近20年西昆侖地區(qū)冰川動態(tài)變化遙感研究

紀 鵬，郭華東，張 露

(1.中國科學院對地觀測與數(shù)字地球科學中心數(shù)字地球重點實驗室，北京 100094;2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240)

0 引言

研究冰川的覆蓋程度和演變環(huán)境，不僅對研究冰川現(xiàn)在和未來發(fā)展有著重要意義，對研究全球現(xiàn)在和未來氣候的變化也起著舉足輕重的作用[1]。西昆侖冰川位于青藏高原西北邊緣向南呈弧形的內(nèi)陸高山地區(qū)，地勢高亢、氣候寒冷，冰川發(fā)育集中、規(guī)模很大，是研究環(huán)境變化的重要區(qū)域之一[2]。

衛(wèi)星遙感技術(shù)具有快速、高效、便捷等優(yōu)點，能獲取長周期、大范圍的地表圖像，是當前冰川學研究的重要方法之一[3-5]。對于研究高原地區(qū)的冰川，衛(wèi)星遙感技術(shù)不僅能夠突破天氣寒冷、海拔高和交通不便等限制，而且能夠擴展研究冰川演變過程的時間和空間范圍。比如，郭華東等基于雷達圖像對西昆侖郭扎錯北面冰川動態(tài)變化的研究[6]，上官冬輝等根據(jù)航空相片、地形圖及圖像數(shù)據(jù)對玉龍喀什河源區(qū)的冰川變化的研究[7]，張瑞江等依據(jù)ETM圖像對青藏高原冰川雪線高度變化的研究[8]，以及基于地形圖、MSS和ETM數(shù)據(jù)的對青藏高原現(xiàn)代冰川面積變化的研究[9]，均證實了衛(wèi)星遙感技術(shù)極為有利于監(jiān)測和分析冰川的變化。但是，由于冰川分布廣泛、數(shù)量多、類型復(fù)雜，如何快速、準確地提取出冰川的物理參數(shù)成為冰川遙感研究中的難點。隨著地理信息系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，有學者開始采用衛(wèi)星遙感與地理信息系統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的方法對冰川進行研究。晉銳等基于我國20世紀70年代冰川編目數(shù)據(jù)、ASTER圖像及DEM，在GIS支持下對西藏朋曲流域冰川變化進行了遙感研究[10];宋波等基于DEM和遙感圖像，對我國貢嘎山地區(qū)冰川分類進行了遙感研究，提出了建立在GIS技術(shù)上改進的半自動集成分類方法[11]?？梢姡C合利用衛(wèi)星遙感與GIS技術(shù)，能夠更好地監(jiān)測和分析冰川的變化。目前，已經(jīng)有學者對西昆侖冰川的動態(tài)變化進行了遙感研究，例如上官東輝等根據(jù)西昆侖冰川20世紀70年代冰川編目數(shù)據(jù)、1990—2001年Landsat衛(wèi)星圖像，對該冰川在1970—2001年間的動態(tài)變化進行了遙感研究，得出西昆侖冰川在此期間有所退縮的結(jié)論[12];本文作者課題組則基于1991—2009年Landsat TM與ETM+遙感圖像，對西昆侖冰川近20 a來的動態(tài)變化進行了遙感研究，得出了該冰川在1991—2009年間具有先增加后減少的波動規(guī)律的結(jié)論[13]。

考慮到西昆侖冰川及其形成的冰川湖構(gòu)造出了一個區(qū)域自然環(huán)境系統(tǒng)，二者的變化及相互關(guān)系對研究全球變化而言具有重要的參考價值，需更加深入地研究;此外，如何綜合利用遙感與GIS技術(shù)，研究西昆侖冰川及其形成的冰川湖動態(tài)變化信息的提取，發(fā)掘遙感技術(shù)在環(huán)境變化研究中的潛力，同樣需要進一步研究。據(jù)此，本文選用西昆侖地區(qū)1991—2009年Landsat TM與ETM+遙感圖像，采用自動、半自動相結(jié)合的圖像分析方法，提取冰川及冰川湖的變化信息，利用GIS技術(shù)對冰川、湖泊面積進行統(tǒng)計分析。進而結(jié)合氣候資料，分析冰川、湖泊變化與氣候變化之間的關(guān)系，推測該區(qū)域近20 a以來冰川和湖泊變化特點及原因。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于E 79.5°～82°，N 34.5°～36°之間，西昆侖新疆維吾爾族自治區(qū)和西藏自治區(qū)的鄰接處。該區(qū)地貌多樣，既有龐大的冰川，也有巨大的湖泊。冰川聚性強、數(shù)量多、規(guī)模大，而且平均雪線高，冰舌末端高度低，山谷冰川平均面積大[14]。根據(jù)全球陸地冰空間觀測計劃公布的結(jié)果顯示，研究區(qū)中，多峰冰川規(guī)模最大，長達 26.8 km，面積為 251.7 km2[15]。此外，該區(qū)冰川類型十分齊全，既有懸冰川、冰斗冰川，也有山谷冰川和平頂冰川，這些冰川為周邊地區(qū)的河流和湖泊提供融水補給。

