2017-2018 年中國西部冰川編目數(shù)據(jù)集

冉偉杰，王欣,＊，郭萬欽，趙華秋，趙軒茹，劉時(shí)銀，魏俊鋒，張勇

1. 湖南科技大學(xué)，資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南湘潭 411201

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730000

3. 蘭州大學(xué)，資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000

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

引 言

中國西部地區(qū)以青藏高原為主體，地形和氣候條件復(fù)雜，是世界上中低緯度地區(qū)最大的現(xiàn)代冰川和第四紀(jì)冰川分布區(qū)，被譽(yù)為世界第三極[1]。冰川作為冰凍圈的主體，是重要的固體淡水資源，對(duì)“第三極”及周邊地區(qū)人類的生存和社會(huì)穩(wěn)定及發(fā)展都有重要影響[2]。它不僅是氣候變化的重要驅(qū)動(dòng)因素之一，同時(shí)也是氣候變化的“指示器”[3-5]。在氣候變暖的背景下，青藏高原上的山岳冰川總體呈現(xiàn)退縮減薄以及物質(zhì)量持續(xù)減少的特征[6-7]。冰川的退縮不僅是影響流域徑流過程以及區(qū)域水資源變化的關(guān)鍵因素，而且加劇了冰湖潰決而導(dǎo)致的洪水和泥石流等重大自然災(zāi)害的發(fā)生[8-11]。

中國西部冰川編目數(shù)據(jù)是冰凍圈科學(xué)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)研究中國西部冰川變化及其氣候的響應(yīng)具有重要意義。中國于1978-2002 年間開展了中國第一次冰川編目工作，以1950-1980 年代的航攝地形圖和航空像片為主要數(shù)據(jù)源，通過手工量算等手段完成了中國冰川數(shù)據(jù)的建庫工作[12]。共統(tǒng)計(jì)中國冰川46 377 條，總面積59 425 km2。繼2002 年之后，我國科研人員以中國西部冰川變化為主要目標(biāo)，開展對(duì)中國冰川資源最新狀況的普查，即中國第二次冰川編目[13]。中國第二次冰川編目以2006-2011 年間開源的Landsat TM/ETM+遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)為冰川邊界描繪的主要數(shù)據(jù)源，采用當(dāng)前國際通用的遙感和GIS 方法。截止2013 年底，完成了我國西部絕大部分地區(qū)（86%）冰川目錄的編制，共解譯出冰川43 270 條，總面積43 087 km2。由于青藏高原東南部的橫斷山脈和念青唐古拉山中東段等地區(qū)受南亞季風(fēng)的影響，常年被積雪和云覆蓋，導(dǎo)致能夠獲取到的遙感影像受云雪影響嚴(yán)重，難以滿足冰川編目的要求，因此未完成部分（藏東南地區(qū)）用中國第一次冰川編目數(shù)據(jù)替代，總共使用冰川6201 條，涉及冰川面積8753 km2。很多科研人員都曾嘗試使用自動(dòng)解譯的方法來進(jìn)行冰川邊界的提取[14-17]，但是自動(dòng)解譯的結(jié)果一般都沒有人工手動(dòng)判讀的精度高，故本文以2015-2019 年間的Landsat OLI 遙感影像為主要數(shù)據(jù)源，在中國第二次冰川編目的基礎(chǔ)上，采用人工目視解譯的方法來提取冰川邊界，并對(duì)編目中所錄入的屬性進(jìn)行更新和精度評(píng)估，最終形成的2017-2018 年中國西部冰川編目數(shù)據(jù)集。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

本文的數(shù)據(jù)源主要包括中國第二次冰川編目數(shù)據(jù)[18]（http://westdc.westgis.ac.cn）用于輔助判斷冰川所屬山脈、流域和行政區(qū)劃等空間屬性信息，以及從USGS 網(wǎng)站（https://earthexplorer.usgs.gov/）和地理空間數(shù)據(jù)云（http://www.gscloud.cn/）獲取Landsat 遙感影像。由于一般情況下冰川及周圍地區(qū)在夏秋季節(jié)（6-11 月）受積雪影響最小，為保證在提取冰川邊界時(shí)的準(zhǔn)確性，多選用在夏秋季節(jié)且云量覆蓋度低于10%的遙感影像數(shù)據(jù)。在無法獲取少量云、雪影像的情況下，選擇能夠互補(bǔ)的多景影像來提取冰川邊界。同時(shí)優(yōu)先選擇2018 年的影像且時(shí)間跨度盡可能小，保證能夠描述近乎同時(shí)期的冰川狀態(tài)。基于上述原則，共選用315 景高質(zhì)量的遙感影像作為2017-2018 年中國西部冰川編目的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，約78%的影像集中在2017 和2018 年，夏秋季節(jié)（6-11 月）的影像占所選影像數(shù)據(jù)的65%（圖1）。

