פיתוח: זיהוי בולענים באמצעות הלייזר

חוקרי הטכניון בשיתוף אנשי המכון הגיאולוגי פיתחו מודל לזיהוי אוטומטי של בולענים ושל תופעות סביבתיות אחרות לאורך חופי ים המלח שהוכיח יכולות זיהוי ברמת מהימנות גבוהה, על פני אזורים נרחבים, ובמתווי שטח מורכבים.

"ירידת המפלס הדרסטית של ים המלח מובילה לשורה של תהליכים גיאומורפולוגיים בעלי השפעה ניכרת על תשתיות ועל הסביבה כחלק מתגובת המערכת הטבעית לירידת המפלס", מסביר ד"ר שגיא פילין, חבר סגל במסלול למיפוי וגיאו-אינפורמציה בפקולטה להנדסה אזרחית וסביבתית בטכניון.

"היווצרות שדות בולענים באזור ים המלח מהווה רק חלק ממגוון התופעות הנובעות באופן ישיר מירידת מפלס האגם המגיעה לקצב של כמטר אחד בשנה בעשר השנים האחרונות. בשל השפעתם של שדות הבולענים על פרויקטים קיימים ומתוכננים ועל הפיתוח האזורי בכלל, זיהוי ואפיון תופעות מעין אלו בשלב ראשוני של הופעתן כמו גם חזוי התקדמותן, הופך להכרחי".

לצורך כך, בוצעה במהלך השנה האחרונה בחינת היתכנות לזיהוי בולענים כמו גם תופעות המעידות על שינוי הסובב בעזרת סריקות לייזר אוויריות. המחקר בוצע על ידי ד"ר שגיא פילין ומר עמית ברוך מהטכניון וד"ר יואב אבני ואנשי פרויקט הבולענים במכון הגיאולוגי.

פיתוחים אוויריים לשימוש ביבשה

מערכות הלייזר האוויריות - LiDAR  - מעצבות בשנים האחרונות את ההתייחסות למיפוי ועיבוד מידע תלת-ממדי. יכולתן לספק באופן ישיר "ענן נקודות" תלת- מימדי צפוף ומדויק פותחות מגוון אפשרויות נרחב בכל תחום הנוגע למיפוי תלת-מימדי. עקרון הפעולה של מרבית מערכות הלייזר מבוסס על מדידת טווח ישירה, מהמערכת אל האובייקט, בעזרת שיגור "פולס אנרגיה" מרוכז ומדידת הזמן העובר עד חזרתו.

דיוק מדידת הטווח במערכות אוויריות מאפשר בעיקרון קביעת גובה ברמת דיוק של סנטימטרים בודדים. לקביעת מיקום הפרט בו פגעה הקרן בקרקע משולבת מערכת הלייזר עם מערכת GPS - Global Positioning Systems  ומערכת ניווט אינרציאלי (Inertial Navigation Systems – INS) המאפשרת קביעת מיקום וזוויות הרכנה של הקרן.

שילוב המידע משלוש המערכות מאפשר תרגום הטווח הנמדד לקואורדינאטות ארציות. על מנת להשיג כיסוי מרחבי של השטח פועלות המערכות במצב סריקה בו מוטת קרן הלייזר המשוגרת בכיוונים שונים, כך שבמהלך טיסה מעל אזור מסוים סורקת המערכת רצועה שלמה של האזור שמתחתיה. הכיסוי הקרקעי, כמו גם צפיפות המידע, מושפעים ממאפייני המערכת וגובה הטיסה. רום טיסה גבוה יותר יאפשר כיסוי מרחבי רחב יותר (כפונקציה של זווית הפתיחה המקסימאלית של מערכת הסריקה), אך צפיפות הנתונים תהיה נמוכה יחסית, שכן ההפרשים הזוויתיים בין "פולס" ל"פולס" יתורגמו למרחק קרקעי גדול יותר.

