2000-2019 年三江源地區(qū)冰川矢量數(shù)據(jù)集

張圓，姚曉軍＊，周蘇剛，張大弘

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

山地冰川是冰凍圈的重要組成部分[1]，被稱為固體水庫和氣候變化的天然指示器[2-3]，對區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境具有重要影響[4-6]。青藏高原是全球中低緯度地區(qū)最大的現(xiàn)代冰川分布區(qū)，也是全球變暖最強烈的地區(qū)之一[7-9]。已有研究表明，自20 世紀80 年代以來，青藏高原大部分地區(qū)冰川處于退縮狀態(tài)，且近年來退縮速率呈加快趨勢，對江河徑流變化產(chǎn)生直接影響[10-12]。三江源地區(qū)地處青藏高原腹地，發(fā)育有數(shù)量眾多的冰川，是長江、黃河和瀾滄江（境外稱湄公河）的發(fā)源地（圖1）。習近平總書記在2016 年1 月5 日和2018 年4 月26 日分別召開的推動長江經(jīng)濟帶建設座談會上指出，“要從生態(tài)系統(tǒng)整體性和長江流域系統(tǒng)性出發(fā)，開展長江生態(tài)環(huán)境大普查，系統(tǒng)梳理和掌握各類生態(tài)隱患和環(huán)境風險，做好資源環(huán)境承載能力評價，對母親河做一次大體檢”。2019 年9 月18 日，在黃河流域生態(tài)保護和高質量發(fā)展座談會上習近平總書記再次強調，“黃河流域在我國經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)安全方面具有十分重要的地位。要堅持綠水青山就是金山銀山的理念，堅持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，以水而定、量水而行。”2018 年1 月12 日，國家發(fā)展改革委印發(fā)三江源國家公園總體規(guī)劃通知（http://www.gov.cn/xinwen/2018-01/17/content_5257568.htm），首次明確了三江源國家公園的規(guī)劃范圍，將雪山冰川納入核心保育區(qū)，并采取嚴格保護模式，著力提高其水源涵養(yǎng)功能和保護固態(tài)水源。因此，查清三江源地區(qū)冰川資源現(xiàn)狀及變化特征不僅對于認識氣候變化對冰川的影響具有重要的理論價值，而且對于該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和水資源合理利用具有重要的現(xiàn)實意義。

圖1 三江源地區(qū)

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

本數(shù)據(jù)集主要基于Landsat Thematic Mapper（Landsat TM）、Landsat Operational Land Imager（Landsat OLI）遙感影像和數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)產(chǎn)生。其中，Landsat TM/OLI 遙感影像從美國地質調查局網(wǎng)站（https://earthexplorer.usgs.gov）下載獲得，包括69 景Landsat TM 遙感影像（采集時間主要為2000 年和2010 年）和22 景Landsat OLI 遙感影像（采集時間為2017-2019 年），前者空間分辨率為30 m，后者空間分辨率為15 m（經(jīng)與全色波段融合處理），二者用于冰川區(qū)遙感解譯。為減少積雪影響，選取的Landsat TM/OLI 影像采集時間集中在冰川消融期（6-9 月）。對于個別區(qū)域當年無質量較好的遙感影像，采用相鄰年份的遙感影像代替。表1 列出了本數(shù)據(jù)集所選用的Landsat TM/OLI 遙感影像基本信息，為便于表述，根據(jù)遙感影像時間分布頻次，分別用2000 年、2010 年和2019 年作為3 個時期的時間表征。DEM 數(shù)據(jù)用于分割出單條冰川，所用數(shù)據(jù)為SRTM 1 弧秒數(shù)據(jù)，空間分辨率為30 m，由美國地質調查局網(wǎng)站（https://earthexplorer.usgs.gov）提供。此外，本數(shù)據(jù)集在制作時參考了中國第二次冰川編目中三江源地區(qū)的冰川矢量數(shù)據(jù)，從國家青藏高原科學數(shù)據(jù)中心（http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/）獲得[13]。

表1 2000-2019 年三江源地區(qū)冰川解譯所用的Landsat TM/OLI 遙感影像基本信息

軌道號2000 年 2010 年 2019 年傳感器 成像日期 傳感器 成像日期 傳感器 成像日期137037 TM 2000-08-30 2001-07-23 TM 2011-08-29 OLI 2017-07-12 2019-08-19 138035 TM 1999-09-20 2000-05-17 TM 2008-08-11 OLI 2019-08-10 2019-09-11 138036 TM TM 2010-08-01 OLI 138037 TM 2000-08-21 2001-02-13 2001-07-23 2001-08-08 TM 2009-08-30 OLI 2017-10-07 2019-07-25 139035 TM 1998-09-08 1999-07-25 2000-02-20 2000-08-28 TM 2010-08-08 2011-08-27 OLI 2018-05-26 139036 TM 1996-07-16 1999-07-09 2003-09-22 TM 2009-07-04 2009-08-05 OLI 2017-08-11 140035 TM 1999-08-17 TM 2010-08-31 OLI 140036 TM TM 2010-07-30 2010-08-15 OLI

