لطالما كان القياس المغناطيسي، أي قياس التغيرات في المجال المغناطيسي للأرض، ركنًا أساسيًا في الاستكشاف الجيوفيزيائي. وقد كانت المسوحات المغناطيسية، التي تُجرى تقليديًا باستخدام أدوات محمولة، أو مركبات أرضية، أو طائرات مأهولة، بالغة الأهمية لاستكشاف المعادن، والتحقيقات الأثرية، ورسم خرائط البنية التحتية، والرصد البيئي. ويمثل دمج أجهزة قياس المغناطيسية مع الطائرات بدون طيار (UAVs)، خطوةً ثوريةً في كيفية إجراء المسوحات المغناطيسية.
يوفر القياس المغناطيسي باستخدام الطائرات بدون طيار مزيجًا من الدقة والكفاءة والسلامة والفعالية من حيث التكلفة، مما يُحدث تغييرًا سريعًا في مشهد جمع البيانات الجيوفيزيائية. يستكشف هذا المقال تكنولوجيا المسوحات المغناطيسية باستخدام الطائرات بدون طيار وتطبيقاتها ومزاياها وتحدياتها.
ما هو القياس المغناطيسي باستخدام الطائرات بدون طيار
يتضمن قياس المغناطيسية باستخدام الطائرات بدون طيار تركيب مقياس مغناطيسية، وهو مستشعر يكتشف تغيرات المجالات المغناطيسية، على طائرة بدون طيار. أثناء تحليق الطائرة بدون طيار فوق منطقة مسح محددة مسبقًا، تجمع بيانات مغناطيسية تعكس المعالم الجيولوجية أو الصناعية الأساسية. يتم تحديد موقع هذه البيانات جغرافيًا باستخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) وأنظمة القصور الذاتي، مما يسمح بإنشاء خرائط مغناطيسية مفصلة.
هناك عدة أنواع من مقاييس المغناطيسية المستخدمة في مسوحات الطائرات بدون طيار، بما في ذلك:
- مقاييس التدفق المغناطيسي (Fluxgate) ، مثل مقياسي SENSYS MagDrone R3 وMagDrone R4، وهي بسيطة وقوية، ومثالية للمسوحات منخفضة التكلفة.
- مقاييس المغناطيسية المضخوخة بصريًا (Optically Pumped Magnetometers)، مثل مقياس MagArrow II المصمم للطائرات دون طيار، وتتميز بحساسية عالية، ومناسبة لاكتشاف الشذوذات الدقيقة.
- مقاييس بخار السيزيوم المغناطيسية (Cesium Vapor Magnetometers)، والتي توفر دقة عالية جدًا، وتُستخدم بشكل شائع في استكشاف المعادن.
المكونات الرئيسية لنظام قياس المغناطيسية المعتمد على الطائرات بدون طيار
-
منصة الطائرات بدون طيار: عادةً ما تكون طائرات بدون طيار متعددة الدوارات أو ثابتة الأجنحة ذات سعة حمولة كافية وقدرة طيران عالية.
- مستشعر قياس المغناطيسية: يُركّب على ذراع أو يُربط أسفل الطائرة بدون طيار لتقليل التداخل المغناطيسي الناتج عن المحركات.
- نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ووحدة قياس القصور الذاتي (IMU): يُستخدمان لتحديد المواقع الجغرافية بدقة واستقرار الطيران.
- محطة التحكم الأرضية (GCS): تُدير محطة التحكم الأرضية (GCS) رحلة الطائرة بدون طيار، وتراقب البيانات في الوقت الفعلي، وتضبط معلمات الطيران.
- البرمجيات وأدوات تحليل البيانات: بعد جمع البيانات، تُستخدم برمجيات متخصصة لمعالجة البيانات المغناطيسية وتحليلها. وغالبًا ما تُدمج هذه البرمجيات مع أدوات نظام المعلومات الجغرافية (GIS) لإنشاء نماذج ثلاثية الأبعاد وتحليل النتائج بالتزامن مع بيانات جغرافية مكانية أخرى.
تطبيقات قياس المغناطيسية باستخدام الطائرات بدون طيار
- استكشاف المعادن
يُعد قطاع التعدين من أبرز استخدامات قياس المغناطيسية باستخدام الطائرات بدون طيار. يستخدم الجيوفيزيائيون الطائرات بدون طيار المُجهزة بمقاييس مغناطيسية من أجل:- الكشف عن خام الحديد والنيكل والنحاس والمعادن المغناطيسية الأخرى.
- تحديد أجسام الخام قبل الحفر.
- رسم خرائط لنقاط التلامس والصدوع الصخرية المهمة لتقييم الموارد.
حالة استخدام:
استخدام قياس المغناطيسية باستخدام الطائرات بدون طيار لاستكشاف الذهب في غينيا. يوجد الذهب في عروق الكوارتزيت، وهي عروق غير مغناطيسية ولكنها مرتبطة بمواد محيطة أكثر مغناطيسية بقليل. المصدر: miningmagazine.com.au
- علم الآثار
أصبحت المسوحات المغناطيسية باستخدام الطائرات بدون طيار أدوات قيّمة للبحث الأثري غير الجراحي. فهي تُساعد على:
- الكشف عن الهياكل المدفونة مثل الجدران والخنادق والطرق.
