1987-2017 年青海湖水體邊界數(shù)據(jù)集

郝美玉，羅澤

1.中國科學(xué)院計算機網(wǎng)絡(luò)信息中心，北京 100190

引 言

青海湖是我國最大的內(nèi)陸微咸水湖泊，位于青藏高原的東北部，地處東亞季風(fēng)、印度季風(fēng)和西風(fēng)帶的交匯處，，是維系青藏高原東北部生態(tài)安全的重要水體，也是控制西部荒漠化向東蔓延的天然屏障[1]。其獨特的地理位置對氣候變化非常敏感，湖泊水位的波動及周邊環(huán)境的演變更是青藏高原氣候變化的指示器和調(diào)解器[2]。近30 多年來，隨著氣候變暖及人類活動影響的加劇，青海湖及其流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境、青海湖水位發(fā)生了顯著變化[3-4]，引起了人們的高度重視[5]。青海湖巨大的湖體不僅通過“湖泊效應(yīng)”調(diào)節(jié)周邊小區(qū)域氣候，而且湖體邊界變化也直接影響到湖周的濕地和沙地變遷，因此青海湖水體邊界提取及其變化監(jiān)測對湖周濕地保護和沙漠化防治具有重要的理論和現(xiàn)實意義[6]。

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感影像被廣泛用于水體識別和監(jiān)測研究。研究方法主要有光譜波段分析[7]、水體指數(shù)[8-9]和分類算法[10]等，水體識別精度較高，可滿足不同科研需求。傳統(tǒng)的遙感研究多采用小規(guī)模的數(shù)據(jù)進行分析，大范圍長時間序列的遙感影像使用較少[11]。近年來，擁有龐大的遙感影像數(shù)據(jù)集和高性能計算能力的地理空間數(shù)據(jù)分析云平臺Google Earth Engine（GEE）[12]改變了傳統(tǒng)的遙感數(shù)據(jù)處理方法，為長時間序列大規(guī)模的遙感影像分析提供了新的途徑。本研究基于GEE 平臺，使用多時相Landsat 系列遙感影像數(shù)據(jù)，利用像元級最小云量影像合成方法構(gòu)建目標(biāo)年份季節(jié)合成影像，分析獲取長時間序列的青海湖水體邊界數(shù)據(jù)集，可為分析該地區(qū)水資源變化、氣候變化與湖泊響應(yīng)關(guān)系等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本研究基于GEE 平臺，2014 年后使用Landsat-8 OLI 影像，2014 年前使用Landsat-5 TM 影像進行分析運算。在GEE 平臺中，使用Landsat 云量計算算法對輸入的符合時間和空間范圍的原始影像集進行計算，得到輸入數(shù)據(jù)集的大氣表觀反射率數(shù)據(jù)（Top-of-atmosphere Reflectance）和每個像元的云量得分，以云量得分最低的像元重構(gòu)目標(biāo)年份的最小云量合成影像。本研究中，每隔3 年選取6-9 月30 m 分辨率Tier1 等級Landsat 衛(wèi)星的最小云量合成影像數(shù)據(jù)進行拼接，得到一幅青海湖區(qū)域的最小云量影像。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

本研究使用了美國航空航天局（NASA）的陸地衛(wèi)星Landsat-5 Thematic Mapper (TM)和Landsat-8 Operational Land Imager (OLI)衛(wèi)星遙感影像監(jiān)測青海湖面積變化。歸一化水體指數(shù)（Normalized Difference Water Index，NDWI）廣泛應(yīng)用于水體識別和湖泊監(jiān)測的研究中，準(zhǔn)確度高達98%[13-14]。6-9 月是青海湖的豐水期，每年采用6-9 月的最小云量合成影像進行波段運算。Landsat-5 TM 影像采用公式(1)計算NDWI，Landsat-8 OLI 影像采用公式(2)計算NDWI。

Band 代表Landsat-5 TM/Landsat-8 OLI 影像中各波段的大氣表觀反射率，其中2、3 波段是綠波段，5、6 波段是近紅外波段。

運算完成后獲得了青海湖目標(biāo)年份的NDWI 柵格影像集，對NDWI 閾值取大于0 提取出青海湖區(qū)域的河流和湖泊等水域范圍，然后把柵格格式數(shù)據(jù)集（tif）轉(zhuǎn)為矢量格式（shp）。

通過水體矢量數(shù)據(jù)與原始影像進行疊加，采用人工目視檢驗的方式進行修正，對錯分、漏分的情況通過數(shù)字矢量化進行修改，并去除河流和湖泊周邊的微小湖泊，只保留了青海湖主湖體以及耳海、尕海、新尕海和金沙灣等青海湖子湖，完成了11 期青海湖水體邊界數(shù)據(jù)集的繪制。

