基于高程變化及遙感影像的高亞洲地區(qū)躍動(dòng)冰川數(shù)據(jù)集

呂明陽，郭華東，閆世勇，李冠宇,3，蔣迪,3，張豪磊，張子彥

1.中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094

2.中國礦業(yè)大學(xué)，環(huán)境與測繪學(xué)院，江蘇徐州 221116

3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 101408

引 言

高亞洲地區(qū)是指亞洲中部包括青藏高原及周圍的高山高原地區(qū)在內(nèi)的海拔在 4000-5000 m以上的高海拔區(qū)域，南北方向以喜馬拉雅山南麓和天山山脈為邊界，東西以青藏高原東端和興都庫什山脈為邊界，這些山脈和高原環(huán)繞著中國新疆維吾爾自治區(qū)和西藏自治區(qū)，包括了尼泊爾和不丹全境，以及部分巴基斯坦和印度地區(qū)(圖1)。21世紀(jì)以來，全球氣候變化致使高亞洲地區(qū)山地冰川退縮劇烈，引起各國學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4]。高亞洲地區(qū)的冰川融水是亞洲內(nèi)陸地區(qū)的重要淡水來源，尤其對于中國西北干旱區(qū)而言，該地區(qū)冰凍圈的變化會(huì)直接影響區(qū)域內(nèi)部及下游的生態(tài)環(huán)境[5-6]。除此之外，冰川的急劇變化也會(huì)誘發(fā)許多冰川相關(guān)災(zāi)害，如山洪、滑坡、泥石流、冰川垮塌、冰川躍動(dòng)等，是各流域內(nèi)居民生產(chǎn)生活的巨大安全隱患[7-8]。冰川躍動(dòng)作為一類冰川相關(guān)災(zāi)害，因其事件突發(fā)性、地點(diǎn)隱蔽性、過程難探測性等特點(diǎn)，長期以來是冰凍圈災(zāi)害研究的難點(diǎn)。

冰川躍動(dòng)是介于正常冰川流動(dòng)和冰崩之間的一種特殊的周期性冰川運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。在躍動(dòng)過程中，冰川泄冰區(qū)積累的大量冰會(huì)在短時(shí)間內(nèi)迅速傳輸至冰川下部的冰補(bǔ)給區(qū)，多數(shù)情況下會(huì)引起冰川末端的前移。躍動(dòng)通常會(huì)持續(xù)數(shù)月至數(shù)年，其間冰川的流速可以達(dá)到平靜期流速的數(shù)十至數(shù)百倍[9]。雖然躍動(dòng)冰川僅占全世界冰川數(shù)量的1%左右，但它們對于研究冰川作用過程、流動(dòng)不穩(wěn)定性等方面有著至關(guān)重要的作用[10]。相關(guān)研究表明全球的冰川躍動(dòng)趨于集中發(fā)生在一些特定地區(qū)，Sevestre and Benn[10]通過總結(jié)已有文獻(xiàn)記錄，獲得了包括全球躍動(dòng)冰川分布情況，形成了基于文獻(xiàn)整理的躍動(dòng)冰川數(shù)據(jù)集，并以屬性信息的形式收錄于Randolph Glacier Inventory (RGI) 6.0版[11]。值得注意的是，由于斯瓦爾巴群島和阿拉斯加-育空等環(huán)北極地區(qū)研究歷史悠久、相關(guān)文獻(xiàn)較豐富，RGI的躍動(dòng)記錄在這些區(qū)域具有很高的可信度。但是高亞洲地區(qū)冰川躍動(dòng)研究起步較晚，相關(guān)文獻(xiàn)不甚詳盡，多數(shù)區(qū)域仍可能存在未被探明的躍動(dòng)冰川。對于喀喇昆侖地區(qū)和帕米爾地區(qū)，有學(xué)者進(jìn)行了細(xì)致的躍動(dòng)冰川的空間觀測識(shí)別工作[12-14]，但僅為區(qū)域性研究成果。許艾文等對喀喇昆侖地區(qū)喬戈里峰附近的躍動(dòng)冰川進(jìn)行了全面的遙感監(jiān)測，并提出了導(dǎo)致躍動(dòng)發(fā)生的可能原因[15]。針對一些大型且造成災(zāi)害的躍動(dòng)事件也有學(xué)者開展了詳細(xì)的研究工作，例如2015年的帕米爾地區(qū)克拉牙依拉克冰川躍動(dòng)[16]、2014-2016年喀喇昆侖地區(qū)的Hisper冰川躍動(dòng)[17]。國內(nèi)相關(guān)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開展了高亞洲地區(qū)的躍動(dòng)冰川的識(shí)別工作，并已取得相關(guān)成果[18]，但目前尚未有覆蓋高亞洲地區(qū)的躍動(dòng)冰川數(shù)據(jù)集發(fā)布。

