1977-2018 年柴達木盆地冰川矢量數(shù)據(jù)集

周蘇剛，姚曉軍＊，張圓，張大弘，段紅玉

1. 西北師范大學地理與環(huán)境科學學院，蘭州 730070

2. 西北大學城市與環(huán)境學院，西安 710027

引 言

冰川是冰凍圈的重要組成部分，是淡水資源的固體水庫[1-2]。冰川變化與區(qū)域氣候關系密切，被視作氣候變化的天然指示器和預警器[2-3]。20 世紀80 年代以來，我國冰川作用區(qū)普遍處于物質虧損狀態(tài)，呈退縮減薄趨勢[4]。據(jù)中國第一、二次冰川編目數(shù)據(jù)，冰川面積退縮約17.7%，冰儲量損失約20%[3]。在全球變暖背景下，冰川萎縮對全球及區(qū)域氣候、生態(tài)系統(tǒng)、水資源變化、海平面上升以及人類生產生活產生重大影響[5-7]，而且加劇冰崩、冰湖潰決洪水或泥石流等災害的發(fā)生頻次及影響范圍[7-9]。柴達木盆地地處西北干旱區(qū)（圖1），冰川及其融水作為重要的水資源，對于維系其脆弱的生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要影響[10]。因此，明晰柴達木盆地冰川現(xiàn)狀、變化及其對氣候變化的響應具有重要意義。本文基于柴達木盆地1977-2018 年Landsat 遙感影像提取冰川矢量邊界數(shù)據(jù)集，可為研究該區(qū)域冰川變化提供數(shù)據(jù)支撐，也可為全面認識柴達木盆地在氣候變暖背景下冰川的響應規(guī)律及區(qū)域水資源合理利用提供科學依據(jù)。

圖1 柴達木盆地冰川分布

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

本研究所采用的遙感影像為Level-1 級Landsat MSS/TM/OLI 數(shù)據(jù)，由美國地質調查局（United States Geological Survey，USGS）網(wǎng)站（https://earthexplorer.usgs.gov）獲取，為減小不用時期冰川變化誤差及積雪、云對冰川區(qū)范圍提取的影響，盡可能選取研究區(qū)6-9 月質量較好的影像，最終選取1972-1978 年、1996-2002 年、2015-2019 年3 個時期的影像，其中，1972-1978 年影像共19 景，均為Landsat MSS 遙感影像；1996-2002 年影像共37 景，均為Landsat TM 遙感影像；2015-2019 年影像共26 景，均為Landsat OLI 遙感影像（表1）。為便于描述，分別以所用影像冰川面積最大的年份1977 年、2002 年、2018 年代表3 個時期的年份。其中，1977 年部分區(qū)域6-9 月影像質量較差，因此選取其他月份質量較好的影像提取冰川邊界。冰川高程信息提取采用ASTER GDEM V2 數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，從地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn）獲取。