- رسم خرائط للمناطق الواسعة بسرعة، مع الحفاظ على سلامة الموقع.
- استكمال رادار اختراق الأرض وأدوات الاستشعار عن بُعد الأخرى.
حالة استخدام:
في عام ٢٠٢٣، أجرى باحثون من جامعة لودفيغ ماكسيميليان في ميونيخ مسحًا أثريًا باستخدام مقياس مغناطيسي قائم على طائرة بدون طيار لاستكشاف القلعة الرومانية في ثيلينهوفن، ألمانيا. هدفت الدراسة إلى تقييم قدرات قياس المغناطيسية القائم على الطائرات بدون طيار في التنقيب الأثري، ومقارنة كفاءته ودقته بالطرق الأرضية التقليدية. ثم تم اختبار SENSYS MagDrone R4 في كل من الوضع الأرضي والوضع القائم على الطائرات بدون طيار. (المصدر: SPH Engineering)
أظهر مسح قياس المغناطيسية القائم على الطائرات بدون طيار نتائج مشجعة للغاية. تمكنت البيانات التي جمعها مقياس المغناطيسية من الكشف عن معالم أثرية مهمة، بما في ذلك الخنادق والحفر والمدافئ وبقايا الأساسات الحجرية، وهي أنواع المعالم المهمة في التنقيب الأثري الروماني.
مقارنة بين بيانات المغنطيسية الأرضية (يسار) والمغنطيسية المُلتقطة بواسطة طائرة بدون طيار (يمين) من طراز MagDrone R4
على الرغم من أن دقة بيانات المغنطيسية الأرضية لم تضاهي دقة بيانات المغنطيسية الأرضية، إلا أنها كانت كافية لتحديد المعالم الأثرية الرئيسية. أظهرت الدراسة أن مسوحات الطائرات بدون طيار قادرة على تغطية مناطق واسعة يصعب الوصول إليها بسرعة، مما يوفر تقييمًا أوليًا يُرشد إلى تحقيقات أرضية أكثر تفصيلًا.
أظهرت الدراسة أيضًا أن الطيران على ارتفاعات منخفضة للغاية، إلى جانب التحديد الدقيق للموقع باستخدام نظام الملاحة العالمي (GNSS) وتصفية الضوضاء الفعالة، قد حسّن بشكل كبير من جودة البيانات المغناطيسية.
- الرصد البيئي وكشف الذخائر غير المنفجرة
يمكن أن يساعد القياس المغناطيسي باستخدام الطائرات بدون طيار أيضًا في:
- تحديد مواقع الحطام المعدني المدفون أو الذخائر غير المنفجرة.
- رصد التغيرات في مناطق التربة الصقيعية من خلال الشذوذ المغناطيسي المرتبط بتغيرات التربة.
- الكشف عن أنشطة التعدين غير القانونية أو المخاطر البيئية في المناطق المحمية.
حالة الاستخدام:
خريطة مغناطيسية ورسم بياني لقوة المجال المغناطيسي على طول خط مسح واحد. يتوافق الشذوذ مع القنبلة الجوية الألمانية من طراز Flam C-250 (بدون ذيل) من الحرب العالمية الثانية، والتي كانت على عمق 1.5 متر تحت السطح. المصدر: SPH Engineering
- البنية التحتية والهندسة المدنية
تُستخدم الطائرات بدون طيار المغناطيسية بشكل متزايد في:
مسح خطوط الأنابيب وتحديد مواقع المرافق المدفونة.
- مراقبة سلامة الهياكل تحت السطحية بالقرب من السكك الحديدية أو الطرق أو الجسور.
- المساعدة في تخطيط البناء وتقييم الموقع.
حالة استخدام:
قامت شركة Shore Monitoring & Research بمشروع جديد يتطلب إجراء مسوحات مغناطيسية على طول المناطق الساحلية لتحديد الموقع الدقيق للكابلات وخطوط الأنابيب التي وُضعت سابقًا. كان جهاز قياس المغناطيسية المُثبت على طائرة بدون طيار من شركة SPH Engineering’sمفيدًا بشكل خاص في المياه الضحلة والشواطئ، حيث تواجه الأدوات التقليدية قيودًا كبيرة.
نجح المسح في رسم خريطة لشذوذ خطي طويل – كابل التصدير من مزرعة رياح بحرية، والذي كان الهدف الرئيسي. كما كشف عن نتائج إضافية، بما في ذلك كابل تيار متردد وشذوذات متعددة النقاط في كل من المياه العميقة والضحلة. كما تم رصد شذوذ مغناطيسي قوي فوق السد، ناتج عن تسليح الخرسانة.
