بين الذكاء الاصطناعي وقاعدة بيانات “الوقائع” المتنامية، قد يتضاءل خطر الحرائق البرية

حاليًا، حريق بري سريع الحركة يدمر جزءًا من بلدة جبلية قديمة تُدعى جاسبر في جبال الروكي الكندية. يُوصف الضرر في جاسبر بأنه “يتجاوز الوصف والفهم”، وقد اضطر 25,000 شخص بالفعل إلى الفرار. 

حرائق برية هائلة دمرت ما يصل إلى نصف البلدة الكندية التاريخية جاسبر. وفي الوقت نفسه، هناك مئات الحرائق النشطة في مقاطعة كولومبيا البريطانية المجاورة وكذلك في كاليفورنيا ويوتا.

كل عام، يتحمل آلاف الأشخاص وطأة الحرائق البرية، حيث تُحرق المدن بالنيران. في الولايات المتحدة، خلال السنوات الخمس الأخيرة، أسفرت 344 حريقًا بريًا كبيرًا عن مقتل 178 شخصًا. وفي الوقت نفسه، منذ الثمانينات، يبلغ متوسط عدد الحرائق السنوية في البلاد حوالي 70 ألف حريق. وفقًا للمركز الوطني المشترك للحرائق (NIFC)، حدث ما مجموعه 2.7 مليون حريق بري منذ عام 1983.

مع استمرار زيادة عدد الحرائق، ارتفعت أيضًا تكلفة مكافحتها. أنفقت الحكومة الأمريكية ما يقرب من 4.4 مليار دولار على مكافحة الحرائق البرية في عام 2021 وحده. في المتوسط، يكلف إخماد كل حريق بري حوالي 74 ألف دولار. لكن هذا ليس كل شيء؛ فمعدلات تأمين أصحاب المنازل ترتفع أيضًا.

ارتفعت الحرائق البرية عالميًا ليس فقط في تكرارها بل أيضًا في شدتها ومدة استمرارها. يكمن خطر الحريق البرّي في الظروف الجافة للغاية مثل الرياح القوية، والجفاف، وموجات الحرارة. وهذا يعني تأثيرًا سلبيًا متزايدًا على صحة الإنسان والحياة البرية. 

إلى جانب الدمار الناجم عن الحريق نفسه، يتكون دخان الحرائق البرية من ملوثات هوائية خطرة مثل NO2، والأوزون، والهيدروكربونات العطرية، والرصاص، أو PM2.5، وهي جسيمات بقطر 2.5 ميكرون أو أقل. يُعد PM2.5 ناعمًا جدًا بحيث يمكنه الانتقال إلى أعماق الجهاز التنفسي لدينا ويتسبب في آثار صحية.

يرتبط PM2.5 الناتج عن دخان الحرائق البرية فعليًا بالوفيات المبكرة في السكان العامين. يمكنه التسبب في وتفاقم الأمراض التي تصيب الرئتين، والكلى، والقلب، والجلد، والأمعاء، والعينين، والأنف، والكبد. وقد أظهر أيضًا أنه يؤدي إلى ضعف إدراكي وفقدان الذاكرة. 

ليس فقط أن الحرائق البرية تلوث الهواء بالملوثات السامة، بل تؤثر أيضًا على المناخ من خلال إطلاق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون وغيرها من غازات الدفيئة في الغلاف الجوي. من خلال تغطية الأرض، تحبس انبعاثات غازات الدفيئة حرارة الشمس وتجعل البيئة غير صالحة للعيش. يؤدي الإفراط في ذلك إلى تغير المناخ، مما يخلق ظروفًا أكثر جفافًا، ويساهم في إطالة فترات مواسم الحرائق. وبالتالي يتشكل حلقة تغذية راجعة.

مع تزايد شدة وضرر الحرائق البرية، يمكنها أن تعطل البنية التحتية من حيث الاتصالات، والنقل، وإمدادات الطاقة، وخدمات الغاز، وإمدادات المياه. وعلاوة على ذلك، في المناطق القريبة من السكان، تؤثر بشكل كبير على الممتلكات، والماشية، ووفيات البشر، والبيئة.