為了填補(bǔ)這一研究數(shù)據(jù)空白，本團(tuán)隊(duì)通過配準(zhǔn)及差分兩批覆蓋高亞洲地區(qū)的數(shù)字高程模型(DEM)，得到了一期冰川表面的高程變化數(shù)據(jù)，并結(jié)合2000-2016年冰川表面高程變化結(jié)果[15]以及20世紀(jì)70年代至今的歷史光學(xué)遙感影像，識(shí)別了該地區(qū)的躍動(dòng)冰川。經(jīng)過重新繪制躍動(dòng)冰川的最大輪廓，補(bǔ)充和完善名稱、地理位置、面積、高程、躍動(dòng)判斷依據(jù)等冰川屬性信息，最終獲得了高亞洲地區(qū)的躍動(dòng)冰川數(shù)據(jù)集。相比RGI基于文獻(xiàn)整理的躍動(dòng)記錄信息，本研究對于躍動(dòng)冰川的篩選標(biāo)準(zhǔn)是統(tǒng)一的，而且本數(shù)據(jù)集提供詳實(shí)的冰川躍動(dòng)判斷依據(jù)，以及最大躍動(dòng)冰川輪廓。本數(shù)據(jù)集可作為深入研究高亞洲地區(qū)冰川躍動(dòng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可作為該地區(qū)公共基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和建設(shè)的參考資料，還可為預(yù)防冰川躍動(dòng)造成居民生命財(cái)產(chǎn)損失提供可靠研究支撐。

基于研究的便利性考慮，依據(jù)冰川分布地區(qū)地理地形的差異，并結(jié)合前人的研究分區(qū)情況[2]，本研究將高亞洲拆為8個(gè)分區(qū)：天山山脈、帕米爾地區(qū)、興都庫什山脈、喀喇昆侖山脈、昆侖山脈、青藏高原內(nèi)部地區(qū)、喜馬拉雅地區(qū)、念青唐古拉山脈(圖1)。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

本數(shù)據(jù)集的生成主要使用了3種數(shù)據(jù)類型：光學(xué)遙感影像、DEM、冰川編目數(shù)據(jù)。光學(xué)遙感影像主要用于冰川邊緣輪廓提取、歷史躍動(dòng)事件的影像驗(yàn)證；DEM主要用于冰川表面高程信息及高程變化提??；冰川編目數(shù)據(jù)主要用于冰川邊界參照、DEM配準(zhǔn)輔助。

1.1.1 光學(xué)遙感影像

本研究收集了1972-2019年共2904景Landsat系列衛(wèi)星影像，具體數(shù)據(jù)情況見表1，影像的篩選原則為在確保數(shù)據(jù)時(shí)間連續(xù)性的前提下，盡量選擇云量較少、季節(jié)性積雪覆蓋較少的影像。Landsat系列影像是通過USGS的地球資源觀測科學(xué)中心(EROS，http://glovis.usgs.gov/)免費(fèi)獲取，為經(jīng)過輻射校正和幾何校正的Level 1級產(chǎn)品。谷歌地球高分辨率歷史影像主要用于輔助Landsat影像識(shí)別冰川邊緣輪廓和驗(yàn)證歷史冰川躍動(dòng)事件。

表1 Landsat系列衛(wèi)星影像參數(shù)及使用的數(shù)據(jù)量Table 1 Parameters and image numbers of used Landsat satellites

1.1.2 DEM

本研究中使用了覆蓋全高亞洲地區(qū)的SRTM DEM和AW3D30 DEM兩套DEM數(shù)據(jù)，以及一期DEM差分?jǐn)?shù)據(jù)。