1.2 數(shù)據(jù)處理過程

2000 年三江源地區(qū)冰川邊界提取過程如圖2 所示，該方法類似于中國第二次冰川編目方法[14]，具體步驟如下：

（1）波段比值：使用Landsat TM 遙感影像的紅波段（Band 3）與短波紅外波段（Band 5）相比，得到比值圖像（圖2A）。

（2）人工交互方式確定閾值：使用閾值對比值圖像進行分割，以去除邊界模糊像元。經(jīng)過不斷嘗試，發(fā)現(xiàn)最佳閾值范圍介于1.8-2.0，不同區(qū)域最佳閾值不盡相同，圖2B 所示區(qū)域閾值為1.95。

（3）中值濾波處理：由于閾值分割后二值圖像中存在雪斑和由冰面上巖石造成的小空隙，因此需使用中值濾波器（窗口大小為3×3，單位為像元大?。┻M行處理，結果如圖2C 所示。

（4）數(shù)據(jù)結構轉換：將冰川區(qū)二值圖像（柵格形式）轉換為矢量多邊形，轉換結果如圖2D 所示。

（5）人工目視修訂：基于Landsat TM/OLI 假彩色合成影像（Landsat TM: Band 5, 4, 3; Landsat OLI: Band 6, 5, 4），以冰川融水源頭、冰川湖泊、終磧壟等為主要參考依據(jù)對冰川表磧分布區(qū)和冰川末端進行人工修訂。例如圖2D 所示的部分冰川末端冰川終磧湖（圖2d）被誤判為冰川組成，經(jīng)人工目視修訂后該冰川終磧湖與冰川接觸部分被修改為冰川末端（圖2e）。

（6）單條冰川劃分：使用SRTM 1 弧秒數(shù)據(jù)和ArcGIS 中水文分析工具提取山脊線，對修訂后的冰川邊界進行分割，得到單條冰川邊界（圖2F）。

圖2 三江源地區(qū)冰川邊界提取過程

（7）冰川屬性錄入：參考中國第二次冰川編目數(shù)據(jù)集[13]，在冰川矢量數(shù)據(jù)屬性表中分別錄入冰川的標識碼，名稱，經(jīng)緯度，所在山系名稱，所在的一、二級流域編碼及名稱，所在市（自治州）的行政區(qū)劃代碼及名稱，最高海拔、最低海拔、中值海拔，朝向，面積，冰儲量，衛(wèi)星傳感器名稱、衛(wèi)星軌道號和影像獲取日期。其中，冰川名稱及其所在流域編碼和名稱源于中國第二次冰川編目數(shù)據(jù)集[13]；冰川經(jīng)緯度為其質心地理坐標；冰川所在山系名稱源于文獻[15]；冰川所在市（自治州）的行政區(qū)劃代碼及名稱以中華人民共和國民政部網(wǎng)站的“2020 年中華人民共和國行政區(qū)劃代碼”（http://www.mca.gov.cn/article/sj/xzqh/2020/）為參考；冰川地形屬性基于SRTM 1 弧秒數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)計算得到；冰川面積和冰儲量分別利用ArcGIS 中的計算幾何和字段計算器功能得到，其中后者為Radic 等[16]、Grinsted[17]和Liu 等[18]分別提出的冰川冰儲量-面積經(jīng)驗公式計算結果的平均值。

為提高工作效率及保障冰川矢量數(shù)據(jù)的一致性，三江源地區(qū)2010 年和2019 年冰川邊界采用人工修訂方式進行提取，具體方法是以當年Landsat TM/OLI 假彩色合成影像為底圖，將2000 年冰川邊界疊加其上通過人工目視解譯獲得。

1.3 誤差評估

冰川遙感解譯的誤差來源多樣[19-20]。鑒于本數(shù)據(jù)集中的冰川輪廓矢量數(shù)據(jù)通過人工修訂獲得，因此僅對由遙感影像空間分辨率造成的誤差進行評估，其中冰川面積誤差計算公式為：

式中，ε為遙感影像空間分辨率造成的誤差（m2）；N為冰川輪廓周長（m）；L為遙感影像單個像元邊長（Landsat TM 為30 m，Landsat OLI 為15 m）。