في العام الماضي، حسبت دراسة أجراها باحثون في جامعة ماريلاند أن حرائق الغابات الآن تتسبب في خسارة 3 ملايين هكتار إضافية من الغطاء الشجري سنويًا مقارنةً بعام 2001. وبسبب خسارة 9.3 ملايين هكتار من الغطاء الشجري عالميًا، أصبح عام 2021 أحد أسوأ الأعوام.

ليس الأمر أن الحرائق ليست جزءًا طبيعيًا من طريقة عمل الغابات. في الواقع، الغابات الشمالية (البوريالية) التي تغطي مساحات شاسعة من الأراضي عبر شمال أوروبا، وروسيا، وألاسكا، وكندا، متكيفة مع النار. تُنشئ النار مجموعة متنوعة من المناظر الطبيعية وتزيل الغابات القديمة، لتُعطي ولادة للغابات الجديدة.

ومع ذلك، يحدث فقدان الغطاء الشجري المرتبط بالحرائق، حتى في هذه المناطق، بمعدل متسارع. نظرًا لأن الغابات الشمالية تُعد من أهم مصادر المياه النظيفة في العالم، وتستضيف تجمعات حيوانية هامة، وتُعد مخزنًا مهمًا للكربون، فإن الاتجاه المستمر للحرائق البرية يُعد مقلقًا ويحتاج إلى معالجة. 

انقر هنا للحصول على قائمة بشركات التكنولوجيا الحيوية التي تعمل على حلول لمواجهة الاحتباس الحراري.

الاستفادة من نماذج الذكاء الاصطناعي بالتكامل مع الصور الساتلية 

إحدى الطرق التي يتم من خلالها معالجة قضية الحرائق البرية هي معالجتها من خلال استخدام الذكاء الاصطناعي (AI). لا يُستخدم هذا التقنية الجديدة فقط في الدردشة الآلية والمساعدين الافتراضيين بل أيضًا للمساعدة في حماية البيئة عبر الاستشعار عن بُعد المتقدم.

مؤخرًا، ساعد الذكاء الاصطناعي رجال الإطفاء في الاستجابة السريعة لحريق بري في منطقة نائية من منطقة الخليج، كاليفورنيا. تم إيقاف الحريق البرّي قبل أن ينتشر بمساعدة كاميرا مدعومة بالذكاء الاصطناعي، التي اكتشفت الدخان وأبلغت فرق الإطفاء قبل أن يتمكن الحريق من النمو وأصبح صعب السيطرة عليه.

حتى مزودو التأمين يتجهون إلى الذكاء الاصطناعي. شركة Delos Insurance Solutions التي تتخذ من سان فرانسيسكو مقرًا لها باعت أكثر من 17 ألف بوليصة لأصحاب المنازل، والتي رفضتها شركات أخرى. تم تحقيق ذلك من خلال نماذج الشركة للحرائق البرية، حيث تتعاون Delos مع أساتذة جامعيين للحصول على مجموعات بيانات خاصة بنمذجة الحرائق ثم تضيف خوارزمية ذكاء اصطناعي لدمج المزيد من البيانات. وفقًا للمؤسسة المشاركة شانا ماكنتاير، تأخذ Delos في الاعتبار أكثر من 200 متغير تشمل الغطاء النباتي، والتضاريس، ودرجة الحرارة. 

من الواضح أن هناك تركيزًا متزايدًا على تطوير نماذج سلوك الحرائق البرية عالية الدقة لتوقع انتشار الحريق.

يتم ذلك بالتزامن مع الأقمار الصناعية لاكتشاف مواقع الحرائق. بينما تُستخدم أقمار صناعية مثل LANDSAT وVHRS وMODIS بالفعل لمراقبة توزيع وتضرر الغطاء النباتي، لا يزال توقع الحرائق البرية مهمةً صعبة. يمكن للذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة أن يساعدا في توفير طريقة موثوقة لتوقع وإدارة الحرائق البرية.

على سبيل المثال، يمكن ربط الذكاء الاصطناعي بأقمار تصويرية تحلل عوامل مختلفة مثل ظهور الدخان، وحالات الحريق، وتضرر الغطاء النباتي. من خلال دمج جميع البيانات معًا، يمكن لخوارزميات الذكاء الاصطناعي المساعدة في توقع الحرائق البرية عبر التعلم المستمر. يمكن لتقنية الذكاء الاصطناعي أيضًا تمكين إدارة طفايات الحرائق ومركبات الدورية باستخدام كاميرات الفيديو.