SRTM DEM是現(xiàn)存發(fā)布最早的覆蓋全球陸表的DEM產(chǎn)品，是由2000年2月11日至22日奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)獲取的C波段雷達(dá)數(shù)據(jù)處理而得，第三版SRTM DEM最優(yōu)空間分辨率達(dá)1弧度秒(30 m)，其水平精度和垂直精度均優(yōu)于10 m[19]。本研究選擇以SRTM DEM代表2000年高亞洲地區(qū)冰川表面高程信息?？蓮拿绹詈骄?NASA)的Earthdata網(wǎng)站(https://earthdata.nasa.gov/)獲得SRTM DEM。

AW3D30 DEM是基于ALOS PRISM傳感器在2006-2011年拍攝的多視影像（約300萬景）通過立體像對技術(shù)處理后得到的全球陸表DEM產(chǎn)品，空間分辨率為1弧度秒(30 m)，垂直精度約為4.4 m。本研究使用的為2.1版本，相比于ASTER GDEM，AW3D30 DEM的數(shù)據(jù)精度更高，而且用于生成DEM的影像時(shí)間范圍(2006-2011)確定，因此本研究選取其與SRTM DEM配準(zhǔn)差分，獲得2000-2006～11高亞洲地區(qū)冰川表面高程變化數(shù)據(jù)。本數(shù)據(jù)集中相關(guān)高程、坡度、坡向信息也是由AW3D30 DEM 計(jì)算而來。AW3D30 DEM 可以通過日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(JAXA)網(wǎng)站(https://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/aw3d30/index.htm)申請獲得。

法國學(xué)者Fanny Brun博士利用Ames Stereo Pipeline(ASP)工具處理ASTER Level 1A級的5萬多景影像，得到了2000-2016年高亞洲地區(qū)時(shí)序DEM數(shù)據(jù)集，通過配準(zhǔn)及差分，得到了2000-2016高亞洲地區(qū)冰川表面高程變化數(shù)據(jù)[20]。該DEM差分?jǐn)?shù)據(jù)(FB DEM差分?jǐn)?shù)據(jù))的分辨率為30 m，基本能夠覆蓋高亞洲地區(qū)。

本研究將上述2000-2006～11和2000-2016兩期DEM差分?jǐn)?shù)據(jù)作為識(shí)別高亞洲地區(qū)躍動(dòng)冰川的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用以初步篩選躍動(dòng)冰川。使用的DEM數(shù)據(jù)量詳情見表2。

表2 高亞洲地區(qū)躍動(dòng)冰川識(shí)別使用的DEM數(shù)據(jù)量(幅)Table 2 DEM used for surge-type glaciers identification in the High Mountain Asia

1.1.3 冰川編目數(shù)據(jù)

本研究使用的冰川編目數(shù)據(jù)為RGI 6.0版本。RGI中的冰川輪廓的勾繪主要依據(jù)1999-2010年的遙感數(shù)據(jù)，其首要目的是確保覆蓋地球上所有冰川，約198000條冰川總面積為726800±34000平方千米(km2)，面積誤差主要來自對單一冰川面積的不確定性評估，以及與其他冰川編目的對比結(jié)果，對季節(jié)性積雪和冰磧物覆蓋的誤判是導(dǎo)致誤差的主要原因[21]。RGI可在網(wǎng)站http://www.glims.org/RGI免費(fèi)獲取。

由于冰川表面高程變化數(shù)據(jù)僅用于定性識(shí)別泄冰區(qū)和冰補(bǔ)給區(qū)的冰量得失，因此直接使用 RGI的冰川輪廓輔助DEM配準(zhǔn)工作，不需要對冰川輪廓進(jìn)行修正。而本數(shù)據(jù)集提供的冰川輪廓矢量文件是以RGI冰川輪廓為基礎(chǔ)，依據(jù)躍動(dòng)冰川在歷史影像中的最大輪廓重新勾繪而成。