冰川冰儲量誤差為3 種冰川冰儲量-面積經(jīng)驗公式[16-18]計算結果最大值與最小值差值的平均值。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)樣本概述

2000 年三江源地區(qū)共有冰川1294 條，總面積為1429.41±78.94 km2，冰川總儲量為101.12±5.53 km3；2010 年三江源地區(qū)共有冰川1252 條，總面積為1325.64±70.67 km2，冰川總儲量為95.15±5.11 km3；2019 年三江源地區(qū)共有冰川1238 條，總面積為1217.96±34.65 km2，冰川總儲量為87.66±4.68 km3。由圖3 可知，三江源地區(qū)冰川數(shù)量以面積小于0.5 km2的冰川為主，而冰川面積則以面積介于5-20 km2的冰川為主。雖然面積小于0.5 km2的冰川數(shù)量最多（850 條，68.66%），但面積僅為136.80 km2，占冰川總面積的11.23%。隨著冰川面積增加，冰川數(shù)量急劇減少，面積大于50 km2的冰川僅有1 條（51.19±0.54 km2）。

圖3 2019 年三江源地區(qū)不同面積等級的冰川數(shù)量和面積

表2 列出了2019 年三江源地區(qū)各流域冰川數(shù)量、面積及冰儲量。顯然，長江流域冰川資源量最多，其冰川數(shù)量（869 條）、面積（1010.55±26.39 km2）和冰儲量（75.37±4.00 km3）分別占三江源冰川各自總量的70.19%、82.97%和85.97%。黃河流域（不包含其北支的大通河流域）的冰川數(shù)量（94條）和面積（96.60±3.07 km2）雖不及瀾滄江流域（冰川數(shù)量和面積分別為275 條、110.80±5.19 km2），但前者冰儲量（7.20±0.36 km3）卻大于后者（5.09±0.31 km3）。這主要與阿尼瑪卿山發(fā)育數(shù)條面積較大的冰川有關，如哈龍冰川（20.22±0.32 km2）、耶和龍冰川（16.62±0.27 km2）和維格勒當雄冰川（11.31±0.23 km2）。在二級流域中，隸屬于長江流域的金沙江流域冰川數(shù)量、面積和冰儲量最多（大），而岷江流域冰川資源量最少。

表2 2019 年三江源地區(qū)各流域冰川統(tǒng)計

一級流域 二級流域 冰川數(shù)量 冰川面積 冰儲量名稱 編碼 名稱 編碼 條 (%) (km2) (%) (km3) (%)合計 869 70.19 1010.55±26.39 82.97 75.37±4.00 85.97昂曲 5L3 66 5.33 20.43±1.04 1.68 0.89±0.06 1.02瀾滄江 5L 扎曲 5L4 209 16.88 90.38±4.15 7.42 4.20±0.25 4.79合計 275 22.21 110.80±5.19 9.10 5.09±0.31 5.81

2.2 數(shù)據(jù)圖形樣本

2000-2019 年三江源地區(qū)冰川退縮、前進、分裂或完全消失同時存在。圖4(a1-3)展示了三江源地區(qū)面積最大的冰川（質心地理坐標： 91.10°E, 33.50°N）在不同時期的輪廓。2001 年該冰川面積為53.10 km2，因冰川東支末端前進，致使其2010 年面積增加為53.47 km2，之后隨著冰川西支快速退縮至2019 年面積減少為51.19 km2。圖4(b1-3)為一條冰川分離為多條冰川示例，該冰川位于金沙江流域，質心地理坐標為（92.71°E，32.78°N），2000 年面積為1.36 km2，隨著冰川末端退縮，至2011年分離為3 條冰川，面積分別為0.90 km2、0.12 km2和0.05 km2；之后冰川持續(xù)萎縮，3 條冰川面積分別減少為0.82 km2、0.09 km2和0.03 km2；2000-2019 年冰川面積共減少0.42 km2（30.88%）。

圖4 冰川圖形樣本

2.3 數(shù)據(jù)屬性表

2000-2019 年三江源地區(qū)冰川邊界矢量屬性表由20 個字段構成（表3），反映了各條冰川的基本屬性信息。其中，ID 為冰川標識碼；Name 為冰川名稱；Longitude 和Latitude 分別表示冰川質心的經(jīng)度和緯度；Mountain 為冰川所在山系名稱；Drng1_Code 和Drng1_Name 分別表示冰川所屬的一級流域編碼和名稱；Drng2_Code 和Drng2_Name 分別表示冰川所屬的二級流域編碼和名稱；Munic_Code 和Munic_Name 表示冰川所在市（自治州）的行政區(qū)劃代碼和名稱；Area 為冰川面積；Volume 為冰川冰儲量；Max_Elev、Min_Elev 和Mid_Elev 分別表示冰川最高海拔、最低海拔和中值海拔；Aspect 為冰川朝向（分為N、NE、E、SE、S、SW、W 和NW 共8 個方向）；Sensor 為衛(wèi)星傳感器名稱；Orbit 為衛(wèi)星軌道號；Date 為影像獲取日期。