قبل عام، بدأ فريق من الباحثين في جامعة ألتو بفنلندا تطوير نموذج ذكاء اصطناعي يُدعى FireCNN يمكنه توقع انتشار الحرائق البرية. تم تدريب النموذج على صور الأقمار الصناعية وبيانات الطقس المسجلة بين 2002 و2019 لتحديد المناطق عالية الخطورة. يحلل FireCNN 31 متغيرًا، بما في ذلك عوامل مثل الغطاء النباتي وتغطية الأرض.

مع ذلك، هناك نقص في خوارزميات الذكاء الاصطناعي التي يمكنها ربط جميع البيانات المتاحة ومنهجيات النمذجة الواقعية التي تناسب احتياجات المناظر الطبيعية المختلفة عبر العالم. 

وفقًا لدراسة جديدة، يمكن لنموذج جديد توقع انتشار الحرائق البرية بدقة. يجمع النموذج بين صور الأقمار الصناعية والذكاء الاصطناعي لتقديم تقدم كبير في إدارة الحرائق والاستجابة للطوارئ.

الدراسة، التي مولتها ناسا ومكتب أبحاث الجيش وبرنامج Viterbi CURVE، أجراها باحثون من جامعة جنوب كاليفورنيا ونُشرت في مجلة Earth System Science Data. 

تحت هذا النموذج الجديد، تُستَخدم بيانات الأقمار الصناعية لتتبع تقدم انتشار الحرائق البرية في الوقت الفعلي. هذه المعلومات تُغذى إلى خوارزمية حاسوبية متقدمة يمكنها توقع مسار الحريق المحتمل بدقة بالإضافة إلى شدته ومعدل نموه.

“يمثل هذا النموذج خطوة مهمة إلى الأمام في قدرتنا على مكافحة الحرائق البرية. من خلال تقديم بيانات أكثر دقة وفي الوقت المناسب، يعزز أداتنا جهود رجال الإطفاء وفرق الإخلاء الذين يواجهون الحرائق البرية على الخطوط الأمامية. 

– برايان شادي، مؤلف مشارك في الدراسة وطالب دكتوراه في كلية الهندسة بجامعة جنوب كاليفورنيا في فيتربي

بدأت الدراسة بجمع بيانات تاريخية من صور الأقمار الصناعية عالية الدقة. ثم، من خلال تحليل سلوك الحرائق البرية السابقة، تتبع الباحثون كيف بدأ الحريق، وانتشر، وفي النهاية تم احتواؤه. 

كشفت هذه الدراسة الدقيقة عن أنماط تتأثر بعوامل مثل التضاريس، والطقس، والوقود مثل الأشجار والشجيرات.

قام الباحثون بعد ذلك بتدريب نموذج مدعوم بالذكاء الاصطناعي لتوليد محاكاة لكيفية تأثير هذه العوامل على تطور الحرائق البرية بمرور الوقت. ثم تم تدريب النموذج على التعرف على الأنماط في صور الأقمار الصناعية التي تتطابق مع انتشار الحريق في نموذجهم.

يُطلق على النموذج اسم شبكة توليدية تنافسية شرطية من نوع Wasserstein أو cWGAN، والتي تم اختبارها بالفعل على أربع حرائق حقيقية في كاليفورنيا على مدار عامين، بين 2020 و2022، لمعرفة مدى فعاليتها في توقع انتشار الحريق. تم تدريبها باستخدام محاكيات WRF-SFIRE، وتُستخدم cWGAN لحساب وقت وصول الحريق من بيانات الحرائق النشطة عبر الأقمار الصناعية. 

كانت نتائج cWGAN مثيرة للإعجاب. تم تدريبها على بيانات بسيطة تحت ظروف مثالية، مثل الرياح أحادية الاتجاه والتضاريس المستوية، وقد أدّى النموذج أداءً جيدًا في حرائق كاليفورنيا الحقيقية.

يُعزى نجاح النموذج إلى استخدام نموذج الذكاء الاصطناعي مع صور الأقمار الصناعية، التي وفرت بيانات حقيقية للحرائق البرية بدلاً من الاعتماد على النموذج وحده.