1.2 數(shù)據(jù)采集方法

本研究識(shí)別躍動(dòng)冰川并生成數(shù)據(jù)集的步驟如下：(1)以 SRTM DEM 代表 2000年地表高程、AW3D30 DEM代表2006～11年地表平均高程，通過DEM配準(zhǔn)得到2000-2006～11年冰川表面DEM差分結(jié)果。結(jié)合2000-2006～11年和2000-2016年冰川表面DEM差分結(jié)果(FB DEM差分?jǐn)?shù)據(jù))，挑選表面存在異常升降現(xiàn)象的冰川為可能的躍動(dòng)冰川。(2)針對這些潛在的躍動(dòng)冰川，通過目視解譯冰川表面特征變化和末端的演化情況，逐一識(shí)別冰川躍動(dòng)事件，進(jìn)而確認(rèn)躍動(dòng)冰川。(3)最終利用ArcGIS軟件勾繪躍動(dòng)冰川的最大輪廓，計(jì)算位置、面積、高程、坡度、坡向等冰川屬性信息，合并RGI中相關(guān)屬性信息，得到高亞洲地區(qū)躍動(dòng)冰川數(shù)據(jù)集(圖2)。

1.2.1 躍動(dòng)冰川空間觀測識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)

20世紀(jì)中期，Meier and Post[22]在對北美洲西部冰川躍動(dòng)的研究中指出躍動(dòng)過程中冰川流速會(huì)急劇增加，可高出其平靜期流速的十倍至百倍；躍動(dòng)事件后，流速遠(yuǎn)低于周圍非躍動(dòng)冰川。Meier and Post[22]將冰川末端的快速劇烈前移也作為冰川躍動(dòng)事件的判斷標(biāo)準(zhǔn)之一，但末端位置的變化僅可作為判斷參考，因?yàn)樵诤笃趯W(xué)者的研究中發(fā)現(xiàn)并不是所有冰川躍動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致末端的前移[9,14]。此外，因流速快慢變化而形成的地貌特征也可作為冰川躍動(dòng)識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)之一，例如水滴狀表面冰磧物特征、縱橫交錯(cuò)的冰裂隙、翻卷褶皺的冰磧物、蛇形丘等[10,23-24]。以上標(biāo)準(zhǔn)即為Sevestre and Benn[10]在篩選全球冰川躍動(dòng)記錄所用的判斷標(biāo)準(zhǔn)。需要注意的是，由于可用文獻(xiàn)有限，其冰川躍動(dòng)記錄中并不是所有冰川均包含流速異常的記錄。

冰川躍動(dòng)會(huì)將上部泄冰區(qū)的大量冰體傳輸至下部的冰補(bǔ)給區(qū)，這種冰川系統(tǒng)的冰量重新分布會(huì)直接導(dǎo)致泄冰區(qū)高程降低、冰補(bǔ)給區(qū)高程增加，部分情況下冰補(bǔ)給區(qū)會(huì)沖出原有冰川末端邊界，導(dǎo)致冰川末端前移和冰川面積增加。躍動(dòng)事件結(jié)束后，泄冰區(qū)開始新一輪冰量積累、高程增加，而冰補(bǔ)給區(qū)在躍動(dòng)期間接收的冰體會(huì)在平靜期內(nèi)逐漸消融、高程降低。在相同的氣候條件下，臨近區(qū)域正常冰川的冰量變化和流速變化不會(huì)出現(xiàn)明顯的差異，因此，某一時(shí)段內(nèi)的冰川表面高程變化不僅可用于識(shí)別該時(shí)段內(nèi)發(fā)生的躍動(dòng)事件，也可用于識(shí)別可能在該時(shí)段前發(fā)生躍動(dòng)的冰川。本研究通過對比不同時(shí)間泄冰區(qū)和冰補(bǔ)給區(qū)的高程變化差異，初步挑選可能的躍動(dòng)冰川?？紤]到躍動(dòng)前后，冰川表面高程變化存在相同的可能，而且不同DEM在不同地區(qū)數(shù)據(jù)質(zhì)量不同，僅使用一期冰川表面高程數(shù)據(jù)來判別躍動(dòng)冰川存在遺漏的可能。因此本研究使用了2000-2006～11年和2000-2016年兩期DEM差分結(jié)果，以確保躍動(dòng)冰川初步篩選的完備性。圖3a、b和圖4a、b給出了kk149035_32和pm150033_17躍動(dòng)冰川的兩期表面高程變化，可見冰川躍動(dòng)會(huì)導(dǎo)致冰川表面高程發(fā)生明顯變化。目前已有部分區(qū)域性研究采用通過DEM差分結(jié)果識(shí)別躍動(dòng)冰川，并得到了較好的識(shí)別效果[13]。

