1991 年和2015 年唐古拉山冰川邊界/范圍矢量數(shù)據(jù)集

段紅玉，姚曉軍＊，劉時銀，張聰

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

2. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院冰凍圈科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070

3. 云南大學(xué)國際河流與生態(tài)安全研究院，昆明 650091

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

數(shù)據(jù)庫（集）名稱 1991 年和2015 年唐古拉山冰川矢量數(shù)據(jù)集 數(shù)據(jù)作者 段紅玉、姚曉軍、劉時銀、張聰 數(shù)據(jù)通信作者 姚曉軍（yaoxj_nwnu@163.com） 數(shù)據(jù)時間范圍 1991 年、2015 年 地理區(qū)域 地理范圍包括31°15′–34°45′N，90°23′–95°52′E 數(shù)據(jù)量 4.53 MB 數(shù)據(jù)格式 ESRI shapefile 文件（壓縮為*.zip 格式） 數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)址 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/895 基金項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金（41561016，41861013，41801052）；西北師范大學(xué)青年教師科研能力提升計(jì)劃項(xiàng)目（NWNU-LKQN-14-4）。 數(shù)據(jù)庫（集）組成 數(shù)據(jù)集共包括2 個數(shù)據(jù)文件：Glacier_outlines_1991.zip 是1991年唐古拉山冰川邊界矢量數(shù)據(jù)；Glacier_outlines_2015.zip 是2015 年唐古拉山冰川邊界矢量數(shù)據(jù)。

引 言

冰川是陸地上重要的淡水資源，對生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展都有重要作用[1]。但隨著氣候變化，尤其是近幾十年來全球氣溫上升，世界上大多數(shù)冰川都出現(xiàn)了一些重要變化[2]。青藏高原是中低緯度現(xiàn)代冰川最為發(fā)育的地區(qū)。20 世紀(jì)90 年代以來青藏高原冰川呈退縮狀態(tài)，各地冰川變化呈現(xiàn)明顯的空間特征[3]。諸多研究表明，冰川變化在本世紀(jì)末對全球氣候變化的指示性作用愈加明顯[4]，并對水資源和自然災(zāi)害產(chǎn)生重要影響，因此冰川變化倍受關(guān)注。唐古拉山發(fā)育著數(shù)量眾多的冰川，根據(jù)中國第二次冰川編目數(shù)據(jù)，該區(qū)共有1585 條冰川，總面積1840.8 km2。長江、怒江和瀾滄江皆發(fā)源于唐古拉山，唐古拉山冰川變化對以上河流水資源存在一定影響。因此，明晰唐古拉山冰川現(xiàn)狀和變化有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文基于Landsat TM 遙感影像提取的唐古拉山1991年冰川矢量數(shù)據(jù)填補(bǔ)了兩次冰川編目之間的空白，基于Landsat OLI 遙感影像提取的2015 年冰川矢量數(shù)據(jù)顯示了唐古拉山最近的冰川狀況。本數(shù)據(jù)集可作為唐古拉山冰川變化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為研究該區(qū)域冰川資源和水資源的變化以及可能引發(fā)的自然災(zāi)害提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

唐古拉山1991 年冰川矢量數(shù)據(jù)所采用的數(shù)據(jù)源為7 景Landsat TM 遙感影像，2015 年冰川矢量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源為7 景Landsat OLI 遙感影像（表1），這些影像均從美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）網(wǎng)站（http://glovis.usgs.gov/）下載獲得。由于受云、雪影響，影像時間跨度較大（1989–1995 年和2013–2017 年）。其中行列號為138037 的影像上冰川面積超過唐古拉山冰川總面積二分之一，因此以其年份為代表年份（1991 年和2015 年）。冰川高程屬性提取和冰川劃分采用空間分辨率為30 m 的SRTM DEM 數(shù)據(jù)，從地理空間云（http://www.gscloud.cn）下載獲得。冰川編碼、名稱、位置及流域等參考唐古拉山第一、二次冰川編目。

