسیر پروژه و مناطق مجاور آن ارائه کرده است. هنگامی که ساخت و ساز به پایان رسید، آن‌ها به استفاده از اینسار برای شناسایی هر گونه نشست باقیمانده ادامه خواهند داد (شکل 8).

ابزارهای هم‌افزایی برای آینده

چه لایدار و اینسار به تنهایی برای یک پروژه کاربردی مناسب باشند و یا پروژه‌ای از هر دوی آن‌ها بهره‌مند شود، این دو فناوری دیدگاه‌های ارزشمند خود را برای تعداد فزاینده‌ای از صنایع به ارمغان می‌آورند. به مجرد این‌که متخصصان بیشتری با این ابزارها آشنا می‌شوند، آن نتایج جستجوی گوگلی که در ابتدا از آن صحبت به میان آمد، ممکن است منجر به کسب و کار بیشتری برای هر یک شود. و بدون شک این مسیر مورد استقبال قرار خواهد گرفت.

کدام فناوری؟