針對初步篩選的躍動(dòng)冰川，本研究通過目視解譯1972-2019年的遙感影像中與躍動(dòng)相關(guān)的表面特征變化，確認(rèn)發(fā)生過的冰川躍動(dòng)事件。躍動(dòng)相關(guān)的圖像特征變化具體是指與臨近冰川相比，目標(biāo)冰川末端是否經(jīng)歷過快速前移、是否存在由流動(dòng)快慢振蕩導(dǎo)致的冰川表面特征變化(圖3a、b；圖4c、d)。冰川流速的異常變化也常被作為躍動(dòng)的識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)之一[22,25]。在高亞洲地區(qū)的冰川躍動(dòng)過程中，冰川流速急劇增加，會(huì)高出正常流速的十倍甚至百倍，并在躍動(dòng)后明顯降低[8,14]，這是唯一可以量化的判別躍動(dòng)冰川的標(biāo)準(zhǔn)，但考慮到現(xiàn)有覆蓋高亞洲地區(qū)的冰川流速產(chǎn)品較少，且其時(shí)空分辨率尚不能較好滿足躍動(dòng)過程的識(shí)別，因此本數(shù)據(jù)集的生成并未涉及相關(guān)的冰川流速數(shù)據(jù)。對于躍動(dòng)事件開始和結(jié)束時(shí)間的判斷，則是通過解譯歷史遙感影像中冰川表面裂隙、冰磧物覆蓋、冰川末端等冰川特征開始前移和停止前移的時(shí)間而確認(rèn)。若日后加入較理想的冰川流速產(chǎn)品，滿足識(shí)別冰川躍動(dòng)的時(shí)空分辨率，將有助于完善本數(shù)據(jù)集。

1.2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

SRTM DEM和AW3D30 DEM有不同的投影坐標(biāo)系統(tǒng)，空間信息的不匹配會(huì)使得DEM配準(zhǔn)過程失敗。因而，在配準(zhǔn)前，需將這兩套DEM數(shù)據(jù)以三次卷積內(nèi)插的方式重采樣至30 m，并投影于WSG84 World Mercator坐標(biāo)系。用于目視解譯的Landsat系列衛(wèi)星影像均為經(jīng)過正射校正的影像。為凸顯冰川邊緣，在后期對圖像進(jìn)行了增強(qiáng)處理。

1.2.3 DEM配準(zhǔn)

由于傳感器不穩(wěn)定、DEM處理方法局限、實(shí)地勘測情況不充分、后期 DEM處理步驟差異等，會(huì)導(dǎo)致不同源DEM數(shù)據(jù)之間存在偏差，主要體現(xiàn)在三個(gè)方面：地理定位的偏差、高程扭曲的偏差、衛(wèi)星軌道模式相關(guān)的偏差[26]。本研究采用一種三步修正法，逐步修正AW3D30 DEM和SRTM DEM之間的偏差[26]。在地形配準(zhǔn)工作前，冰川覆蓋地區(qū)的DEM需要使用RGI將其排除在外，批量配準(zhǔn)工作通過Ames Stereo Pipeline的dem_align工具完成[27]。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

高亞洲地區(qū)躍動(dòng)冰川數(shù)據(jù)集包含 5個(gè)數(shù)據(jù)文件，其中 3個(gè)矢量文件(STG_HMA.shp、STGlikely_HMA.shp、HMA_regionshape.shp)、2個(gè)表格文件(Attributes of STG.xlsx、Attributes of STGlikely.xlsx)。