表1 1991 年和2015 年唐古拉山冰川解譯所用遙感影像

1.2 數(shù)據(jù)處理過程

1.2.1 單條冰川提取

1991 年和2015 年唐古拉山冰川矢量邊界的提取采用中國第二次冰川編目的提取方法[5]。首先基于Landsat TM/OLI 遙感影像，利用波段比值法并通過人工交互式方法確定閾值，得到裸冰川邊界二值圖像，其中Landsat TM 影像的波段比值為TM3/TM5 或TM4/TM5，Landsat OLI 影像的波段比值為OLI4/OLI6 或OLI5/OLI6，經(jīng)過試驗(yàn)確定閾值為1.9。然后將其轉(zhuǎn)化為矢量多邊形，并參考第一、二次冰川編目數(shù)據(jù)和Google Earth 影像對矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行人工修訂和檢查，以提高冰川邊界精度。最后根據(jù)郭萬欽等[6]提出的山脊線自動提取方法，利用SRTM DEM 數(shù)據(jù)提取山脊線，并以此對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 唐古拉山冰川矢量數(shù)據(jù)提取技術(shù)路線

1.2.2 冰川體積估算

本數(shù)據(jù)集采用與第二次冰川編目相同的計(jì)算方法估算1991 年和2015 年唐古拉山冰川體積，公式（1）由Radi? and Hock[7]提出，公式（2）由Grinsted[8]提出。公式為：

式中：V 為冰川體積（km3）；A 為冰川面積（km2）。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)屬性表

1991 年和2015 年唐古拉山冰川矢量數(shù)據(jù)集屬性表共包含18 個字段（表2），反映了各冰川的名稱、位置、海拔、面積、周長及體積等信息。ID 為屬性表的唯一值字段；Name 為冰川名稱，參考地形圖和第二次冰川編目確定；GLIMS_ID 為冰川編碼，采用與第二次冰川編目相同的編碼方式；Province 為冰川所在省份；Mountain 為冰川所屬山系；City 為冰川所在市（地區(qū)）；Image 為冰川提取所用遙感影像；Longitude 和Latitude 為冰川質(zhì)心所在經(jīng)緯度，反映冰川位置信息；Basin_1、Basin_2和Basin_3 表示冰川所在一級、二級和三級流域；Max_Elev 和Min_Elev 為冰川最高點(diǎn)與最低點(diǎn)高程值；Area 為冰川面積；Perimeter 為冰川周長；Aspect 為冰川朝向；Volume_A 為采用Radi? and Hock提出的公式計(jì)算的冰川體積；Volume_B 為采用Grinsted 提出的公式計(jì)算的冰川體積。

表2 1991 和2015 年唐古拉山冰川矢量數(shù)據(jù)集屬性表說明

2.2 數(shù)據(jù)樣本概述

1991 年唐古拉山共有冰川1608 條，總面積為1996.1±55.6 km2，冰川體積約為152.9 km3。2015年唐古拉山共有冰川1465 條，總面積為1660.75±48.3km2，冰川體積約為128.16 km3。由于冰川退縮而導(dǎo)致的冰川變化不足以造成冰川分布的整體特點(diǎn)產(chǎn)生巨大差異，因此我們僅對2015 年唐古拉山冰川的整體分布特點(diǎn)加以描述。冰川分布最基本的特征是數(shù)量龐大的小冰川占總面積比例很小，而數(shù)量較少的大冰川面積占比較大，唐古拉山2015 年冰川分布符合此特點(diǎn)。面積小于0.5 km2的冰川數(shù)量占唐古拉山冰川總數(shù)量的68.6%，其面積僅占冰川總面積的10.4%。而面積大于5 km2的冰川數(shù)量僅占唐古拉山冰川總數(shù)量的4.4%，但其面積占冰川總面積的55.1%（圖2）。冰川面積為近似正態(tài)分布，分布區(qū)間為4200–6600 m。其中，5500–5800 m 是冰川的集中分布區(qū)間，此海拔區(qū)間內(nèi)冰川面積占冰川總面積的55.8%（圖3）。從三級流域來看，金沙江流域冰川資源最豐富，冰川數(shù)量、面積和體積分別占總量的41.4%、54.7%和54.6%。從四級流域來看，當(dāng)曲流域冰川數(shù)量、面積和冰儲量占比最大，分別為34.7%、34.4%和29.2%（表3）。從三級流域來看，金沙江流域冰川資源最豐富，冰川數(shù)量、面積和體積分別占總量的41.37%、54.70%和54.6%。從四級流域來看，當(dāng)曲流域冰川數(shù)量、面積和冰儲量占比最大，分別為34.74%、34.41%和29.29%（表3）。