על מנת להשיג כיסוי בצפיפות נתונים גבוהה עולה קצב הסריקה בשנים האחרונות בסדרי גודל משמעותיים של עד לכ-100,000 "פולסים" בשנייה, כך שגם ברום טיסה גבוה תתאפשר צפיפות סריקה גבוהה. עיקרון מדידת האנרגיה המוחזרת, מוביל לתכונה חשובה נוספת של מערכות הלייזר והיא יכולתן לחדור צמחייה. כיוון שחלק מהפוטונים יחדרו את חופת הצמחייה ויוחזרו מהקרקע, ניתן למדוד מתוך "פולס" משוגר אחד הן החזרים מחופת הצמחייה והן החזרים מהקרקע. תכונה זו מאפשרת קבלת "תמונת" התבליט והתכסית באופן ישיר מתוך סריקה בודדת.

תרומתן העיקרית של מערכות הלייזר היא ביכולתן לספק באופן ישיר וללא התערבות אדם "ענן נקודות" (מידע גבהים) צפוף ובעל דיוק גבוה המכסה שטחים נרחבים. תכונות אלו ואחרות הופכות את מערכות הלייזר האוויריות לכלי בעל פוטנציאל עצום בתחום המיפוי התלת- מימדי. בתחומי המיפוי מערכות לייזר רלוונטיות בעיקר ליישומים כגון ייצור מודלי גבהים דיגיטאליים, מיפוי אורבאני וזיהוי ושחזור מדויק של צורתם של מבנים, ובתחומים החורגים מנושאי המיפוי הקלאסיים מאפשרת אומדן נפח צמחייה, ניתוחים המבוססים על שינוי תבליט (לדוגמא עבור שינוי מסת הקרחונים) או מיפוי תלת-מימדי מהיר לאחר אסונות טבע באזורים נרחבים.

עושר המידע אותו מספקות מערכות ה- LiDAR מאפשר תיאור מפורט בדיוק גבוה, אך מסת האינפורמציה הנרכשת וצפיפות המידע מקשים על העיבוד הידני ומחייבים מודלי עיבוד אוטונומיים. בשונה מכיווני הפיתוח הסטנדרטיים המתמקדים בפרטים בולטים (לדוגמא - מבנים או צמחייה) אופי הבולענים והפרטים הסובבים אותם מחייב התמקדות בפרטים עדינים שאינם זוכים להתייחסות בדרך כלל. לפיכך, העבודה דרשה בנייתם של מודלים מרחביים המבוססים על אפיון התופעות בתוך "ענן הנקודות" התלת-ממדי והובילו לפתוח מודל אוטומטי לזיהוי תופעות גיאומורפולוגיות עדינות מתוך נתוני לייזר, תוך התמקדות בתופעות היווצרות בולענים.

מודל יעיל ואמין

"המודל שפותח מאפשר לאתר באופן יעיל ואמין תופעות גיאומורפולוגיות ולנטר את התפתחותן", אומר ד"ר פילין. "הפעלת המודל על נתוני סריקה באזורים נבחרים לאורך חופי ים המלח הראה כי כ-97% מהבולענים הקיימים באזור המחקר, חלקם בקוטר של מטר או פחות, זוהו באופן אוטומטי מהסריקות האוויריות והזיהוי השגוי הסתכם ב- 4% בלבד".

בהיבט המעשי ניתן יהיה להכליל מודל להפעלה על אזורים בהן קיימות תופעות גיאומורפולוגיות בעלות השפעה ניכרת על תשתיות ועל הסביבה. זיהוי ואפיון תופעות אלו עם הרחבת יכולת החיזוי של כיוון התפשטות התופעה יוביל לקבלת החלטות מושכלת יותר כגון איסור בנייה באזורים העומדים בפני קריסה, חיזוק תשתיות באזורים בהן קיימת תשתית העתידה להיפגע, או חיזוק תשתיות באזורים בהם קיימת תשתית העתידה להיפגע.

בתמונה: בתמונה: מפת הצללה טופוגרפית של נתוני הלייזר המתארים שדה בולענים באזור חוף מינרל בים המלח. הפסים החוצים את התמונה הינם קווי מפלס שנוצרו עם נסיגת האגם.