圖1 選取遙感影像時(shí)間

SRTM 數(shù)據(jù)主要用來計(jì)算單條冰川的海拔高度、平均坡向和平均坡度等屬性信息。本文所用空間分辨率為30 m 的SRTM1 高程數(shù)據(jù)來源于中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心的國際科學(xué)數(shù)據(jù)鏡像網(wǎng)站（http://datamirror.csdb.cn）。

流域數(shù)據(jù)使用的是HydroSHEDS 數(shù)據(jù)庫中的HydroATLAS V1.0 數(shù)據(jù)（https://figshare.com/articl es/HydroATLAS_version_1_0/），分為BasinATATLAS 和RiverATLAS 兩個(gè)數(shù)據(jù)集，分別代表了流域覆蓋范圍和河流網(wǎng)絡(luò)。本文以BasinATATLAS 數(shù)據(jù)集為參考，對(duì)第二次冰川編目中部分流域?qū)傩匀笔У谋ㄟM(jìn)行屬性賦值。

1.2 數(shù)據(jù)處理

為建立2017-2018 年中國冰川編目數(shù)據(jù)集，文中主要包括了影像預(yù)處理和提取冰川邊界、冰川坡度坡向的計(jì)算以及數(shù)據(jù)檢查和更新屬性信息等多個(gè)環(huán)節(jié)（圖2）。

圖2 2017-2018 年中國西部冰川編目主要流程

首先，制定本次冰川編目規(guī)范：(1)冰和水反射光譜曲線相似，反射主要在藍(lán)綠光波段，其他波段吸收都很強(qiáng)，所以一般可以通過顏色區(qū)分裸冰與周圍地物。(2)當(dāng)冰被雪覆蓋時(shí)，很難用顏色區(qū)分冰的邊界。但是由于冰密度較大，形狀比較規(guī)則，且與周圍地物的分界線較為明顯，而雪較為松散，又因?yàn)槠浔『癯潭炔煌c周圍地物的分界線很是模糊，所以可以通過其形態(tài)來區(qū)分。(3)表磧覆蓋區(qū)一般具有較低的溫度，鮮少有植被分布。同時(shí)，由于表磧厚度不同引起的強(qiáng)烈差異性消融，使得表磧覆蓋區(qū)冰川表面坑洼不平，形成與周圍地形強(qiáng)烈的反差。在彩色影像中，可通過顏色和紋理特征區(qū)別表磧區(qū)與周圍地物。利用以上判讀標(biāo)準(zhǔn)確定冰川邊界，當(dāng)影像中冰川邊界無法準(zhǔn)確判讀時(shí)，在Google Earth 中查看冰川周圍地形或參考其他相近時(shí)間的影像進(jìn)行輔助確定[19]。在最小冰川面積的選取上，不同的學(xué)者采用了不同的標(biāo)準(zhǔn)。有研究表明，在基于Landsat 衛(wèi)星影像的冰川編目中，0.01 km2（約11 個(gè)純像元）是最優(yōu)的最小冰川面積閾值[20]，同樣第二次冰川編目也是以0.01 km2作為最小冰川面積來進(jìn)行冰川編目[13]，故本文采用0.01 km2作為最小冰川面積。

其次，對(duì)所有遙感影像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成，在ArcGIS 中以Landsat 影像為主，參考Google Earth 影像和中國第二次冰川編目數(shù)據(jù)集，利用人工目視解譯的方法提取冰川邊界，將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一采用GCS_WGS_1984 地理坐標(biāo)系統(tǒng)和Asia_North_Albers_Equal_Area_Conic 投影系統(tǒng)以保證冰川面積計(jì)算時(shí)的準(zhǔn)確性。

