1959–2016年中國阿爾泰山冰川長度數(shù)據(jù)集

靳惠安，姚曉軍，張大弘

1. 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070

2. 甘肅林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院林業(yè)工程學(xué)院，甘肅天水 741020

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

引 言

冰川作為冰凍圈的重要組成部分[1]，對氣候變化具有強烈的指示和預(yù)警作用[2-4]。在冰川編目中，冰川長度一般指冰川軸線的最大距離，是表征冰川幾何形態(tài)的重要參數(shù)[5]，也是氣候變化重構(gòu)、冰川冰儲量評估、冰川動力學(xué)模型構(gòu)建和冰川未來變化預(yù)測的關(guān)鍵參數(shù)，在冰川變化研究中具有重要地位[6]。傳統(tǒng)的人工提取冰川長度信息方法存在工作效率低、驗證難度大等缺點。隨著GIS技術(shù)的發(fā)展，利用自動或半自動方法提取冰川長度信息成為可能[7]。目前，冰川長度的提取方法主要有冰川主流線提取法[8-9]和冰川中流線提取法[5,7,10]。其中主流線法是通過水文分析方法提取匯水線來獲取冰川長度[11]；中流線法則是基于冰川邊界，由冰川最高點至冰川末端提取中心線來表示冰川長度。

阿爾泰山位于亞洲中部和新疆維吾爾自治區(qū)最北端，呈西北–東南走向，斜跨中國、哈薩克斯坦、俄羅斯、蒙古邊境，綿亙約 2000 km。中國境內(nèi)的阿爾泰山為其中部山脊以南山地，哈巴河、布爾津、阿勒泰、富蘊、青河一線以北，地理范圍為 45○47′N–49○10′N、85○27′E–91○01′E，長達(dá) 500 km。主峰友誼峰（4374 m）位于布爾津河上游喀納斯河源中蒙交界處[12]，與其北側(cè)的奎屯峰（4101 m）構(gòu)成高大的山結(jié)，為我國阿爾泰山現(xiàn)代冰川集中發(fā)育的地區(qū)[13]。該區(qū)域冬、春季受北冰洋氣流影響，夏季主要由西風(fēng)環(huán)流補給，降水較豐沛，降水量由西北向東南遞減[12,14]。阿爾泰山區(qū)冰川融水，尤其季節(jié)性積雪在河流補給比例中高達(dá)45%–50%，是該地區(qū)河流的主要補給來源[13]。因此，開展阿爾泰山地區(qū)的冰川變化研究不僅對認(rèn)識該區(qū)域氣候變化具有重要意義，而且對下游地區(qū)的水資源合理利用具有實際價值。已有研究表明，1959–2009年我國阿爾泰山地區(qū)冰川面積呈減少趨勢[14-16]，但對冰川退縮幅度，尤其是冰川末端變化仍缺乏系統(tǒng)性認(rèn)識。本文基于中國阿爾泰山第一、二次冰川編目數(shù)據(jù)及2016年冰川矢量數(shù)據(jù)，通過提取冰川中流線[6]，獲得該區(qū)域1959–2016年冰川長度數(shù)據(jù)，從而為區(qū)域冰川、氣候變化及水資源研究等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

本數(shù)據(jù)集所采用的數(shù)據(jù)包括中國阿爾泰山地區(qū)第一、二次冰川編目數(shù)據(jù)，Landsat OLI遙感影像及數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)。其中，第一次冰川編目所用數(shù)據(jù)源為基于 1959年航空攝影測量技術(shù)制作的1∶10萬地形圖；第二次冰川編目數(shù)據(jù)源為Landsat TM/ETM+遙感影像和1∶10萬地形圖；2016年冰川矢量數(shù)據(jù)所用數(shù)據(jù)源為3景Landsat OLI遙感影像，均由美國地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS）網(wǎng)站（http://glovis.usgs.gov/）提供；所采用的DEM數(shù)據(jù)為SRTM DEM，空間分辨率90 m，該數(shù)據(jù)從地理空間數(shù)據(jù)云下載獲?。╤ttp://www.gscloud.cn/）（表1）。

表1 數(shù)據(jù)集所用數(shù)據(jù)列表

1.2 數(shù)據(jù)處理過程

2016年中國阿爾泰山冰川矢量數(shù)據(jù)的采集與處理采用中國第二次冰川編目方法[17]，基于Landsat OLI遙感影像，通過波段比值與人工交互方法提取冰川邊界，同時參考地形圖、Google Earth對冰川矢量邊界進(jìn)行檢查與修訂，最后根據(jù)山脊線自動提取方法，對修訂后的冰川邊界進(jìn)行分割，得到各條冰川矢量數(shù)據(jù)[18-19]。冰川長度信息的獲取采用姚曉軍等[6]提出的冰川中流線提取方法。首先獲取各條冰川輪廓上的海拔最高點與海拔最低點，基于提取的冰川輪廓線上海拔最高點與最低點將冰川輪廓線分割為獨立且相連的線段，然后采用歐式距離將平面劃分多個區(qū)域，劃分區(qū)域所得公共邊即視為冰川中流線?；讷@取的冰川中流線計算各條冰川長度，同時獲取冰川輪廓上最高點與最低點海拔高度。數(shù)據(jù)處理流程如圖1所示。為提高工作效率，利用ArcPy站點包編寫程序腳本，并將其轉(zhuǎn)換為可在ArcGIS軟件下運行的tbx文件。

