Комплексные данные БПЛА и наземные измерения для типичных полузасушливых участков в среднем течении бассейна реки Хэхэ

Наблюдение за засушливыми регионами сверху

Сухие и полусухие районы мира испытывают дефицит воды, тонкую почвенную корку и быстро меняющийся ландшафт. Фермерам, водным менеджерам и экологам нужны более точные способы отслеживать, как поля, пустыни и болота нагреваются, остывают и развиваются с течением времени. В этой статье представлен богатый набор измерений с дронов и наземных приборов из речного бассейна на северо-западе Китая, который позволяет исследователям рассматривать эти изменения с уровня отдельных полей и кустарников, одновременно связывая наблюдения с видом со спутника.

Три контрастных ландшафта

Исследование сосредоточено на среднем течении бассейна реки Хэхэ — классическом оазисе в пустыне, где тающий снег и лед из отдалённых гор питают поля, покрытые песком участки и тростниковые болота. Учёные выбрали три репрезентативные зоны: орошаемый сельскохозяйственный оазис под названием Даман, слабо заросший кустарником участок пустыни Хуачжайцзы и тростниковое болото, просто именуемое Wetland. Каждая территория охватывает несколько квадратных километров, что примерно соответствует размеру распространённых спутниковых пикселей, а также включает высокие башни, отслеживающие движение энергии и газов между землёй и атмосферой. В совокупности эти три площадки отражают диапазон условий, формирующих поведение полузасушливых экосистем.

Дроны как гибкие летательные камеры

Чтобы изучать эти ландшафты подробно, команда использовала большой многороторный дрон, оснащённый двумя специализированными камерами. Одна камера фиксирует тепло, регистрируя температуру поверхности в термальном инфракрасном диапазоне. Другая — мультиспектральная камера, снимающая в пяти узких цветовых диапазонах, чувствительных к состоянию растений. Летая на высоте около 300 метров, дрон получал изображения с разрешением в несколько десятков сантиметров на пиксель — достаточно, чтобы различать ирригационные канавы, узкие дороги и небольшие участки травы. Полёты повторялись с июня по октябрь 2020 года, охватывая весь вегетационный сезон от ранней пробуждаемости до остатков после сбора урожая.

Наземные станции как проверка точности

Пока дроны пересекали небо, наземные приборы работали непрерывно. На каждой площадке высокие башни измеряли ветер, температуру и влажность воздуха, падающую солнечную радиацию и исходящее тепловое излучение, а также обмены водяным паром и углекислым газом. Дополнительные инфракрасные датчики были направлены на конкретные поверхности — кукурузные поля, дороги, оголённую почву, тростник и даже небо — и регистрировали их яркостную температуру каждые несколько секунд. Эти измерения служат опорой для проверки и точной настройки карт, полученных с дронов, помогая корректировать дрейф сенсоров, меняющиеся погодные условия и другие особенности, искажающие воздушные наблюдения.

Преобразование сырых снимков в чистые карты

Сырые тепловые изображения с небольших термальных камер известны своей нестабильностью: значения дрейфуют по мере нагрева или охлаждения устройства в полёте, что может приводить к полосам и ложным тёплым или холодным пятнам. Исследователи разработали метод, который анализирует распределение значений пикселей в каждом кадре и использует тщательно подобранный эталонный снимок вместе с физическими моделями для удаления этих дрейфов. Затем они сшивали откорректированные кадры в гладкие геопривязанные тепловые мозаики и дополнительно калибровали их с помощью наземных инфракрасных датчиков. Мультиспектральные изображения сталкивались с другой проблемой: каждый участок полёта на батарее давал отдельные плитки с небольшими расхождениями яркости. Сопоставляя перекрывающиеся элементы между плитками и применяя простые линейные корректировки, команда выровняла все сегменты перед сшивкой, значительно сократив видимые швы и скачки цвета.

Карты, которые выявляют растительность

Из очищенных мультиспектральных мозаик команда вычислила вегетационный индекс, который подчёркивает, где растения развиваются, а где увядают. Они показали, что без коррекции яркости эти карты содержали искусственные полосы и нереалистичные пятна, способные ввести в заблуждение при мониторинге посевов или восстановительных работ. С внесёнными коррекциями карты соответствовали реальной сцене: низкие значения над полями после сбора урожая, чрезвычайно низкие значения в пустыне с редкими кустарниками и умеренные до высоких значения в частях болота, где тростник и травы оставались зелёными. В сочетании с данными башен полный набор позволяет исследовать связь между покрытием растительностью и температурой поверхности и такими факторами, как радиация, ветер и влажность в масштабе дней и месяцев.

Новая испытательная площадка для исследований полузасушливых территорий

В конечном счёте эта работа представляет не столько один результат, сколько набор инструментов и общий эталон. Она предоставляет открытый доступ к высокоразрешённым тепловым картам, мозаикам цветовых полос, картам растительности и сопоставимым башенным записям для трёх контрастных полузасушливых участков. Поскольку всё аккуратно выровнено во времени и пространстве, данные можно использовать для проверки спутниковых продуктов, обучения новых компьютерных моделей, изучения потоков тепла и влаги через мозаики полей и дюн, а также для поддержки точного сельского хозяйства и планирования восстановления. Для всех, кто интересуется взаимодействием воды, растений и климата в засушливых регионах, этот набор данных служит подробной и надёжной снимком живого ландшафта.

Цитирование: 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

Ключевые слова: Дистанционное зондирование БПЛА, температура поверхности суши, NDVI, полузасушливые экосистемы, бассейн реки Хэхэ