第三，更新冰川屬性，主要指冰川編碼、高程屬性、坡度和坡向?qū)傩?、流域信息等。GLIMS_ID為冰川編碼，根據(jù)全球陸地冰監(jiān)測計(jì)劃（Global Land Ice Measurements from Space，GLIMS）制定。每條冰川需要被賦予唯一的標(biāo)識(shí)碼，取每條冰川的質(zhì)心經(jīng)緯度坐標(biāo)對(duì)應(yīng)其編碼，編碼結(jié)構(gòu)為“GmmmmmmEnnnnnN”，其中G 表示冰川，mmmmmm 表示冰川質(zhì)心點(diǎn)的經(jīng)度值乘1000 后的6位數(shù)字，不足6 位的數(shù)字用0 表示，nnnnn 表示冰川質(zhì)心點(diǎn)的緯度值乘1000 后的5 位數(shù)字，不足5位的數(shù)字用0 表示，E 和N 分別代表東經(jīng)和北緯；冰川質(zhì)心點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)由ArcGIS 計(jì)算得出，在中國第二次冰川編目的基礎(chǔ)上修改冰川邊界導(dǎo)致冰川質(zhì)心點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)發(fā)生變化，根據(jù)上述冰川編碼的制定規(guī)則完成了單條冰川編碼的修訂（包括第二次冰川編目中漏編的冰川），并保證其唯一性；將SRTM 數(shù)據(jù)與冰川邊界數(shù)據(jù)在ArcGIS 中進(jìn)行疊置分析，得到冰川區(qū)DEM 數(shù)據(jù)，然后計(jì)算得到冰川覆蓋區(qū)域內(nèi)坡度和坡向柵格數(shù)據(jù)，最后使用分區(qū)統(tǒng)計(jì)工具即可得到每條冰川的最高、平均和最低海拔高度、平均坡度和平均坡向?qū)傩?；流域信息賦值主要是將冰川中心點(diǎn)數(shù)據(jù)與流域數(shù)據(jù)（BasinATATLAS）進(jìn)行相交處理，通過唯一字段連接兩個(gè)屬性表，即可補(bǔ)充冰川的流域信息。

最后，采用人工交互檢查的方式對(duì)每個(gè)冰川的矢量邊界開展進(jìn)一步的拓?fù)錂z查與邊界修正。對(duì)前進(jìn)冰川、消失冰川、分裂冰川或受山體陰影和積雪影響的冰川進(jìn)行交互檢查。在此過程中，利用Google Earth 影像作為主要的誤差檢測數(shù)據(jù)源。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)圖形樣本

截止到2018 年，中國西部地區(qū)共解譯出冰川53 238 條，總面積為47 174.21±19.93 km2（表1）。在中國第二次冰川編目未完成的藏東南地區(qū)（圖3 紅色矩形框內(nèi)），共有冰川13 066 條，總面積7611.25±4.64 km2。2017-2018 年中國西部冰川編目數(shù)據(jù)以面狀形式表示如圖3。

圖3 2017-2018 年中國冰川分布

表1 中國西部流域區(qū)冰川數(shù)量與面積變化

與中國第二次冰川編目數(shù)據(jù)相比，中國西部冰川普遍呈退縮趨勢，10 年來中國西部（藏東南地區(qū)除外）冰川面積共減少1393.97 km2，占冰川總面積的3.74%，平均面積變化速率為-0.43%/a。其中，共有318 條冰川消失，消失冰川的面積為18.98 km2，占冰川總面積的0.05%。22 條冰川漏編，漏編冰川面積為2.33 km2。還有部分冰川發(fā)生了分裂。如圖4a 所示的冰川（G090379E30362N）在2009 年面積為0.02 km2，在2017 年已完全消失；圖4b 的冰川（G101906E30571N）在中國第二次冰川編目中被漏編，在2017 年冰川面積為0.05 km2；圖4c 的冰川（G097639E28918N）在退縮過程中逐漸分裂為兩條冰川（G097641E28922N，G097638E28917N），面積由1.29 km2減少到0.89 km2。

圖4 消失冰川、漏編冰川及分裂冰川

2.2 數(shù)據(jù)屬性表

參考中國第一次和第二次冰川編目以及中國部分山系如岡底斯山、喜馬拉雅山、念青唐古拉山等地的冰川編目研究[12-13,22-24]，2017-2018 年中國西部冰川編目數(shù)據(jù)屬性表共設(shè)置19 個(gè)字段（表2），包括冰川名稱、冰川編碼、所使用的的遙感影像和冰川面積誤差等信息。其中，冰川名稱取自中國第二次冰川編目屬性表。

表2 2017-2018 年中國西部冰川編目數(shù)據(jù)屬性

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

本研究的方法是基于遙感影像通過人工目視解譯冰川邊界，在解譯冰川邊界過程中，由于遙感影像的質(zhì)量與解譯人員的主觀意識(shí)等因素影響，不可避免產(chǎn)生邊界描繪不準(zhǔn)確的情況，從而導(dǎo)致冰川面積計(jì)算的誤差。根據(jù)Hanshaw[25]等的研究，發(fā)現(xiàn)冰川面積誤差與遙感影像的空間分辨率密切相關(guān)。假設(shè)解譯造成的面積誤差符合高斯分布，通過冰川周長與影像空間分辨率的關(guān)系得到冰川邊界的像元數(shù)量，計(jì)算解譯過程中產(chǎn)生的面積誤差，公式如下：