表1 1977-2018 年柴達木盆地冰川邊界提取所用Landsat 遙感影像

軌道號軌道號成像日期 傳感器path row path row成像日期 傳感器144 34 1977-08-22 MSS 145 33 1973-10-28 MSS 137 35 2000-07-29, 2000-08-14,2000-08-30 TM 145 34 1977-04-19 MSS 138 33 1999-08-19 TM 145 35 1976-11-26 MSS 138 35 2001-07-23, 2002-08-27 TM 146 33 1977-04-20 MSS 139 34 2000-08-28,2001-07-14 TM 146 34 1973-12-22, 1977-04-20 MSS 146 35 1977-02-25 MSS 147 33 1978-06-09 MSS 147 35 1977-02-26 MSS 148 33 1977-08-26 MSS 139 35 140 33 1996-07-16, 1997-07-19,1998-09-08, 1999-07-25 2001-07-21, 1997-08-27,1999-08-17, 2004-07-29,2001-09-23 TM TM 148 35 1976-11-29 MSS 141 34 2000-08-10, 2000-08-26 TM 149 34 1977-08-27 MSS 134 33 2019-08-14 OLI 149 35 1977-08-27 MSS 135 33 2018-07-17 OLI 150 34 1972-10-02 MSS 135 34 2016-07-27, 2017-08-15 OLI 151 33 1972-10-03 MSS 151 34 1972-10-03 MSS 135 35 2015-08-10, 2016-07-27,2017-08-15 OLI 152 34 1973-09-11 MSS 136 33 2019-08-28 OLI 133 35 2000-06-15 TM 136 34 2016-07-02, 2018-07-24 OLI 134 33 2000-07-24 TM 136 35 2015-08-01, 2018-07-24 OLI 134 34 2002-07-30 TM 135 33 2000-07-15 TM 137 35 2015-08-24, 2017-07-28,2019-09-04 OLI 135 34 2000-07-15, 2002-08-22 TM 138 33 2016-08-01, 2018-08-07 OLI 135 35 1999-07-29, 2000-07-15,2001-07-02, 2001-08-03 TM 138 35 2017-07-19, 2019-09-11 OLI 139 34 2016-08-08, 2019-09-02 OLI 136 33 2000-07-22, 2002-08-29 TM 139 35 2015-08-22, 2018-05-26 OLI 136 34 1999-09-06 TM 140 33 2018-09-06 OLI 136 35 1999-07-20, 2000-07-22,2002-08-29 TM 140 34 2017-08-02 OLI 141 34 2016-08-06 OLI

1.2 數(shù)據(jù)處理過程

本數(shù)據(jù)集參照中國第二次冰川編目方法[11]提取1977 年、2002 年和2018 年柴達木盆地冰川矢量數(shù)據(jù)。首先采用波段比值并結合人工交互式方法，快速提取裸冰區(qū)冰川邊界二值圖像，并轉為矢量多邊形，依據(jù)冰川編目和Google Earth 歷史影像對其邊界進行修訂和檢查，對表磧區(qū)冰川邊界通過影像色彩和紋理特征、冰面湖的分布、冰川末端水文特征以及冰川兩側地形和水系特征進行人工目視提取，具體過程參考中國第二次冰川編目中對表磧區(qū)邊界的提取[11]。然后利用ASTER GDEM 高程數(shù)據(jù)提取山脊線，具體提取方法參照文獻[12]，用提取的山脊線分割修訂后的冰川矢量邊界以得到單條冰川[7,13]（圖2）。

圖2 柴達木盆地冰川矢量數(shù)據(jù)提取技術路線

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)屬性表

1977-2018 年柴達木盆地冰川矢量數(shù)據(jù)集屬性表共包含15 個字段（表2），反映了各冰川編碼、名稱等基本信息。其中，ID 為標識碼；Name 為冰川名稱，參考地形圖和冰川編目數(shù)據(jù)；GLIMS_ID為冰川編碼，與第二次冰川編目方法一致；Province 為冰川所在省份；City 為冰川所在市（州）；Mountain 為冰川所屬山系；Image 為冰川邊界提取所用遙感影像及時間；Longitude 和Latitude 為冰川質心所在經(jīng)度和緯度；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 為冰川最高點與最低點高程值；Area 為冰川面積[7,13-15]。

表2 1977-2018 年柴達木盆地冰川矢量數(shù)據(jù)集屬性表說明

序號 字段名稱 數(shù)據(jù)類型 字符長度 字段描述10 Basin_1 Text 4 冰川所在一級流域11 Basin_2 Text 6 冰川所在二級流域12 Basin_3 Text 8 冰川所在三級流域13 Max_Elev Short Integer 4 最高點海拔14 Min_Elev Short Integer 4 最低點海拔15 Area Float 6 冰川面積

2.2 數(shù)據(jù)樣本概述

1977 年柴達木盆地共有冰川2148 條，面積2031.62 km2；2002 年共有冰川2094 條，面積1862.68 km2；2018 年共有冰川2050 條，面積為1693.54 km2。1977-2018 年柴達木盆地冰川整體處于退縮的狀態(tài)（圖3a），部分冰川完全消失（圖3b）和發(fā)生分裂（圖3c）。

