2016年岡底斯山冰川矢量數(shù)據(jù)集

劉娟，姚曉軍＊，曹娟，張大弘，段紅玉

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

引 言

冰川作為冰凍圈的重要組成部分[1]，是重要的固體淡水資源，對(duì)區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境均有重要影響[2-3]。冰川變化與氣候變化關(guān)系密切，是區(qū)域氣候變化的“指示器”[4]。青藏高原被譽(yù)為世界第三極，是中低緯度地區(qū)最大的現(xiàn)代冰川和第四紀(jì)冰川分布區(qū)，且冰川主要分布于昆侖山、喜馬拉雅山、喀喇昆侖山、祁連山、橫斷山、唐古拉山、帕米爾高原以及念青唐古拉山等高山、極高山地區(qū)[5-6]。20世紀(jì)以來(lái)青藏高原冰川呈退縮趨勢(shì)，且近年來(lái)有加劇的態(tài)勢(shì)[7]。在氣候變暖背景下，冰川的退縮不僅對(duì)區(qū)域水資源和海平面上升有重要影響[8-9]，且加劇了冰湖潰決洪水和泥石流等自然災(zāi)害的發(fā)生[10-11]。岡底斯山作為我國(guó)季風(fēng)區(qū)與非季風(fēng)區(qū)分界線的一部分，也是青藏高原南北重要的地理界線，亦是高原外流水系與內(nèi)流水系的重要分水嶺[12]。因此，認(rèn)清其岡底斯山冰川變化及其對(duì)氣候變化的響應(yīng)有著重要意義。本文基于修訂后的中國(guó)第一、二次冰川編目數(shù)據(jù)和2015-2016年Landsat OLI遙感影像提取2016年岡底斯山冰川矢量數(shù)據(jù)集，可作為岡底斯山冰川變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而為認(rèn)識(shí)該區(qū)域冰川水資源變化及其冰凍圈災(zāi)害演化趨勢(shì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

2016年岡底斯山冰川矢量數(shù)據(jù)所采用的數(shù)據(jù)源為13景Landsat OLI遙感影像（表1），在地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn）和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）網(wǎng)站（http://glovis.usgs.gov/）下載獲得，其中11景遙感影像采集時(shí)間為2016年，2景為2015年。2016年冰川矢量數(shù)據(jù)所用的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)是ASTER GDEM數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，用于提取冰川幾何參數(shù)及單條冰川劃分，該數(shù)據(jù)從地理空間數(shù)據(jù)云下載獲得。同時(shí)，參考修訂后的中國(guó)岡底斯山第一、二次冰川編目數(shù)據(jù)，地形圖和Google Earth確定冰川的位置和名稱。

表1 2015-2016年岡底斯山冰川數(shù)據(jù)解譯所采用的Landsat OLI遙感影像

1.2 數(shù)據(jù)處理過(guò)程

基于Landsat OLI遙感影像，采用中國(guó)第二次冰川編目方法[13]提取2016年岡底斯山冰川矢量數(shù)據(jù)。首先利用波段比值法并通過(guò)人工交互式方法確定閾值，得到裸冰川邊界二值圖像，并轉(zhuǎn)換為矢量多邊形，然后參考第一、二次冰川編目數(shù)據(jù)和Google Earth對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行人工修訂和質(zhì)量檢查，以保證冰川能夠被準(zhǔn)確識(shí)別。最后根據(jù)郭萬(wàn)欽[14]等提出的山脊線自動(dòng)提取方法，利用ASTER GDEM數(shù)據(jù)提取山脊線矢量數(shù)據(jù)，并以此對(duì)修訂后的冰川邊界進(jìn)行分割，從而得到各單條冰川的矢量數(shù)據(jù)（圖1）。

圖1 岡底斯山冰川矢量數(shù)據(jù)提取技術(shù)路線

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)圖形樣本

已有研究表明，中國(guó)第一次冰川編目數(shù)據(jù)集存在少量冰川的邊界繪制不正確、小冰川被遺漏或部分季節(jié)性雪斑被誤判為冰川等錯(cuò)誤[15]。因此，為提高冰川數(shù)據(jù)質(zhì)量，在提取2016年岡底斯山冰川矢量數(shù)據(jù)集之前，首先對(duì)兩次冰川編目數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證。其中，重點(diǎn)檢查形狀差異較大的冰川、消失冰川（即僅在第一次冰川編目數(shù)據(jù)集中存在的冰川）和新生冰川（即僅在第二次冰川編目數(shù)據(jù)集中存在的冰川），并在尊重事實(shí)前提下對(duì)這些冰川進(jìn)行人工修訂。經(jīng)檢查，岡底斯山第一、二次冰川編目數(shù)據(jù)均有漏編現(xiàn)象。首先對(duì)岡底斯山第一、二次冰川編目數(shù)據(jù)漏編的冰川進(jìn)行補(bǔ)充。其次基于修訂后的岡底斯山第一、二次冰川編目數(shù)據(jù)提取本數(shù)據(jù)集，并參考其相關(guān)屬性確定冰川的名稱及位置。

