2016 年阿爾金山冰川邊界及長度數(shù)據(jù)集

張聰，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

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

數(shù)據(jù)庫（集）名稱 2016 年阿爾金山冰川邊界及長度數(shù)據(jù)集 數(shù)據(jù)作者 張聰，姚曉軍，張大弘 數(shù)據(jù)通信作者 姚曉軍（yaoxj_nwnu@163.com） 數(shù)據(jù)時間范圍 2016 年 地理區(qū)域 37°30′N–39°36′N，85°52′E–94°21′E 數(shù)據(jù)量 972.22 KB 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/884 基金項(xiàng)目 數(shù)據(jù)庫（集）組成 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)集共包括2 個數(shù)據(jù)文件：Altun_glacier_inventory_2016.zip 是2016年阿爾金山冰川邊界矢量數(shù)據(jù)；Altun_glacier_centerline_2016.zip 是2016 年阿爾金山冰川長度數(shù)據(jù)。

引 言

冰凍圈作為地球系統(tǒng)的五大圈層之一，由地球陸地和海洋表面及以下的積雪、冰和凍土組成[1]。冰川不僅是冰凍圈的重要組成部分[2]，而且是全球氣候變化的重要驅(qū)動因子[3]。山地冰川作為參與區(qū)域水循環(huán)的重要成員，對區(qū)域氣候和環(huán)境的變化極其敏感[4]。冰川長度是反映冰川變化的重要參數(shù)之一[5]，其提取方法包括冰川主流線提取法[6-9]和冰川中流線提取法[10-11]。前者通過水文分析提取匯水線，后者則是基于冰川邊界提取冰川最高點(diǎn)到冰川末端的中心線[12]。

阿爾金山（37°30′N–39°36′N，85°52′E–94°21′E）位于青藏高原北緣，是新疆、青海和甘肅三?。ㄗ灾螀^(qū)）的界山（圖1），其西接昆侖山，東鄰祁連山，呈西南–東北走向；山體總面積約6.19×104km2，長約750 km，最寬處約130 km[13]；平均海拔在4000 m 以上，最高峰被稱為阿爾金山，海拔5798 m[14]。由于深居內(nèi)陸和受地形阻隔，阿爾金山地區(qū)以溫帶大陸性氣候?yàn)橹?，全年干旱少雨，四季溫差大，年平均降水量僅110 mm，是亞洲中部最干旱的山地[15]，冰川融水是區(qū)域內(nèi)塔卡薩依河、若羌河和米蘭河等河流的重要補(bǔ)給水源。因此，認(rèn)清阿爾金山的冰川現(xiàn)狀和冰川長度，對研究該區(qū)域氣候變化和水資源分配均具有重要價值和意義。相關(guān)研究表明，阿爾金山冰川近年來呈不同程度的退縮趨勢[13]。本文基于2016 年Landsat OLI 遙感影像和SRTM DEM 數(shù)據(jù)，通過波段比值法結(jié)合人工目視解譯和冰川中流線提取方法，獲得阿爾金山冰川邊界和長度數(shù)據(jù)，以期為認(rèn)識該區(qū)域冰川現(xiàn)狀及其對全球氣候變暖的響應(yīng)和水資源合理利用等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

圖1 阿爾金山冰川分布

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

本數(shù)據(jù)集采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括研究區(qū)2016 年Landsat OLI 遙感影像及SRTM DEM 數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。其中，Landsat OLI 遙感影像共5 景（表1），從美國地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站（http://glovis.usgs.gov）獲取，影像冰川區(qū)少云少雪，滿足人工目視解譯冰川要求；SRTM DEM 空間分辨率為30 m，用于冰川地形參數(shù)提取。

表1 Landsat OLI 遙感影像

1.2 數(shù)據(jù)處理

2016 年阿爾金山冰川邊界矢量數(shù)據(jù)提取采用中國第二次冰川編目方法[16]，基于Landsat OLI 遙感影像，通過波段比值法與人工交互提取冰川邊界，同時參考Google Earth 對冰川矢量邊界進(jìn)行逐一檢查與修訂，最后根據(jù)山脊線自動提取方法提取的山脊線對修訂后的冰川邊界進(jìn)行分割，得到冰川矢量數(shù)據(jù)[17-18]。2016 年阿爾金山冰川長度數(shù)據(jù)提取采用姚曉軍等[19]提出的冰川中流線自動提取方法。首先依據(jù)冰川積累區(qū)和消融區(qū)的末端形態(tài)，將冰川分為單一盆地、單一出口冰川，復(fù)式盆地類型冰川和冰帽類冰川3 種形態(tài)；通過DEM 數(shù)據(jù)獲取冰川輪廓上的海拔最高點(diǎn)和最低點(diǎn)并基于此對冰川輪廓線進(jìn)行分割，采用歐式距離方法將冰川劃分為多個區(qū)域，區(qū)域的公共邊界即為冰川中流線[10]，對于單一盆地、單一出口冰川，冰川中流線長度即為該冰川的平均長度。復(fù)式盆地、單一出口冰川通常由多條支冰川組成，且各支冰川均存在獨(dú)立的海拔最高點(diǎn)，參考冰川中值面積高程和等高線形態(tài)保留子流域部分公共邊界線來提取冰川中流線，各支冰川中流線長度的平均值為該冰川的平均長度。冰帽類冰川多發(fā)育于山頂面，因受力不均導(dǎo)致冰川從中心向四周呈放射狀漫流[20]，本數(shù)據(jù)集采用郭萬欽等[17]提出山脊線自動提取方法獲得冰帽表面山脊線，用山脊線將冰帽分割為多條彼此相鄰的獨(dú)立冰川再提取冰川中流線，各獨(dú)立冰川中流線長度的平均值為冰帽類冰川的平均長度。數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。