上述冰川的融水在南部形成了2個較大的湖泊——阿克賽欽湖和郭扎錯，分別位于研究區(qū)西部和東部(圖1)。其中，阿克賽欽湖主要由弓形冰川、多塔冰川和泉水冰川及以西西昆侖冰川提供融水補給;而郭扎錯則主要由位于西昆侖冰川東部的中峰冰川、郭扎冰川、崇側(cè)冰川及其以東冰川提供補給。

圖1 西昆侖研究區(qū)域Fig.1 Study area of West Kunlun

阿克賽欽湖是阿克賽欽盆地內(nèi)最著名的內(nèi)流湖[16]。阿克賽欽盆地是昆侖山系南側(cè)半封閉性山間盆地，屬新疆和田行政區(qū)域，平均海拔在4 000 m以上，降雨稀少，氣候寒冷。

郭扎錯，又名里田錯、明亮湖，位于西藏阿里地區(qū)日土縣，羌塘高原最北端的西昆侖山間盆地，形似一面腰鼓，東西長30.4 km，南北最大寬11.6 km，平均寬8.31 km，面積 252.6 km2，最大水深 81.9 m。湖面海拔達5 080 m，湖岸比較陡峭。該湖還有一個特征，即湖水北淡南咸[17-18]。

由于西昆侖地區(qū)幅員廣闊，東西部區(qū)域氣候變化存在差異，所以要將東、西區(qū)的冰川看作2個不同的整體進行比較，這樣才能準確地反映冰川、湖泊變化和氣候變化之間的關(guān)系。

1.2 數(shù)據(jù)源

共采用7景TM和ETM+數(shù)據(jù)，其空間分辨率均采用30 m，其他參數(shù)詳見表1。

表1 1991—2009年Landsat數(shù)據(jù)源Tab.1 Landsat data from 1991 to 2009

這7景數(shù)據(jù)橫跨了1990—2010年的近20 a，其時相都選定在每年的9月或10月含云量非常少的時期。1991-10-17，2001-10-20，2004-09-10和2009-10-02數(shù)據(jù)覆蓋了東區(qū)的大部分地區(qū)，包括西昆侖冰川的主體部分和整個郭扎錯。1992-10-10，2000-10-08和2005-09-04數(shù)據(jù)覆蓋了西區(qū)的小部分地區(qū)，但包含了阿克賽欽湖的全部。本文將西昆侖冰川、郭扎錯和阿克賽欽湖先分開、后綜合地進行比較分析。

7景圖像數(shù)據(jù)均來自GLCF(global land cover facility)和USGS(US geological survey)數(shù)據(jù)共享平臺，帶有地理坐標信息的GeoTIFF格式，是幾何精糾正產(chǎn)品，地理編碼精度較高，大地參考橢球坐標系為WGS 84，投影坐標系統(tǒng)UTM，Zone 44N。

與西昆侖地區(qū)距離最近的國家氣象站點為獅泉河站，該站點與研究區(qū)南端中峰冰川之間的直線距離約280 km。由于距離太遠，獅泉河站采集的氣象數(shù)據(jù)不足以準確反映西昆侖地區(qū)的氣候變化特點，因此在氣候方面本文采用NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集[19]。該數(shù)據(jù)集有著分析時間長和觀測資料廣泛的特點，包括了從1948-01-01到目前為止的每日和每月數(shù)據(jù)，以及1968—1996年的長期月平均數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)集的觀測資料來源包括全球無線電測風資料、綜合海氣資料、飛機觀測資料、陸面天氣觀測資料、衛(wèi)星探測資料、微波特殊探測/圖像資料和衛(wèi)星觀測風(云的移動)資料等[20]。數(shù)據(jù)集以標準的二進制形式存儲在經(jīng)度/緯度間隔2.5°×2.5°的網(wǎng)格點上，在全球范圍內(nèi)共144×73個格點。