在全球氣候變暖背景下，岡底斯山1970-2016年冰川普遍呈退縮趨勢(shì)，冰川面積共減少854.05 km2（-39.53%），冰川面積變化相對(duì)速率高達(dá)-1.09%/a；相較于西部典型山區(qū)的冰川變化，岡底斯山是我國(guó)西部地區(qū)冰川退縮最為快速的地區(qū)[16]。如圖2a所示的冰川是岡底斯山面積最大的冰川，1970年面積為23.20 km2，2016年面積為21.14 km2，近50年間面積減少比例為-8.88%。

1970-2016年，岡底斯山有部分冰川完全消失、發(fā)生分裂或者在冰川編目中被漏編。如圖2b的兩條冰川在1970年面積為0.55 km2，而在2009年已完全消失；圖2c所示的冰川在退縮過(guò)程中逐漸分裂為兩條冰川，面積也由4.58 km2減少到2.91 km2；圖2d所示的冰川在第二次冰川編目中被漏編，其在1970年的冰川面積為14.58 km2。

圖2 消失冰川、分裂冰川及漏編冰川

2.2 數(shù)據(jù)屬性表

2016年岡底斯山冰川矢量數(shù)據(jù)集屬性表包含16個(gè)字段（表2），反映了各條冰川的位置、幾何和屬性信息。其中，ID為屬性表的唯一值字段；Name為冰川名稱，參考地形圖、第二次冰川編目及Google Earth確定；GLIMS_ID為冰川編碼，方法同第二次冰川編目一致；Province為冰川所在省份；Mountain為冰川所在山系；City為冰川所在市或地區(qū)；Image為提取冰川所用的遙感影像；Time為冰川矢量數(shù)據(jù)的具體日期；Latitude和Longitude為冰川的經(jīng)緯度，反映冰川的位置信息；Basin_1、Basin_2及Basin_3表示冰川所在的一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)流域；Max_Elev和Min_Elev為冰川最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的高程值；Area為冰川的面積。

表2 2016年岡底斯山冰川矢量數(shù)據(jù)集屬性表說(shuō)明

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

冰川邊界提取的精度主要受傳感器和圖像配準(zhǔn)誤差的影響[17-18]，對(duì)于冰川邊界遙感解譯結(jié)果的檢驗(yàn)可以通過(guò)地面實(shí)況調(diào)查或高空間分辨率的遙感數(shù)據(jù)分類結(jié)果作為參考數(shù)據(jù)[19]。本數(shù)據(jù)集僅考慮遙感影像空間分辨率造成的誤差，可由下式計(jì)算得出[16]：

式中,ε為影像空間分辨率造成的冰川面積誤差；N為冰川輪廓的周長(zhǎng)；A為半個(gè)像元的邊長(zhǎng)（Landsat OLI為15 m）。結(jié)果表明，2015-2016年由Landsat OLI遙感影像空間分辨率造成的冰川面積誤差為±116.89 km2，占冰川總面積的±8.95%。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

本數(shù)據(jù)集基于中國(guó)第二次冰川編目方法提取2016年岡底斯山冰川矢量邊界，能夠與第二次冰川編目數(shù)據(jù)結(jié)合使用，可靠性較高，能夠?yàn)閰^(qū)域冰川變化、探討冰川變化與區(qū)域氣候變化的關(guān)系等相關(guān)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，亦可為在氣候變暖背景下探討冰川變化對(duì)氣候變化的響應(yīng)規(guī)律及區(qū)域水資源合理利用提供支撐數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)使用方法及建議

本數(shù)據(jù)集采用Shapefile矢量數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)，地理坐標(biāo)系為WGS-1984，投影坐標(biāo)系為Albers等積投影，可在ArcMap等GIS軟件或ENVI等軟件打開并進(jìn)行查詢、編輯及統(tǒng)計(jì)等操作。

致 謝

感謝地理空間數(shù)據(jù)云和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站提供的 Landsat遙感影像與數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，感謝科技部基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)“中國(guó)冰川資源及其變化調(diào)查”項(xiàng)目組提供的冰川編目數(shù)據(jù)。