式中：P為冰川周長（m）；G為遙感影像的空間分辨率（30 m）；σ是指隨機(jī)誤差權(quán)重，在假設(shè)一倍方差范圍內(nèi)，誤差為真值的情況下，取值0.6872；A是冰川的總面積；E是冰川面積的相對(duì)誤差。在上述公式的基礎(chǔ)上，可基于誤差傳播理論計(jì)算出整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)所有冰川面積的誤差積累，計(jì)算公式如下：

式中：ET是研究區(qū)域內(nèi)冰川面積的總誤差，i是冰川的數(shù)量，a是單條冰川的面積誤差。

計(jì)算結(jié)果顯示，由遙感影像分辨率所造成的冰川面積誤差值為±19.93 km2，約占中國西部冰川總面積的±0.04%。單條冰川的相對(duì)面積誤差在0-83%之間，相對(duì)面積誤差與冰川的大小呈顯著的冪指數(shù)關(guān)系（E =5.20A-0.45,R2=0.94，p<0.001）（圖5）。

圖5 單條冰川的相對(duì)面積誤差

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

本數(shù)據(jù)集是在中國第二次冰川編目的基礎(chǔ)上形成的，描述了2015-2019 年特別是2017-2018 年中國西部冰川狀態(tài)的變化。本數(shù)據(jù)集為我國西部自第一次、第二次冰川編目數(shù)據(jù)以后又一次全面系統(tǒng)的冰川調(diào)查，對(duì)于探討中國西部冰川變化和冰川對(duì)氣候變化的響應(yīng)等相關(guān)研究具有重要意義。在全球氣候變暖的現(xiàn)狀下，也可以為西北干旱區(qū)水資源的利用等提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

5 數(shù)據(jù)使用方法及建議

2017-2018 年中國西部冰川矢量數(shù)據(jù)集采用Shapefile 矢量數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)，在ArcGIS、ArcCatalog、ENVI 等GIS 平臺(tái)中均可進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、編輯等操作。

致 謝

感謝地理空間數(shù)據(jù)云和美國地質(zhì)調(diào)查局等網(wǎng)站提供Landsat影像，感謝中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心提供SRTM高程數(shù)據(jù)，感謝賀廣麗、郭小宇、顧菊、張?zhí)亍⑼跫?、鄭亞杰等在冰川目視解譯和冰川邊界檢查工作中所付出的辛勤勞動(dòng)。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

冉偉杰（1997—），男，湖南常德人，碩士研究生，研究方向?yàn)楸鶅鋈b感與災(zāi)害研究。主要承擔(dān)工作：冰川編目數(shù)據(jù)處理、檢查修正與論文撰寫。

王欣（1973—），男，湖南耒陽人，博士，教授，研究方向?yàn)楸鶅鋈b感、寒區(qū)水文與災(zāi)害。主要承擔(dān)工作：研究思路設(shè)計(jì)、冰川編目規(guī)范制定、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

郭萬欽（1978—），男，甘肅定西縣人，博士，研究員，研究方向?yàn)楸ㄗ兓?、躍動(dòng)機(jī)理。主要承擔(dān)工作：冰川編目數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

趙華秋（1996—），女，山東諸城人，碩士研究生，研究方向?yàn)楸鶅鋈b感與災(zāi)害研究。主要承擔(dān)工作：冰川編目數(shù)據(jù)處理與檢查修正。

趙軒茹（1996—），女，甘肅定西人，博士研究生，研究方向?yàn)楸鶅鋈b感與災(zāi)害研究。主要承擔(dān)工作：冰川編目數(shù)據(jù)處理與檢查修正。

劉時(shí)銀（1963—），男，河南信陽人，博士，研究員，研究方向?yàn)楸ㄗ兓Ｖ饕袚?dān)工作：研究思路設(shè)計(jì)與冰川編目規(guī)范制定。

魏俊峰（1985—），男，湖北天門人，博士，講師，研究方向?yàn)楸鶅鋈b感。主要承擔(dān)工作：冰川編目規(guī)范制定與數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

張勇（1979—），男，山東滕州人，博士，教授，研究方向?yàn)槿蜃兓c地理環(huán)境遙感。主要承擔(dān)工作：冰川編目規(guī)范制定與數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。