HMA_regionshape.shp為高亞洲地區(qū)各分區(qū)矢量文件，可在其屬性表中查看各分區(qū)名稱。

每個(gè)躍動(dòng)冰川的最大輪廓均以多邊形的形式記錄于STG_HMA.shp文件中，并帶有相應(yīng)的屬性信息(表 3)。需要說明的是 STG_HMA_ID為本數(shù)據(jù)集對各躍動(dòng)冰川的命名，命名規(guī)則為XXZZZZZZ_YY。XX為該冰川所處研究分區(qū)名稱縮寫；ZZZZZZ為覆蓋該冰川位置的Landsat影像的行列號(hào)，即全球參考系World Wide Reference System(WRS)行列號(hào)；YY為該行列號(hào)區(qū)域中躍動(dòng)冰川的序號(hào)。例如kk148035_04代表在喀喇昆侖地區(qū)148列35行Landsat影像中識(shí)別的第4條躍動(dòng)冰川。Attributes of STG.xlsx為STG_HMA.shp對應(yīng)的躍動(dòng)冰川屬性信息表格文件，其中包含對各躍動(dòng)事件的判斷依據(jù)。

STGlikely_HMA.shp中記錄可能的躍動(dòng)冰川輪廓。由于在歷史影像中未觀測到躍動(dòng)事件，因此其屬性信息中未包含表 3中的 Ini_date、Ter_date和 Surge_dur。對于可能的躍動(dòng)冰川命名規(guī)則為likelyXXZZZZZ_YY，具體規(guī)則同上。Attributes of STGlikely.xlsx為STGlikely_HMA.shp對應(yīng)的屬性信息表格文件，其中包含判斷其為可能的躍動(dòng)冰川的依據(jù)。

表3 STG_HMA.shp文件中的屬性信息類別Table 3 Attribute information category of STG_HMA.shp

本數(shù)據(jù)集確認(rèn)了高亞洲地區(qū)發(fā)育的457條躍動(dòng)冰川，總的躍動(dòng)冰川面積為42906.46 km2。在研究期內(nèi)發(fā)生過躍動(dòng)的躍動(dòng)冰川有362條，其中天山地區(qū)32條，帕米爾地區(qū)134條，興都庫什地區(qū)6條，喀喇昆侖地區(qū)127條，昆侖山地區(qū)20條，青藏高原內(nèi)部地區(qū)35條，喜馬拉雅地區(qū)7條，念青唐古拉地區(qū)1條。這362條躍動(dòng)冰川從20世紀(jì)70年代至今發(fā)生了421次冰川躍動(dòng)事件。另外還有95條可能的躍動(dòng)冰川，其中天山地區(qū)5條，帕米爾地區(qū)5條，興都庫什地區(qū)8條，喀喇昆侖地區(qū)37條，昆侖山地區(qū)13條，青藏高原內(nèi)部地區(qū)23條，喜馬拉雅地區(qū)4條(圖5)。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

由于本研究使用的DEM數(shù)據(jù)和光學(xué)遙感影像分辨率較低，對于面積大于5 km2的躍動(dòng)冰川具有較好的識(shí)別效果，但對于面積小于 5 km2的躍動(dòng)冰川識(shí)別效果較差。本研究盡可能多地獲取遙感影像，以控制躍動(dòng)事件起止年份的識(shí)別誤差在一年之內(nèi)，但由于可用遙感影像有限和人工識(shí)別的誤差，對于少部分躍動(dòng)事件起止年份的識(shí)別可能會(huì)超過一年。

本研究使用的SRTM DEM水平精度和垂直精度均優(yōu)于10 m[19]，AW3D30 DEM垂直精度約為4.4 m。在高亞洲的高山高原地區(qū)，現(xiàn)有DEM產(chǎn)品的總體精度會(huì)相對低于其他地區(qū)，但已有研究表明通過配準(zhǔn)AW3D30 DEM和SRTM DEM來識(shí)別躍動(dòng)冰川是可行的[13]。為了去除AW3D30 DEM和SRTM DEM之間的偏差，本研究采用Nuth and Kaab的方法，對兩套DEM之間的地理定位的偏差、高程扭曲的偏差、衛(wèi)星軌道模式相關(guān)的偏差配準(zhǔn)進(jìn)行配準(zhǔn)校正[26]。配準(zhǔn)結(jié)果的精確與否直接決定了冰川高程變化結(jié)果的可信度。假設(shè)非冰川區(qū)域在研究期內(nèi)應(yīng)無明顯變化，那么配準(zhǔn)后非冰川區(qū)域的偏差將直接反映配準(zhǔn)的質(zhì)量。圖6為AW3D30 DEM - SRTM和FB DEM差分?jǐn)?shù)據(jù)的兩期數(shù)據(jù)在非冰川區(qū)域的對比圖。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，這兩期DEM差分結(jié)果在非冰川區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)差均接近0值。雖然在不同DEM數(shù)據(jù)在山地區(qū)域的配準(zhǔn)結(jié)果存在較明顯偏差，但并不影響對個(gè)體冰川表面高程變化的定性識(shí)別(圖 3、圖 4)。