采用同樣方法對2018 年的10 m 分辨率的哨兵數(shù)據(jù)進行水域結(jié)果提取，并對相應(yīng)年份同時間段的提取結(jié)果進行了精度驗證，結(jié)果滿足精度要求。整個流程見圖1。

圖1 基于水體指數(shù)的水體提取

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)組成

本數(shù)據(jù)集包括1987-2017 年間每隔3 年一期，共11 期青海湖水體的空間分布數(shù)據(jù)，本數(shù)據(jù)保存為1 個壓縮文件（1987-2017 年青海湖水體邊界數(shù)據(jù)集.rar），總數(shù)據(jù)量為2.25 MB。數(shù)據(jù)存儲為shp矢量數(shù)據(jù)格式，投影系統(tǒng)為WGS-84。

2.2 數(shù)據(jù)樣本

本數(shù)據(jù)集主要反映豐水期的青海湖水體分布狀況及時間序列變化，以時間序列首尾年份和湖水水位相對較低年份作為青海湖水體分布樣例，如下圖2 所示。

圖2 青海湖水體空間分布及水體面積時間序列變化示意圖

本研究中青海湖水域范圍主要包括青海湖主湖體以及金沙灣、尕海、新尕海和耳海部分。其中，金沙灣、尕海、新尕海和耳海是青海湖的4 個子湖。金沙灣和新尕海部分與主湖區(qū)季節(jié)性、代際連通，尕海與主湖完全隔離且無明顯河流補給，耳海與主湖完全隔離且有河流補給。青海湖水域在過去30 多年里經(jīng)歷了先略有回升，然后持續(xù)下降而后又平穩(wěn)上升的趨勢，1987 年水體面積為4352.6平方公里，到1990 年上升為4402.4 平方公里。然后經(jīng)過多年湖水水位下降，到2002 年水體面積僅為4282.6 平方公里，主要原因為青藏高原暖干氣候下長時期的少雨和蒸發(fā)量增加[15]。2005 年開始，隨著氣候變化下暖濕氣候影響該區(qū)域，降水量和河流徑流量增加，湖水水位逐漸上升，水體面積從2005 年的4284.8 平方公里上升到了2017 年的4448.3 平方公里，湖水面積超過了20 世紀80 年代末期的水平。研究結(jié)果與前人的監(jiān)測結(jié)果比較一致[15-16]。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

為了驗證青海湖水體邊界數(shù)據(jù)集提取精度，采用同樣的方法獲取了2018 年同時段Landsat-8OLI衛(wèi)星影像和兩年期10 m 分辨率的哨兵2 號數(shù)據(jù)的提取結(jié)果，以哨兵2 號數(shù)據(jù)提取結(jié)果為準(zhǔn)進行疊加分析，發(fā)現(xiàn)基于Landsat 影像數(shù)據(jù)集的提取精度達99%以上，參見表1。相比較而言，整體來講Landsat衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)提取結(jié)果偏小，主要分布在湖周特別是湖口濕地區(qū)域。鑒于數(shù)據(jù)處理方法一致，具有一定參考價值，可滿足用戶對數(shù)據(jù)集的精度要求。

表1 水體提取結(jié)果對比

4 數(shù)據(jù)價值

青海湖為中國最大的內(nèi)陸咸水湖泊，是維系青藏高原生態(tài)安全的重要水體，也是阻擋西部荒漠化“東進”的天然屏障，其水體面積的變化對區(qū)域氣候和周邊生態(tài)環(huán)境變化具有重要影響。受氣候變化的影響，近百年來青海湖水位經(jīng)歷著萎縮的過程[17]，2005 年以來，青海湖水位增長顯著，目前水位已恢復(fù)到20 世紀70 年代初的水平。

本數(shù)據(jù)集是依據(jù)不同時期多源遙感影像數(shù)據(jù)（1987-2017 年）生產(chǎn)的11 期湖泊水體邊界矢量數(shù)據(jù)，特點在于時間序列較長，可作為青海湖湖泊水體時空變化、湖泊水量變化評估等研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可作為該區(qū)域水資源變化、氣候變化與湖泊響應(yīng)關(guān)系等研究的重要依據(jù)。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

1987-2017 年間每隔3 年一期共11 年的青海湖水體邊界數(shù)據(jù)均為shp 格式，可以利用ArcGIS、QGIS 等地理信息系統(tǒng)軟件對本數(shù)據(jù)集進行編輯及后續(xù)工作分析。本數(shù)據(jù)可用于青海湖的水文與水資源變化等方面研究。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

郝美玉（1984—），女，內(nèi)蒙古呼和浩特市人，碩士，高級工程師，研究方向為地學(xué)領(lǐng)域科研信息化。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)處理、論文撰寫。

羅澤（1976—），男，云南普洱市人，博士，研究員，研究方向為計算機應(yīng)用技術(shù)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)校核、質(zhì)量控制。