ومع ذلك، لم يكن الأمر سهلًا. صرح المؤلف المشارك في الدراسة، أسد أوبيراي، أستاذ الهندسة الفضائية والميكانيكية في جامعة جنوب كاليفورنيا في فيتربي، أن نمذجة الحرائق البرية كانت من بين الأكثر تحديًا بسبب “عملياتها المعقدة”.

ليس فقط الوقود مثل الأشجار والشجيرات يشتعل، مما يؤدي إلى تفاعلات كيميائية معقدة، وإنتاج حرارة وتيارات هوائية، بل حتى الطقس والتضاريس يؤثران على سلوك الحريق. قال أوبيراي:

“هذه عمليات شديدة التعقيد، وفوضوية، وغير خطية. لنمذجتها بدقة، تحتاج إلى أخذ جميع هذه العوامل المختلفة في الاعتبار. تحتاج إلى حوسبة متقدمة.”  

بيانات محسّنة لنماذج الذكاء الاصطناعي

إلى جانب التقدم في تقنية الذكاء الاصطناعي، يتم تحسين البيانات المستخدمة لتدريب هذه النماذج أيضًا من خلال تغطية مئات العوامل الإضافية التي تؤثر على إشعال وانتشار الحريق. سيساعد ذلك مديري الحياة البرية والعلماء على تقديم توقعات أكثر دقة حول أماكن ومواعيد حدوث الحرائق البرية.

مؤخرًا، تم تحسين قاعدة بيانات تحليل برنامج الحرائق (FPA FOD)، التي تُعد المصدر الأكثر شمولًا للبيانات المتعلقة بإشعال الحرائق ذات الإحداثيات الجغرافية في الولايات المتحدة، بشكل كبير. تم تطوير النموذج لأول مرة في عام 2013 من قبل خدمة الغابات الأمريكية، وقد تم تحديثه خمس مرات. يجمع تقارير الحرائق من الجهات المحلية والولائية والفدرالية التي تتحمل مسؤوليات الحماية والإبلاغ عن الحرائق.

يتضمن النموذج معلومات أساسية مثل موقع الإشعال، وتاريخ الاكتشاف، وحجم الحريق النهائي. ومع ذلك، ستغطي قاعدة البيانات المُعدَّلة عوامل اجتماعية وبيئية أكثر. وفقًا لإريكا فليشمان، أستاذة في جامعة ولاية أوريغون:

“هناك اهتمام هائل بما يُمكّن إشعال الحرائق البرية وما يمكن القيام به لمنعها. تزيد هذه القاعدة من القدرة على الوصول إلى المعلومات ذات الصلة وتساهم في الاستعداد والوقاية من الحرائق البرية.”

لن تساعد هذه القاعدة المعززة فقط رجال الإطفاء والمديرين في الميدان على مكافحة الحريق، بل يمكنها أيضًا المساعدة في تقييم مخاطر الطاقة على المدى القصير. يمكن لشركات الطاقة اتخاذ قرارات أكثر استنارة بشأن تنفيذ إغلاق الطاقة لأسباب السلامة العامة. علاوة على ذلك، يمكن لوكالات إدارة الأراضي أن تقرر ما إذا كان ينبغي تقليل الوصول إلى الأراضي العامة خلال فترات معينة من السنة.

وفقًا لفليشمان، تُوجَّه العديد من السياسات بالعواطف بدلاً من قاعدة كبيرة من الأدلة. تُظهر القاعدة “طريقة واحدة لزيادة الأدلة الموضوعية التي يجب أخذها في الاعتبار عند اتخاذ تلك القرارات”، كما قالت. 

نُشرت في مجلة Earth System Science Data، الـ البحث الذي يوضح أن قاعدة البيانات مدعومة من قبل برنامج العلوم المشتركة للحرائق. وقد حدد السمات البيولوجية والاجتماعية والفيزيائية للحصول على فهم محسّن للحرائق البرية بالإضافة إلى التنبؤ. 