冰川末端的冰磧物覆蓋會(huì)嚴(yán)重影像冰川邊界的識(shí)別，而且手動(dòng)勾繪冰川輪廓也會(huì)增加結(jié)果的不一致性和不可重復(fù)性[28]。本研究使用輪廓測量誤差評估方法[29]，分別針對同一冰川和不同大小不同區(qū)域的多條冰川，結(jié)合Landsat影像和谷歌地球高分辨率影像的特征辨別冰川末端的變化，多次重復(fù)描繪冰川邊緣輪廓，測量冰川末端變化（表4）及冰川面積（表5），并將結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差平均值作為相應(yīng)冰川屬性信息的誤差。最終得到冰川末端變化測量的誤差為15.70 m，人工修正冰川輪廓后冰川面積測量的誤差近于1.42%。

表4 冰川末端變化測量誤差統(tǒng)計(jì)表Table 4 Error statistics of glacial terminal change measurement

表5 冰川面積測量誤差統(tǒng)計(jì)表Table 5 Error statistics of glacial area measurement

為了確保數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)確性，我們將本數(shù)據(jù)集與高亞洲地區(qū)相關(guān)的躍動(dòng)冰川數(shù)據(jù)集進(jìn)行了對比。需要注意的是，由于不同研究所用方法、數(shù)據(jù)、研究期跨度存在差異，使得對比工作存在一定困難[30]，而且不同研究記錄躍動(dòng)事件及識(shí)別躍動(dòng)冰川輪廓的方式不同，因此為了便于對比統(tǒng)計(jì)，我們整理了多個(gè)基于遙感研究得到的躍動(dòng)冰川數(shù)據(jù)集，并將其與RGI冰川輪廓對應(yīng)，統(tǒng)計(jì)各研究識(shí)別的躍動(dòng)冰川數(shù)量，這其中包括RGI 6.0中記錄的躍動(dòng)冰川，以及多個(gè)區(qū)域性躍動(dòng)冰川數(shù)據(jù)集(表6)。表6中本數(shù)據(jù)集的躍動(dòng)冰川數(shù)量也為對應(yīng)的 RGI冰川數(shù)量。RGI 6.0中的躍動(dòng)冰川信息均來自 Sevestre and Benn[10]，其中記錄了兩類躍動(dòng)冰川信息：可能的(1 Possible和2 Probable)、確認(rèn)的(3 Observed)[11]。在高亞洲地區(qū)，RGI未記錄可能的躍動(dòng)冰川，僅記錄了102條確認(rèn)的躍動(dòng)冰川，遠(yuǎn)低于本研究中記錄385條確認(rèn)的躍動(dòng)冰川和95條可能的躍動(dòng)冰川。Goerlich等[13]和Mukherjee等[31]使用了與本研究相似的識(shí)別躍動(dòng)冰川的方法，即判別冰川末端是否前移和冰川表面高程變化，分別識(shí)別了帕米爾地區(qū)的202條躍動(dòng)冰川和天山地區(qū)的39條躍動(dòng)冰川。Mukherjee等[31]在天山地區(qū)的研究結(jié)果與本研究結(jié)果(33+5)相似，Goerlich等[13]在帕米爾地區(qū)的研究結(jié)果多出本研究結(jié)果(150+5)約47條，這可能是因?yàn)樵撗芯渴褂玫臄?shù)據(jù)分辨率較高、時(shí)間跨度較長，對于一些小型躍動(dòng)冰川和持續(xù)時(shí)間較長的冰川躍動(dòng)有較好的識(shí)別度。Bhambri等[12]基于1840s至2017年的實(shí)地考察數(shù)據(jù)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)，通過判別冰川末端、表面流速和表面特征的變化，識(shí)別了喀喇昆侖地區(qū)的172條躍動(dòng)冰川，與本研究得到的研究結(jié)果(137+37)相似，2組躍動(dòng)冰川數(shù)據(jù)在空間分布上有些許出入，這可能是因?yàn)锽hambri等[12]的研究時(shí)間跨度較長，對于獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)之前發(fā)生的躍動(dòng)有較好的識(shí)別性，而本研究使用的遙感數(shù)據(jù)較多樣，可以較好地識(shí)別近年來發(fā)生的躍動(dòng)事件。Yasuda and Furuya[32]通過研究昆侖山部分地區(qū)冰川末端和冰川表面流速的變化識(shí)別了9條躍動(dòng)冰川，少于本研究識(shí)別的數(shù)量(20+13)。以上對比結(jié)果表明本數(shù)據(jù)集有較高的質(zhì)量和可信度。