表3 2000-2019 年三江源地區(qū)冰川矢量數(shù)據(jù)集屬性表說明

2.4 Excel 數(shù)據(jù)表

“三江源地區(qū)2000-2019 年冰川變化統(tǒng)計表”以Excel 文件形式提供，按黃河流域、長江流域和瀾滄江流域依次列出逐條冰川的面積變化信息，包括序號、冰川質心經(jīng)緯度、流域編碼和名稱、市級行政區(qū)劃代碼和名稱、不同年份（2000 年、2010 年和2019 年）的冰川面積、不同時期冰川面積變化（2000-2010 年、2010-2019 年和2000-2019 年）和備注等信息。其中，冰川面積及變化數(shù)值均保留4 位小數(shù)，單位為km2；對于在研究時段內發(fā)生分裂的冰川，其面積變化數(shù)值為分裂后形成多條冰川面積之和與分裂前冰川面積的差值；備注欄列出了主要的冰川變化特征，如冰川前進、分裂、消失等。

3 數(shù)據(jù)質量控制與評估

本數(shù)據(jù)集選用冰川消融期的Landsat TM/OLI 遙感影像，該時段遙感影像受積雪影響最小，且影像云覆蓋率均小于10%，最大程度降低了積雪和云覆蓋對冰川遙感解譯的影響。第1.3 節(jié)列出了本數(shù)據(jù)集的誤差評估方法。對于表磧覆蓋型冰川，其面積通常較大，本研究首先挑選出所有面積大于5 km2的冰川，然后根據(jù)相近時段Landsat TM/OLI 遙感影像和Google Earth 中的高分辨率影像，結合判讀標志（如顏色、紋理、冰磧壟、冰川湖泊分布情況和冰川融水出水口位置等），通過人工目視解譯出冰川表磧覆蓋區(qū)[13,21]。圖5a 為波段比值法結果（冰川裸冰區(qū)），根據(jù)冰川融水出水口位置和冰磧紋理特征，通過人工目視解譯對冰川邊界進行修訂，結果如圖5b 所示。同時，本數(shù)據(jù)集的主要工作人員參與了中國第二次冰川編目工作，具有較豐富的冰川遙感解譯經(jīng)驗，這在一定程度上保障了數(shù)據(jù)質量。

圖5 表磧覆蓋型冰川邊界修訂

4 數(shù)據(jù)價值

冰川作為三江源地區(qū)“山水林田湖草生命共同體”的重要組成部分，在自然資源普查、水資源管理和生態(tài)環(huán)境保護中扮演著重要角色。本數(shù)據(jù)集3 期（2000 年、2010 年和2019 年）冰川邊界矢量數(shù)據(jù)反映了三江源地區(qū)冰川分布現(xiàn)狀和近20 年的時空變化特征，可作為該地區(qū)冰川變化相關研究的基礎數(shù)據(jù)，也可為冰川水資源評估、冰川與氣候變化間響應關系等研究提供數(shù)據(jù)支持。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

Glacier_outlines_TRH.zip 解壓后為ERSI Shapefile 文件，地理坐標系為WGS-1984，投影坐標系為Albers 等積投影，可通過ArcGIS 等GIS 軟件讀取和編輯，同時也可根據(jù)具體研究需要，參考最新遙感影像數(shù)據(jù)源，對2019 年冰川矢量數(shù)據(jù)進行更新修改，以延長數(shù)據(jù)時序。Glacier_change_TRH.zip解壓后為Excel 文件，反映了三江源地區(qū)2000-2019 年逐條冰川的面積變化狀況，可根據(jù)所提供的經(jīng)緯度坐標值與冰川矢量數(shù)據(jù)配合使用。

數(shù)據(jù)作者分工職責

張圓（1997—），男，遼寧沈陽人，碩士研究生，研究方向為GIS 設計與開發(fā)。主要承擔工作：數(shù)據(jù)收集、處理和文稿撰寫。

姚曉軍（1980—），男，山西夏縣人，博士，教授，研究方向為地理信息技術與冰凍圈變化。主要承擔工作：研究思路設計、數(shù)據(jù)質量控制和文稿撰寫。

周蘇剛（1995—），男，甘肅平?jīng)鋈?，碩士研究生，研究方向為GIS 設計與開發(fā)。主要承擔工作：數(shù)據(jù)收集和處理。

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