1977-2018 年，柴達木盆地有177 條冰川消失，面積為21.25 km2，68 條冰川分裂為146 條，面積由122.76 km2減少為99.80 km2。近50 年，柴達木盆地冰川面積減少338.08 km2（-8.12 km2/a），相對變化速率為-0.44%/a。其中，1977-2002 年柴達木盆地105 條冰川消失，45 條冰川分裂為96 條，冰川面積減少168.94 km2（-8.32%），面積變化相對速率為-0.36%/a。2002-2018 年，共有82 條冰川消失，35 條冰川分裂為73 條，冰川面積減少169.14 km2（-9.08%），面積變化相對速率為-0.54%/a。顯然，1977-2002 年和2002-2018 年冰川數(shù)量和面積均呈減少趨勢，且2002-2018 年冰川面積退縮較1977-2002 年呈加快趨勢。

圖3 冰川退縮、消失和分裂

3 數(shù)據(jù)質量控制和評估

冰川邊界提取精度受多種因素的影響，主要受遙感傳感器和影像配準以及人工目視解譯中視覺判斷造成的像元偏移誤差[4,16-17]。而本數(shù)據(jù)集僅考慮影像空間分辨率所造成的誤差[7,14,16]：

式中：β為影像空間分辨率所造成的誤差（m2），N為冰川輪廓的周長（m），A 為單個像元的邊長（Landsat MSS/TM/OLI 分別為60 m、30 m 和15 m）。結果顯示，由Landsat MSS/TM/OLI 影像分辨率所造成的誤差分別為±163.47 km2、±86.07 km2和±40.96 km2，分別占柴達木盆地冰川總面積的±8.2%、±4.6%和±2.4%。

4 數(shù)據(jù)價值

本數(shù)據(jù)集提取的柴達木盆地1977 年、2002 年和2018 年冰川矢量邊界均參照第二次冰川編目的方法。1977 年冰川矢量數(shù)據(jù)可彌補第一次冰川編目數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的漏編和誤編等情況，2002 年冰川矢量數(shù)據(jù)可反映21 世紀初柴達木盆地冰川狀態(tài)，2018 年冰川矢量數(shù)據(jù)能夠反映近期柴達木盆地冰川現(xiàn)狀。3 期冰川矢量邊界可為分析近50 年柴達木盆地冰川的動態(tài)變化和探討冰川變化對氣候變化的響應規(guī)律以及區(qū)域水資源合理利用等研究提供基礎數(shù)據(jù)。

5 數(shù)據(jù)使用方法及建議

本數(shù)據(jù)集3 期數(shù)據(jù)均采用Shapefile 矢量數(shù)據(jù)格式存儲，可在ArcMap 和ENVI 等圖像處理軟件中打開，同時可進行數(shù)據(jù)查詢、編輯等操作，3 期數(shù)據(jù)均采用WGS-1984 地理坐標系和Albers 投影坐標系。

數(shù)據(jù)作者分工職責

周蘇剛（1995—），男，甘肅靜寧縣人，碩士研究生，主要研究方向為GIS 設計與開發(fā)。主要承擔工作：遙感影像收集和處理，冰川邊界提取及論文撰寫。

姚曉軍（1980—），男，山西夏縣人，博士，教授，主要研究方向為地理信息技術與冰凍圈變化。主要承擔工作：總體研究方案設計及數(shù)據(jù)質量控制。

張圓（1997—），男，遼寧法庫縣人，碩士研究生，主要研究方向為GIS 設計與開發(fā)。主要承擔工作：遙感影像收集和冰川邊界提取。

張大弘（1993—），男，甘肅平?jīng)鋈?，碩士研究生，主要研究方向為GIS 設計與開發(fā)。主要承擔工作：數(shù)據(jù)質量控制。

段紅玉（1993—），女，甘肅臨洮人，博士研究生，主要研究方向為地理信息技術與冰凍圈變化。主要承擔工作：數(shù)據(jù)質量控制。

致 謝

感謝美國地質調查局（USGS）提供Landsat MSS/TM/OLI 影像數(shù)據(jù)，感謝地理空間數(shù)據(jù)云提供ASTER GDEM 數(shù)據(jù)。