圖2 阿爾金山冰川矢量數(shù)據(jù)與冰川中流線提取技術(shù)路線

受地形因素影響，阿爾金山冰川多屬規(guī)模較小的單一盆地、單一出口類型，2016 年面積小于2.0 km2的冰川數(shù)量占該山系冰川總數(shù)量的92.70%。復(fù)式盆地類型和冰帽類型冰川數(shù)量較少，且多為大規(guī)模冰川；這兩類冰川一般有多條支冰川中流線，處理時需要匯總計(jì)算其平均長度與最大長度，各支冰川或獨(dú)立冰川中流線長度的平均值即為該冰川的平均長度。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)圖形樣本

2.1.1 阿爾金山冰川邊界矢量數(shù)據(jù)

本數(shù)據(jù)集中的矢量文件Altun_glacier_inventory_2016 是2016 年阿爾金山的冰川邊界矢量數(shù)據(jù)，樣本展示如圖3。

圖3 2016 年阿爾金山冰川

2.1.2 阿爾金山冰川長度矢量數(shù)據(jù)

本數(shù)據(jù)集中的矢量文件Altun_glacier_centerline_2016 是2016 年阿爾金山的冰川長度矢量數(shù)據(jù)，根據(jù)冰川積累區(qū)和消融區(qū)的末端形態(tài)，將冰川分為單一盆地、單一出口類型冰川，復(fù)式盆地類型冰川和冰帽類冰川3 種形態(tài)，樣本展示如圖4–6。

圖4 單一盆地、單一出口類型冰川的海拔最高點(diǎn)、最低點(diǎn)和中流線

2.1.2.1 單一盆地、單一出口類型冰川長度數(shù)據(jù)

圖4 為單一盆地、單一出口類型冰川（GLIMS 編碼為G086841E37797N）中流線提取結(jié)果。2016年該冰川面積為0.48 km2，冰川長度為1347.46 m，冰川末端海拔為5073 m。

2.1.2.2 復(fù)式盆地類型冰川長度數(shù)據(jù)

圖5 為復(fù)式盆地類型冰川（GLIMS 編碼為G087390E37974N）中流線提取結(jié)果。2016 年該冰川面積為6.32 km2，有4 條冰川中流線，長度依次為7060.14 m、6149.71 m、4809.29 m 和4861.66 m，冰川平均長度為5720.20 m，冰川最高點(diǎn)海拔為5849 m，末端海拔為4714 m。

2.1.2.3 冰帽類冰川長度數(shù)據(jù)

圖6 冰帽類冰川的海拔最高點(diǎn)、最低點(diǎn)和中流線

圖6 為冰帽類冰川（GLIMS 編碼為G089186E38242N）中流線提取結(jié)果。2016 年該冰川面積為5.70 km2，有12 條冰川中流線，長度依次為1938.76 m、1752.04 m、1576.70 m、1614.43 m、1674.87 m、1153.35 m、1070.81 m、1257.98 m、1446.44 m、1485.69 m、1569.20 m 和1930.37 m，冰川平均長度為1539.22 m，冰川末端海拔為4671 m。

2.2 數(shù)據(jù)屬性表

2.2.1 阿爾金山冰川邊界數(shù)據(jù)屬性表

研究區(qū)冰川邊界矢量數(shù)據(jù)屬性表由6 個字段組成（表2）。其中，GLIMS_ID 為冰川編碼，格式為GnnnnnnEmmmmm[N|S]，nnnnnn 的數(shù)值范圍為[000000, 359999]，mmmmm 的數(shù)值范圍為[00000, 90000]，數(shù)值為冰川的經(jīng)緯度坐標(biāo)值（以度為單位）乘以1000，經(jīng)度以本初子午線為原點(diǎn)，西經(jīng)的數(shù)值范圍為（180, 360），[N|S]中N 表示北緯，S 表示南緯；FCGI_ID 為流域編碼，國內(nèi)流域編碼體系采用10 位長度的代碼，阿爾金山地區(qū)屬于東亞內(nèi)部流域，因此其流域代碼為5Ynnnmmmmm。其中5 表示亞洲，Y 表示東亞內(nèi)部流域（一級）。3 位表示二級流域，4 位表示三級流域，5 位表示四級流域，10 位表示五級流域，本數(shù)據(jù)集采用五級流域編碼；nnn 依次表示二、三、四級流域，mmmmm表示五級流域內(nèi)按順時針方向排列的冰川順序號，本數(shù)據(jù)集采用五級流域編碼；Mtn_Name 為冰川所在山系；Pref_Name 為冰川所在的省和地級市；DataSource 為冰川邊界解譯所用的遙感影像信息；Area 為冰川面積；Perimeter 為冰川周長；Area_Error 為冰川面積誤差。

