河西河流域中游典型半干旱地点的无人机与地面综合观测数据

从空中观测干旱地带

世界各地的干旱与半干旱地区面临水资源匮乏、土壤脆弱以及快速变化的景观。农民、水资源管理者和生态学家都需要更好的手段来观测田地、沙漠和湿地如何随时间升温、降温与生长。本文介绍了一套来自中国西北河流流域的丰富无人机与地面观测数据，允许科学家在单个田块与灌木尺度上放大研究这些变化，同时还能将结果与来自太空的卫星观测相连接。

三类对比鲜明的景观

研究聚焦于河西河流域中游，这是沙漠中的经典绿洲，远方山地的雪与冰提供水源滋养农田、裸沙与芦苇沼泽。研究者选择了三个具代表性的区域：一个称为大满的灌溉农业绿洲、一个植被稀疏的荒漠化地区花宅子，以及一个简称湿地的芦苇湿地。每个区域覆盖几平方公里，规模大致相当于常见卫星像素的覆盖范围，同时包含用于追踪地表与大气之间能量和气体交换的高塔。三处站点共同涵盖了塑造干旱地生态系统行为的多种条件。

无人机：灵活的空中相机

为详细观测这些景观，团队飞行了一架大型多旋翼无人机，搭载两台特殊相机。一台相机感知热量，记录地表在热红外波段的温度；另一台是多光谱相机，在五个对植被健康特别敏感的窄波段成像。无人机在约300米高度飞行，获得每像素仅有几十厘米的分辨率，足以辨识灌溉沟渠、窄路和小片草地。航次从2020年6月到10月重复进行，覆盖从初期返青到收获后茬秸的整个生长季。

地面观测站作为校验基准

在无人机穿梭天际之时，地面仪器持续运行。每个场址的高塔测量风速、气温与湿度、下行辐射与上返热通量，以及水汽与二氧化碳的交换。额外的红外传感器指向玉米田、道路、裸土、芦苇，甚至天空等特定表面，每隔数秒记录其亮温。这些测量作为参考，用来校验和微调无人机制图，帮助纠正传感器漂移、天气变化及其他可能扭曲空中观测的因素。

将原始影像转成干净的地图

小型热像仪拍得的原始热图常常很不稳定——随着设备在飞行中升温或降温会出现漂移，导致条纹或虚假的冷热斑点。研究者开发了一种方法，分析每帧图像像素值的分布，使用精心挑选的参考影像和物理模拟来移除这些漂移。随后，他们将校正后的影像拼接成平滑的地理参考热镶嵌图，并进一步用地面红外传感器校准。多光谱影像面临不同问题：每段由电池供电的航段会生成亮度略有不匹配的独立切片。通过匹配切片间重叠的特征并采用简单线性校正，团队在拼接前使所有航段亮度一致，大幅减少可见拼缝和颜色跳变。

揭示植物生命的地图

从清理后的多光谱镶嵌图中，团队计算出一种植被指数，以突出植物旺盛或衰退的区域。他们展示了如果不进行亮度校正，这些地图会包含人工条带和不真实的斑块，可能误导试图追踪作物或修复工作的使用者。在校正后，地图与实景相符：收获后田地呈现低值，散生灌木的沙漠区域值极低，而芦苇和草保持绿色的湿地区域显示中高值。结合塔式数据，完整数据集使研究者能将植被覆盖与地表温度关联到辐射、风与湿度的日到月尺度变化。

为干旱地研究提供新的试验平台

最终，这项工作与其说给出单一结论，不如说提供了一套工具箱和共享参考资料。它公开提供了极高分辨率的热图、彩色波段镶嵌图、植被图以及三处不同干旱地站点配套的塔式记录。由于所有数据在时空上都被精确对齐，这些数据可用于验证卫星产品、训练新型计算模型、探索热量与湿度在田块与沙丘拼图间的流动，并支持精准农业与修复规划。对于关心水、植物和气候在干旱地区相互作用的人们，这个数据集是对活跃景观的详细且可信的快照。

引用: 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

关键词: 无人机遥感, 地表温度, NDVI, 半干旱生态系统, 河西河流域