خريطة إشارة تحليلية مُولّدة من نظام قياس مغناطيسية مُثبت على طائرة بدون طيار، مُدمجة مع بيانات من أجهزة قياس مغناطيسية مُجرورة.
علق شون زاندبيرغن من شركة Shore Monitoring & Research قائلاً”
:كنا سعداء بالنتائج التي استندت إلى تداخل مجموعتي البيانات. يُعد استخدام مقياس مغناطيسية الطائرات بدون طيار في هذا القطاع أمرًا جديدًا بعض الشيء، لذلك كنا نحن وعميلنا مهتمين أيضًا بالنتيجة. تُسهّل هذه العملية معالجة بيانات الطائرات بدون طيار نظرًا لأن تحديد المواقع أفضل بكثير وأكثر دقة.
المزايا
تُقدم المسوحات المغناطيسية القائمة على الطائرات بدون طيار بديلاً جذابًا للطرق التقليدية. تشمل المزايا الرئيسية ما يلي:
- دقة عالية: يمكن للطائرات بدون طيار التحليق على ارتفاعات منخفضة (تصل إلى 10-30 مترًا)، وجمع بيانات كثيفة وعالية الدقة.
- كفاءة التكلفة: تُعد الطائرات بدون طيار أقل تكلفة بكثير من تشغيل المروحيات أو الطائرات ثابتة الأجنحة.
- سهولة الوصول: يمكن للطائرات بدون طيار مسح المناطق التي يصعب الوصول إليها أو التي تشكل خطرًا على الطواقم الأرضية، مثل التضاريس الجبلية والغابات الكثيفة والمناطق الملوثة.
- السرعة والكفاءة: تغطي الطائرات بدون طيار مساحات واسعة بسرعة، مع مسارات طيران آلية تضمن جودة بيانات ثابتة.
- الميزات الرئيسية: تُغطي الطائرات بدون طيار مساحات واسعة بسرعة، مع مسارات طيران آلية تضمن جودة بيانات متسقة.
- السلامة: تقلل من حاجة الأفراد للعمل في ظروف خطرة.
التحديات
على الرغم من فوائدها، تواجه المسوحات المغناطيسية القائمة على الطائرات بدون طيار العديد من التحديات:
- التداخل المغناطيسي: يمكن أن تتداخل محركات الطائرات بدون طيار وأجهزتها الإلكترونية مع قراءات مقياس المغناطيسية. وللتخفيف من هذا التداخل، تُعلق أجهزة الاستشعار عادةً على بُعد عدة أمتار أسفل الطائرة بدون طيار باستخدام حبل أو ذراع غير مغناطيسي.
- قيود وقت الطيران والحمولة: للطائرات بدون طيار التي تعمل بالبطاريات مدة طيران محدودة (عادةً من 20 إلى 60 دقيقة)، خاصةً عند حمل أجهزة استشعار ثقيلة.
- القيود التنظيمية: تفرض العديد من المناطق قواعد صارمة على رحلات الطائرات بدون طيار، وخاصةً خارج نطاق الرؤية (BVLOS)، ليلاً، أو بالقرب من المناطق المأهولة بالسكان.
- ضمان جودة البيانات: يتطلب معايرة دقيقة ومعالجة لاحقة لإزالة الضوضاء وتصحيح التغيرات المغناطيسية النهارية.
الخلاصة
لقد بيّنت هذه المقالة كيف أن قياس المغناطيسية باستخدام الطائرات دون طيار يُحوّل المسح المغناطيسي من خلال دمج تقنيات متقدمة لمقاييس المغناطيسية، مثل المستشعرات من نوع التدفق المغناطيسي (fluxgate) ، والمضخوخة بصريًا، وبخار السيزيوم، مع منصات الطائرات دون طيار. إن الجمع بين التحديد الجغرافي الدقيق، وجمع البيانات على ارتفاعات منخفضة، والتغطية الفعالة للمناطق، يقدّم مزايا كبيرة من حيث الدقة والسلامة والتكلفة.
تبرز التطبيقات في مجالات استكشاف المعادن، والآثار، والمراقبة البيئية، وتقييم البنية التحتية مدى تنوع هذه الطريقة وأهميتها المتزايدة. وتؤكد دراسات الحالة، بما في ذلك المسوحات في المواقع الأثرية الرومانية وكشف الذخائر غير المنفجرة، فعاليتها العملية وقدرتها على تكملة أو حتى استبدال التقنيات التقليدية في العديد من السيناريوهات.
وعلى الرغم من القيود مثل التداخل المغناطيسي، وقصر مدة الطيران، والقيود التنظيمية، فإن التقدّم المستمر في تصميم المستشعرات، وقدرات الطائرات دون طيار، ومعالجة البيانات، يعمل على معالجة هذه التحديات. وبشكل عام، يظهر قياس المغناطيسية باستخدام الطائرات دون طيار من خلال هذا التحليل كأداة قوية وسريعة النضوج في ممارسات الاستشعار عن بعد والجيوفيزياء الحديثة.