本文根據(jù)研究區(qū)域范圍和圖像時相區(qū)間，選取了從1990—2009年間每年的溫度和降水量平均值數(shù)據(jù)，用于氣候數(shù)據(jù)與冰川、湖泊變化的對比分析。

2 冰川、湖泊的遙感提取方法

采用閾值分割法提取冰川信息，該方法不僅具有耗時少、效率高的優(yōu)點，還能準確地檢測出在陰影區(qū)中的冰川[21]。公式為

式中:T為采用閾值分割法提取的冰川信息;TM3，TM5分別為紅波段和中紅外波段亮度值。該方法對有冰磧覆蓋的冰川也能夠進行有效提取，但不能區(qū)分水體與冰雪。因為在TM3和TM5波段水體和冰雪具有相似的反射光譜特征。針對這一問題，采用目視解譯法，人工剔除錯分的冰川[22]。

然后，運用近似梯度Roberts算子對上述冰川分類結(jié)果進行矢量化處理。其原理是將四鄰域中對角線上的像元值差作為水平和垂直方向梯度的近似值，從而檢測出圖像中相應(yīng)目標的邊界[23]。在本研究中，對應(yīng)目標就是冰川。Roberts算子的梯度表達式為

式中:x，y為圖像像素的坐標值;f(x，y)為像素值。

最后，在Arc/Info中疊加全部4組不同時期的冰川邊界矢量化數(shù)據(jù)，并利用其統(tǒng)計功能對冰川進行變化分析。

采用譜間關(guān)系法和最大似然法相結(jié)合的方法提取湖泊范圍，因為同一種方法在不同類別的遙感圖像中不是都能夠準確識別水體信息。譜間關(guān)系法是通過分析水體在TM或ETM圖像各波段的波譜特性，發(fā)現(xiàn)其獨具的譜間關(guān)系，進而提取水體信息的方法[24]，判斷語句為

式中:Water為提取的水體信息;TM2，TM3，TM4和TM5分別代表2，3，4與5波段圖像亮度值;Tmin和Tmax分別為水體亮度的最小和最大值。該方法能夠?qū)⑺w與陰影區(qū)分開來，對湖泊、水庫和寬河流等的提取具有非常好的效果，尤其適合山地區(qū)域內(nèi)水體的提取。

通過譜間關(guān)系法和最大似然法處理，得到獨立的湖泊數(shù)據(jù);然后利用Roberts算子提取湖泊邊界信息，并將生成的矢量圖像在ArcInfo中做圖層疊加和統(tǒng)計;最后針對湖泊變化進行檢測分析。

3 冰川、湖泊的變化特點

3.1 冰川變化特點

以中峰冰川為分水嶺，將研究區(qū)冰川分為東、西2區(qū):東區(qū)冰川包括中峰冰川、郭扎冰川和崇側(cè)冰川等，為郭扎錯提供融水補給;西區(qū)冰川包括弓形冰川、多塔冰川和泉水冰川等，為阿克賽欽湖提供補給。分別統(tǒng)計東、西區(qū)內(nèi)冰川整體面積變化(表2)。

表2 1991—2009年西昆侖冰川面積變化Tab.2 Area change of West Kunlun glaciers from 1991 to 2009 (km2)

研究發(fā)現(xiàn)西區(qū)冰川整體面積在1991—2001年、2001—2004年和2004—2009年間分別減少了0.44 km2，0.35 km2和1.02 km2，呈現(xiàn)持續(xù)減少的狀態(tài);東區(qū)在1991—2001年間冰川整體面積減少了0.2 km2，而2004年卻增加了3.08 km2，2009年又減少了0.69 km2，呈現(xiàn)先減少后增加再減少的變化現(xiàn)象。

以中峰冰川和弓形冰川為例，其變化與遙感圖像疊加，如圖2所示。

圖2 冰川變化與遙感圖像疊加圖Fig.2 Overlay of glacier changes and remote sensing images

3.2 湖泊變化特點

1991年郭扎錯面積為250.63 km2，2001年增加至282.2 km2，增加了31.57 km2;但2004 年面積減至 238.05 km2，減少了44.15 km2;然而到2009 年，面積又變?yōu)?248.99 km2，增幅為 10.94 km2。該湖泊面積在1991—2009年間，具有先增加后減少再增加的變化現(xiàn)象，處于波動狀態(tài)。