في المجموع، شمل فريق البحث فليشمان، التي تدير معهد أوريغون لأبحاث تغير المناخ وقاده موجتبا صادق ويافر بورمحامد، أستاذ مشارك وطالب دكتوراه على التوالي في جامعة بويز ستيت، أضاف ما يقرب من 270 سمة إضافية. الآن، تشمل القاعدة بيانات حول 2.3 مليون حريق في الولايات المتحدة من عام 1992 إلى 2020.

بموجب قاعدة البيانات المُعدَّلة، يحتوي كل حريق بري الآن على سمات فيزيائية مثل الطقس، المناخ، التضاريس، والبنية التحتية؛ سمات بيولوجية مثل مؤشر الغطاء النباتي وتغطية الأرض؛ سمات إدارية تغطي مستوى الاستعداد الوطني والإقليمي والاختصاص؛ وسمات اجتماعية تشمل مؤشر الضعف الاجتماعي وكثافة السكان.

الإصدار السادس من FPA FOD تم تعزيزها إضافيًا بإحصاءات ملخصة ضمن نطاق زمني ومكاني حول نقطة الإشعال ومؤشرات الغطاء النباتي التي تُستَخرج شهريًا من الأقمار الصناعية خلال السنة التي تسبق الإشعال. وقالت الدراسة: \”يمكن استخدام هذه المجموعة الغنية من البيانات الجدولية في مجموعة متنوعة من التطبيقات القائمة على الفرضيات أو استكشاف البيانات.\”

ستساعد قاعدة البيانات الضخمة هذه في توفير فهم أعمق بشكل كبير للتأثير الفردي والمركب للسمات على إشعال الحرائق البرية وحجمها، كما قال بورمحامد، مضيفًا:

“كما يحدد الآثار غير المتساوية للحرائق البرية على الفئات السكانية البشرية والأنظمة البيئية المتميزة، مما يمكن أن يُسهم في توجيه الجهود لتقليل عدم المساواة.”

يمكن أيضًا دمج قاعدة البيانات في نماذج الذكاء الاصطناعي وتعلم الآلة التي تشرح العوامل التي تدفع الحرائق السابقة، واحتمالية حدوث حرائق مستقبلية، وتأثيرات الحرائق المستقبلية. وقالت:

“من المدهش ما يمكنك استنتاجه عندما تمتلك القدرة الحاسوبية وهذه الكمّية الكبيرة من المعلومات. يمكنك طرح الكثير من الأسئلة التي تُفيد في اتخاذ إجراءات مختلفة في أماكن مختلفة وفهم ما يرتبط بإشعال الحرائق البرية وتأثيراتها.”

أفكار نهائية

الأراضي البرية مثل الغابات أو المراعي جزء أساسي من ازدهار الإنسان. فهي تخفّف من تغير المناخ عن طريق تخزين الكربون، والحفاظ على موائل الحياة البرية، وتعزيز مرونة المناظر الطبيعية. لطالما كانت هذه الأراضي البرية عرضة للحرائق البرية، ولكن خلال العقود القليلة الماضية، ارتفعت بشكل كبير حتى أصبحت الحرائق البرية تهديدًا. 

هذه الحرائق الضخمة وغير المخططة تدمر الأراضي في جميع أنحاء العالم، مما يستدعي فهماً أفضل، وتقييمًا، وتحليلًا للحرائق السابقة، ونجاح الوقاية منها، واستراتيجيات التخفيف ليس فقط لمنع الحرائق البرية بل أيضًا لتحسين تخطيط الحريق، والاستجابة، والتكيف، والتخفيف الفعّال من حيث التكلفة، والحد من الآثار السلبية.

كما أشرنا أعلاه، تقوم السلطات باستمرار بتحسين قواعد البيانات، التي يمكن بعد ذلك دمجها في نماذج الذكاء الاصطناعي لتفسير احتمالات حدوث الحرائق وتأثيراتها المستقبلية. يمكن بعد ذلك استخدام هذه النماذج المختبرة جيدًا بالتكامل مع صور الأقمار الصناعية لتوقع ومنع الحرائق البرية المستقبلية بدقة. بهذه الطريقة، يمكننا حماية أراضينا البرية، والحفاظ على التنوع البيولوجي، وإثراء حياة الأجيال القادمة.

انقر هنا لتتعرف على كل ما تحتاج معرفته حول الاستثمار في الذكاء الاصطناعي.