表2 2016 年阿爾金山冰川矢量數(shù)據(jù)集屬性表說明

2.2.2 阿爾金山冰川長度數(shù)據(jù)屬性表

研究區(qū)冰川長度屬性表由10 個字段組成（表3）。其中，GLIMS_ID 和FCGI_ID 參考中國冰川編目格式；Mean_Leng 和Max_Leng 反映冰川長度信息；Count 反映冰川中流線的數(shù)量；Area 為對應(yīng)冰川的面積；Max_Elev 和Min_Elev 分別記錄了冰川邊界上的最大及最小高程信息；Leng_Error為冰川長度的誤差。

表3 2016 年阿爾金山冰川長度數(shù)據(jù)集屬性表說明

序號 名稱 數(shù)據(jù)類型 字符長度 字段描述 3 Mean_Leng Double 10 平均長度 4 Max_Leng Double 10 最大長度 5 Count Long Integer 10 中流線數(shù)量 6 Area Double 10 冰川面積 7 Max_Elev Long Integer 10 最高點(diǎn)海拔 8 Min_Elev Long Integer 10 最低點(diǎn)海拔 9 Author Text 20 作者 10 Year Long Integer 10 年份 11 Leng_Error Double 10 冰川長度誤差

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

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[21-22]。2016 年阿爾金山冰川數(shù)據(jù)基于中國第二次冰川編目方法提取[16]，采用波段比值與人工目視解譯相結(jié)合的方法，精度控制在1 個像元之內(nèi)。冰川長度的提取基于冰川類型的不同，采用姚曉軍等[19]提出的冰川中流線法。對于單一盆地、單一出口型冰川通常只有一個最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)自動提取，人工干預(yù)較少，效果較好；對于復(fù)式盆地類型冰川，通常由多條支冰川組成，自動提取的中流線效果較差，需要參考冰川中值面積高程和等高線形態(tài)保留子流域部分公共邊界線進(jìn)行修正；對于冰帽類冰川，由于其最高點(diǎn)通常出現(xiàn)在冰川內(nèi)部且末端多為裙?fàn)?，需要采用郭萬欽[17]等提出的山脊線自動提取方法提取山脊線進(jìn)行修正。

本數(shù)據(jù)集冰川邊界提取的精度僅考慮遙感影像空間分辨率造成的誤差[23]，可由式（1）計(jì)算：

ε=N*A （1）

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，A 為半個像元的邊長（Landsat OLI 為15 m）。結(jié)果表明，2016 年由Landsat OLI 遙感影像空間分辨率造成的冰川面積誤差為±22.74 km2，占冰川總面積的±8.33%。

本數(shù)據(jù)集冰川長度提取的精度僅考慮遙感影像空間分辨率對冰川邊界高值點(diǎn)和低值點(diǎn)提取造成的誤差，可由式（2）計(jì)算：

λ=(n+1)*A （2）

式中λ 為影像空間分辨率造成的冰川長度誤差，n 為冰川中流線的條數(shù)，A 為半個像元的邊長（Landsat OLI 為15 m）。

4 數(shù)據(jù)價值

基于Landsat OLI 遙感影像和SRTM DEM 數(shù)據(jù)獲取了2016 年中國阿爾金山冰川邊界及其長度數(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)重于冰川長度這一參數(shù)的提取。此外，自動提取中流線與人工修訂相結(jié)合在一定程度上保證了冰川長度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本數(shù)據(jù)集作為研究阿爾金山冰川現(xiàn)狀的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可為揭示區(qū)域冰川面積、周長和長度之間的定量關(guān)系，以及認(rèn)識該區(qū)域冰川變化提供數(shù)據(jù)支撐。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集采用了ESRI Shapefile 矢量數(shù)據(jù)的文件格式，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 和ENVI 等軟件中打開、顯示、編輯和統(tǒng)計(jì)。

致 謝

感謝美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）、地理空間數(shù)據(jù)云提供Landsat OLI 數(shù)據(jù)和DEM 數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

張聰（1995—），男，甘肅天水人，碩士研究生，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、質(zhì)量控制及論文撰寫。

姚曉軍（1980—），男，山西夏縣人，博士，教授，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)。

張大弘（1993—），男，甘肅平?jīng)鋈?，碩士研究生，研究方向?yàn)?GIS 設(shè)計(jì)與開發(fā)。主要承擔(dān)工作：編寫數(shù)據(jù)處理代碼。