阿克賽欽湖在1992年面積為182.09 km2，2000年減至165.58 km2，減少了 16.51 km2;但 2005 年面積又增加到 170.02 km2，增幅 4.44 km2。單就1992年和2005年這2個時間結(jié)點來看，該湖面積以平均每年0.93 km2的速度不斷地減小。

結(jié)合疊加有不同年份湖泊邊界的遙感圖像(圖3)可直觀地看到這種變化現(xiàn)象。

圖3 湖泊變化與遙感圖像疊加圖Fig.3 Overlay of lake changes and remote sensing images

4 討論

依據(jù)西昆侖冰川、郭扎錯和阿克賽欽湖的位置關(guān)系和該地區(qū)NCEP/NCAR再分析氣候資料，本文就三者在1991年與2009年間的變化結(jié)果，作了比較分析。

從冰川與湖泊的相對位置看，泉水冰川與阿克賽欽湖距離最近，前者是后者重要的補給水源。遙感圖像反映1991—2009年，泉水冰川表現(xiàn)為“先增后減”，而阿克賽欽湖表現(xiàn)為“先減后增”，二者呈明顯的反比關(guān)系并相互對應(yīng)。類似地，中峰冰川與郭扎錯位置最靠近，前者融水形成的水流大部分匯入后者，是其最主要的補給水源;遙感圖像上，中峰冰川在1991—2009年間表現(xiàn)出“減—增—減”現(xiàn)象，而郭扎錯表現(xiàn)出“增—減—增”現(xiàn)象，二者有明顯的反比對應(yīng)關(guān)系。綜合來看，高山地區(qū)的冰川與以其為補給水源的下游湖泊之間，存在著重要的相互依存關(guān)系，在數(shù)量上成反比。

從氣候變化角度看，1991—2009年西昆侖東、西區(qū)年平均溫度在21.0～24.0°C之間，總曲線呈起伏變化。但是，西區(qū)氣溫比東區(qū)氣溫普遍偏高，差值分布在0.16～0.35°C 之間。而且2000—2005年的差值比1991—1999年的差值高，穩(wěn)定于0.22°C左右;特別地，在2008—2009年間達到最大值0.35°C(圖4)。遙感圖像顯示，在2000—2005年間西昆侖東區(qū)呈現(xiàn)冰川面積增加和郭扎錯面積減少的現(xiàn)象;可是西區(qū)卻呈現(xiàn)冰川面積減少和阿克賽欽湖面積增加的現(xiàn)象。因此推測，造成西昆侖東、西區(qū)冰川與湖泊面積變化差異的主要原因是溫度;而且隨著溫度的增加，冰川面積減少，湖泊面積增大，三者的變化具有線性關(guān)系。

圖4 1990—2010年西昆侖年平均溫度曲線圖Fig.4 Average temperature of West Kunlun from 1990 to 2010

5 結(jié)論

1)總體而言，1991—2009年期間，西昆侖冰川具有顯著變化，東、西區(qū)存在差異。其中東區(qū)處于先減少后增加再減少的波動狀態(tài)，而西區(qū)處于持續(xù)減少狀態(tài)。同時，郭扎錯具有先增加后減少再增加的變化現(xiàn)象，而阿克賽欽湖呈不斷減小趨勢。

2)西昆侖冰川與郭扎錯、阿克賽欽湖之間，存在著重要的相互作用關(guān)系，在面積數(shù)量上成反比。

3)2000—2005年間，西昆侖東、西區(qū)冰川與湖泊面積變化差異的產(chǎn)生原因是溫度因素;隨著溫度的增加，冰川面積減少，湖泊面積增大，三者的變化具有線性關(guān)系。

綜合各方面因素，認為從1991—2009年間西昆侖冰川、郭扎錯和阿克賽欽湖的變化，敏感地反映了當?shù)赝跉夂虻淖兓?。隨著此類現(xiàn)象在全球范圍內(nèi)的持續(xù)出現(xiàn)，西昆侖地區(qū)作為典型區(qū)域值得繼續(xù)深入研究。

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