بيانات شاملة من الطائرات بدون طيار والأرض لمواقع شبه جافة نموذجية في منتصف مجرى حوض نهر هيهي

مراقبة الأراضي الجافة من الأعلى

تُكافح المناطق الجافة ونصف الجافة حول العالم ندرة المياه وتعرّض التربة وتغير المشاهد بسرعة. يحتاج المزارعون ومديرو المياه والبيئيون إلى طرق أفضل لمراقبة كيفية دفء الحقول والصحارى والأراضي الرطبة وبرودتها ونموها مع مرور الوقت. تُقدّم هذه المقالة مجموعة غنية من قياسات الطائرات بدون طيار والبيانات الأرضية من حوض نهر في شمال غرب الصين تتيح للعلماء التكبير على هذه التغيرات بمقياس الحقول والأشجار الصغيرة، مع ربطها أيضاً بمشاهد الأقمار الصناعية من الفضاء.

ثلاثة مشاهد متباينة

تركز الدراسة على المجرى الأوسط لحوض نهر هيهي، وهو واحة نموذجية في الصحراء حيث يمدّ الثلج والجليد من الجبال البعيدة الأراضي الزراعية والرمال العارية والبرك المليئة بالقَصَب بالماء. اختار الباحثون ثلاث مناطق تمثيلية: واحة زراعية مروية تُسمى دامان، وصحراء ذات غطاء نباتي متناثر تُدعى هوازهايزي، وموطن قصب يُسمى ببساطة الأراضي الرطبة. كل منطقة تغطي بضعة كيلومترات مربعة، بما يقارب أثر بكسل الأقمار الصناعية الشائعة وفي الوقت نفسه تضم أبراجاً عالية تتابع الطاقة والغازات المتبادلة بين الأرض والهواء. معاً، تلتقط هذه المواقع الثلاثة نطاق الظروف التي تشكل سلوك النظم شبه الجافة.

الطائرات المسيّرة ككاميرات طائرة مرنة

لمراقبة هذه المشاهد بتفصيل، حلّق الفريق بطائرة متعددة المراوح كبيرة مُزودة بكاميرتين خاصتين. تلتقط إحداهما الحرارة، مسجلة مدى دفء السطح في مجال الأشعة تحت الحمراء الحرارية. والأخرى كاميرا متعددة الأطياف تلتقط صوراً في خمس نطاقات لونية ضيّقة حسّاسة لصحة النباتات. عند الارتفاع نحو 300 متر، أنتجت الطائرة صوراً ببكسلات بعرض بضعة عُشرَي متر، دقة كافية لتمييز قنوات الري والطرق الضيقة وبقع العشب الصغيرة. تكررت الرحلات من يونيو إلى أكتوبر 2020، مغطية موسم النمو الكامل من بداية الإخضرار حتى المتبقيات بعد الحصاد.

محطات أرضية كمرجع للتحقق

بينما كانت الطائرات تقطع السماء، عملت أدوات أرضية بشكل مستمر. في كل موقع، قيست أبراج عالية الرياح ودرجة حرارة الهواء والرطوبة والضوء الساقط والحرارة المنبعثة، إلى جانب تبادلات بخار الماء وثاني أكسيد الكربون. وُجهت حساسات تحت حمراء إضافية نحو أسطح محددة مثل حقول الذرة والطرق والتربة العارية والقصب وحتى السماء، مسجلة درجة سطوعها الحرارية كل بضع ثوانٍ. تعمل هذه القياسات كمرجع للتحقق وضبط خرائط الطائرات، مما يساعد على تصحيح انزياح الحساسات وتغيرات الطقس وغيرها من الشوائب التي قد تشوّه قراءات الجو المحمولة.

تحويل الصور الخام إلى خرائط نظيفة

صور الحرارة الخام من كاميرات حرارية صغيرة عرضة للتقلب، إذ تنزلق بينما يسخن الجهاز أو يبرد أثناء الطيران، ما قد يخلق خطوطاً وبقعاً ساخنة أو باردة زائفة. طوّر الباحثون طريقة تفحص كيف تتوزع قيم البكسل في كل إطار وتستخدم صورة مرجعية مختارة بعناية إلى جانب محاكاة فيزيائية لإزالة هذه الانزلاقات. بعد ذلك، حاكوا الإطارات المصححة في فسيفساء حرارية ناعمة ومعاينة مكانياً، ثم عايروها أكثر باستخدام حساسات الأشعة تحت الحمراء الأرضية. واجهت الصور متعددة الأطياف مشكلة مختلفة: كل مقطع طيران يعمل بالبطارية أنشأ بلاطات منفصلة ذات سطوع طفيف الاختلاف. من خلال مطابقة الميزات المتداخلة بين البلاطات واستخدام تصحيحات خطية بسيطة، وضع الفريق كل المقاطع على مستوى واحد قبل الخياطة، مما خفّض بشكل كبير الفواصل والاختلافات اللونية المرئية.

خرائط تكشف الحياة النباتية

من فسيفساء متعددة الأطياف المنقحة، حسب الفريق مؤشر نباتي يبرز المواضع التي تزدهر فيها النباتات أو تضعف. أظهروا أنه بدون تصحيحات السطوع هذه، احتوت الخرائط على نطاقات صناعية وبقع غير واقعية قد تضلل من يحاول تتبع المحاصيل أو جهود الاستعادة. مع وجود التصحيحات، طابقت الخرائط المشهد الحقيقي: قيم منخفضة فوق الحقول بعد الحصاد، وقيم منخفضة جداً فوق الصحراء ذات الشجيرات المتناثرة، وقيم متوسطة إلى عالية في أجزاء من الأراضي الرطبة حيث بقي القصب والعشب أخضراً. مع بيانات الأبراج، تتيح المجموعة الكاملة للباحثين ربط غطاء النبات ودفء السطح بالإشعاع والرياح والرطوبة على مدى أيام إلى أشهر.

حقل اختبار جديد لبحوث الأراضي الجافة

في النهاية، لا تقدّم هذه العمل نتيجة واحدة بقدر ما تقدّم صندوق أدوات ومرجع مشترك. يوفر الوصول المفتوح إلى خرائط حرارة عالية الدقة، وفسيفساء النطاقات اللونية، وخرائط النبات، وسجلات الأبراج المطابقة لثلاثة مواقع شبه جافة متباينة. وبما أن كل شيء مُحاذٍ بعناية مكانياً وزمانياً، يمكن استخدام البيانات لاختبار منتجات الأقمار الصناعية، أو تدريب نماذج حاسوبية جديدة، أو استكشاف كيفية تدفق الحرارة والرطوبة عبر فسيفساء الحقول والكثبان، ودعم الزراعة الدقيقة وتخطيط الاستعادة. لأي شخص مهتم بتفاعل الماء والنبات والمناخ في المناطق الجافة، تعمل مجموعة البيانات هذه كلقطة مفصّلة وموثوقة لمشهد حي.

الاستشهاد: Zhou, J., Wang, Z., Liu, S. et al. Comprehensive UAV and ground data for typical semiarid sites in the midstream of the Heihe River Basin. Sci Data 13, 785 (2026). https://doi.org/10.1038/s41597-026-07151-0

الكلمات المفتاحية: الاستشعار عن بُعد بالطائرات المسيرة, درجة حرارة سطح الأرض, NDVI, النُظم شبه الجافة, حوض نهر هيهي