圖1 中國阿爾泰山冰川編目與冰川中流線提取流程

受地形因素影響，阿爾泰山冰川多屬規(guī)模較小的單一盆地、單一出口類型。據(jù)第二次冰川編目，中國阿爾泰山面積小于2.0 km2的冰川數(shù)量占冰川總數(shù)量的94%[14]。復(fù)式盆地、單一出口類型的大規(guī)模冰川數(shù)量較少，如喀納斯冰川。對于此類冰川，處理時將各支流冰川長度匯總計算其最大長度與平均長度。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)圖形樣本

2.1.1 單一盆地、單一出口型冰川

圖2為單一盆地、單一出口類型冰川（GLIMS編碼為G087717E49104N）不同時期中流線提取結(jié)果。1959–2016年，該冰川面積由0.41 km2減少至0.35 km2，冰川長度分別為1262 m、1224 m、1219 m，共退縮43 m（?3.41%），冰川末端海拔上升。

圖2 單一盆地、單一出口型冰川的海拔最高點、最低點及中流線

2.1.2 復(fù)式盆地、單一出口型冰川

圖 3為阿爾泰山喀納斯冰川 1959年、2006年和 2016年的冰川中流線提取結(jié)果。該冰川在1959–2016年呈退縮趨勢，面積減少6.31 km2，冰川末端海拔由2409 m上升至2547 m，各支流冰川長度均縮減，最大冰川長度（5號支流）減少1663 m，平均長度由9326 m縮減至7947 m，減少約14.8%。

圖3 喀納斯冰川各支流海拔最高點、最低點及中流線

2.2 數(shù)據(jù)屬性表

中國阿爾泰山地區(qū)冰川長度數(shù)據(jù)屬性表由12個字段構(gòu)成（表2），反映了各條冰川的坐標(biāo)參數(shù)、幾何參數(shù)和輔助信息。其中，標(biāo)識碼（ID）為提取冰川長度、連接冰川編目與冰川中流線數(shù)據(jù)屬性表時所用的唯一值字段；冰川編碼（GLIMS_ID）由14個數(shù)字和字符組成，編碼方法同中國第二次冰川編目格式；流域編碼（CGI_ID）繼承自中國第一次冰川編目，代表冰川所在流域內(nèi)從出水口順時針方向旋轉(zhuǎn)的順序；平均長度（Mean_Len）與最大長度（Max_Len）為冰川中流線的平均長度和最大長度，對于單一盆地、單一出口型冰川而言，二者相同；中流線數(shù)量（Count）給出了各條冰川提取的中流線數(shù)量，其中單一盆地、單一出口型冰川中流線數(shù)量為 1，復(fù)式盆地、單一出口型冰川中流線數(shù)量由其支流數(shù)量確定；最高點海拔（Max_Elev）與最低點海拔（Min_Elev）分別記錄了提取的冰川中流線最高、最低海拔值；其他屬性信息詳見表2。

表2 1959–2016年中國阿爾泰山冰川長度數(shù)據(jù)集屬性表說明

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

2016年中國阿爾泰山冰川數(shù)據(jù)提取采用波段比值與人工目視解譯相結(jié)合方法，解譯精度控制在1個像元以內(nèi)。冰川長度提取基于姚曉軍等[6]提出的冰川中流線法，對于單一盆地、單一出口型冰川該方法可自動提取，不需人工干預(yù)且效果良好；對于復(fù)式盆地、單一出口型冰川，當(dāng)冰川積累區(qū)較寬或支流較多時，自動提取的中流線存在局部與冰川物質(zhì)流動方向不一致現(xiàn)象，此時采用輔助參考線法[6,17-18]對其進(jìn)行修正。

4 數(shù)據(jù)價值

基于第一、二次冰川編目數(shù)據(jù)，2016年冰川矢量數(shù)據(jù)和SRTM DEM獲取了1959–2016年中國阿爾泰山冰川長度數(shù)據(jù)集。與其他冰川數(shù)據(jù)集相比較，本數(shù)據(jù)集更側(cè)重于冰川長度這一基本要素的提取，分別獲得該區(qū)域1959年（395條）至2016年（273條）冰川的長度數(shù)據(jù)。此外，自動提取中流線方法與人工修訂方法相結(jié)合在一定程度上保證了冰川長度數(shù)據(jù)的可靠性。本數(shù)據(jù)集可作為分析中國阿爾泰山冰川時空變化特征及其對氣候變化的響應(yīng)過程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，亦揭示了該區(qū)域冰川面積–長度變化之間的定量關(guān)系，從而深化區(qū)域尺度冰川變化對氣候變化的響應(yīng)機制及規(guī)律的科學(xué)認(rèn)知。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集采用的文件格式為ESRI Shapefile矢量數(shù)據(jù)，地理坐標(biāo)系為WGS-1984，投影坐標(biāo)系為Albers等積投影，可以在ArcGIS等GIS軟件或ENVI等遙感軟件下打開、顯示、編輯、查看和統(tǒng)計。

致 謝

感謝美國地質(zhì)調(diào)查局、地理空間數(shù)據(jù)云提供的Landsat OLI數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)，感謝科技部科技基礎(chǔ)性工作專項“中國冰川資源及其變化調(diào)查”項目組提供的冰川編目數(shù)據(jù)。