圖2 2015 年唐古拉山不同面積等級冰川數(shù)量和面積分布

圖3 2015 年唐古拉山不同海拔高度冰川面積分布

表3 2015 年唐古拉山冰川各流域冰川分布

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

基于遙感影像的冰川面積精度評估是一項(xiàng)困難但極其重要的工作[9]。冰川矢量化的誤差源主要有三類[10-11]：技術(shù)誤差、解譯誤差和方法誤差。大多數(shù)情況下，如果遙感影像已經(jīng)過精確的正射校正，技術(shù)誤差可以忽略不計(jì)。解譯誤差主要依賴于冰川定義和冰川判讀，難以評判。方法誤差主要取決于遙感影像的質(zhì)量以及工作人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，因此也難以準(zhǔn)確評估。本數(shù)據(jù)集采用Landsat TM/OLI 影像，其30 m 的分辨率足以滿足冰川解譯的需求。為盡可能求取最真實(shí)的冰川面積，遙感影像最好在消融季末期獲取，因?yàn)橐话闱闆r下冰川及其周圍地區(qū)在消融季末期受積雪影響最小。本數(shù)據(jù)集所選影像皆處于冰川消融季末期，且無明顯積雪覆蓋。同時影像的選取應(yīng)保證無云或少云，至少應(yīng)保證冰川不被云遮擋。本數(shù)據(jù)集所選取的影像絕大多數(shù)云覆蓋率低于5%，僅有兩幅分別為11.7%和11.1%，但冰川無云遮蓋。本數(shù)據(jù)集冰川解譯人員由參與第二次冰川編目經(jīng)驗(yàn)豐富的人員嚴(yán)格培訓(xùn)，經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練以保證對冰川的準(zhǔn)確識別。對于有表磧覆蓋的冰川，參照Google Earth 高清影像和三維效果進(jìn)行識別，盡管誤差不可避免，但已將其降到最低。最終，冰川面積的解譯精度仍然需用科學(xué)的方法適當(dāng)進(jìn)行評估，這里我們僅計(jì)算由遙感影像的分辨率造成的誤差，計(jì)算公式如下：

式中，? 是由遙感影像分辨率引起的面積誤差（km2）；N 是冰川輪廓經(jīng)過的像元個數(shù)；A 是單個像元的面積（Landsat TM/OLI 遙感影像單個像元面積為900 km2）。

4 數(shù)據(jù)價值

本數(shù)據(jù)集為基于中國第二次冰川編目方法提取的1991 年和2015 年唐古拉山冰川矢量邊界數(shù)據(jù)。唐古拉山第一次冰川編目年份為1969 年，第二次冰川編目年份為2007 年，兩次編目之間時間跨度達(dá)38 年之久。本數(shù)據(jù)集1991 年冰川矢量數(shù)據(jù)能夠反映兩次冰川編目之間唐古拉山冰川狀態(tài)，2015年冰川矢量數(shù)據(jù)則在影像質(zhì)量保證下能反映最近唐古拉山冰川狀況的數(shù)據(jù)。兩期冰川數(shù)據(jù)與兩次冰川編目數(shù)據(jù)結(jié)合使用，能反映近50 年來唐古拉山冰川的動態(tài)變化，為區(qū)域冰川變化、冰川變化對氣候變化的響應(yīng)等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，亦為區(qū)域水資源合理利用提供數(shù)據(jù)支持。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

受影像質(zhì)量影響，本數(shù)據(jù)集中1991 年冰川矢量邊界解譯所用影像時間跨度較長，從1989–1995年，各條冰川的解譯影像年份可通過矢量數(shù)據(jù)屬性表查看。唐古拉山1969 年冰川編目數(shù)據(jù)出自《中國第一次冰川編目數(shù)據(jù)集》數(shù)據(jù)，唐古拉山2007 冰川編目數(shù)據(jù)出自《中國第二次冰川編目數(shù)據(jù)集》。本數(shù)據(jù)集采用Shapefile 矢量數(shù)據(jù)格式存儲，地理坐標(biāo)系為WGS-1984，投影坐標(biāo)系為Albers 等面積投影，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。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

段紅玉（1993—），女，甘肅定西人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境遙感。主要承擔(dān)工作：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集、處理及論文撰寫。

姚曉軍（1980—），男，山西夏縣人，博士，教授，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⒓夹g(shù)與冰凍圈變化。主要承擔(dān)工作：總體方案設(shè)計(jì)和過程指導(dǎo)。

劉時銀（1963—），男，河南信陽人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事冰川變化及其研究影響。主要承擔(dān)工作：過程指導(dǎo)。

張聰（1995—），男，甘肅天水人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境遙感。主要承擔(dān)工作：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理。

致 謝

感謝美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）網(wǎng)站提供的Landsat TM/OLI 遙感影像數(shù)據(jù)，感謝地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站提供的SRTM DEM 數(shù)據(jù)，感謝科技部基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)“中國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)。