表6 與其他數(shù)據(jù)集識(shí)別的躍動(dòng)冰川數(shù)量對比Table 6 Comparison of surge-type glacier numbers between this study and other inventories

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

本研究通過空間觀測手段，依據(jù)冰川表面高程和表面特征變化情況，識(shí)別了高亞洲地區(qū)的躍動(dòng)冰川。本數(shù)據(jù)集可作為深入研究高亞洲地區(qū)冰川躍動(dòng)機(jī)理和山地冰川演化過程的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可作為該地區(qū)公共基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和建設(shè)的參考資料，還可為預(yù)防冰川躍動(dòng)造成當(dāng)?shù)丶跋掠尉用竦纳?cái)產(chǎn)損失提供可靠的支撐材料。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集中矢量文件的地理坐標(biāo)系均為WGS-1984，可用ArcGIS等GIS軟件查閱使用。研究人員可根據(jù)需要靈活選擇部分地區(qū)或全部地區(qū)的躍動(dòng)冰川數(shù)據(jù)，以補(bǔ)充其現(xiàn)有研究；也可針對數(shù)據(jù)集中記錄的躍動(dòng)事件，開展躍動(dòng)機(jī)理的深入研究。

致 謝

本項(xiàng)目受中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（A類）（XDA19070202）資助。感謝中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院劉廣研究員提供的寶貴意見和建議，感謝USGS的EROS提供的Landsat系列衛(wèi)星影像，感謝NASA和JAXA提供的SRTM DEM和AW3D30 DEM，感謝Fanny Brun博士提供的2000-2016高亞洲地區(qū)冰川表面高程變化數(shù)據(jù)，感謝GLIMS提供的6.0版RGI數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

呂明陽（1991—），男，吉林省松原市人，博士，助理研究員，研究方向?yàn)楸鶅鋈b感。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)收集與處理，躍動(dòng)冰川篩選與識(shí)別，躍動(dòng)冰川最大輪廓勾繪，論文撰寫。

郭華東（1950—），男，江蘇省徐州市人，博士，研究員，研究方向?yàn)檫b感理論與數(shù)字地球。主要承擔(dān)工作：研究方案設(shè)計(jì)，論文修改。

閆世勇（1982—），男，江蘇省徐州市人，博士，副教授，研究方向?yàn)槔走_(dá)遙感應(yīng)用研究。主要承擔(dān)工作：研究方案設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)處理，論文撰寫及修改。

李冠宇（1999—），男，山東省滕州市人，碩士研究生，研究方向?yàn)闃O地遙感。主要承擔(dān)工作：冰川屬性信息整理，數(shù)據(jù)集信息校對。

蔣迪（1997—），女，陜西省西安市人，博士研究生，研究方向?yàn)闃O地遙感。主要承擔(dān)工作：躍動(dòng)冰川最大輪廓勾繪，數(shù)據(jù)集信息校對。

張豪磊（1998—），男，浙江省紹興市人，碩士研究生，研究方向?yàn)槔走_(dá)遙感。主要承擔(dān)工作：冰川屬性信息整理，數(shù)據(jù)集信息校對。

張子彥（1999—），男，江蘇省常州市人，碩士研究生，研究方向?yàn)槔走_(dá)遙感。主要承擔(dān)工作：冰川屬性信息整理，數(shù)據(jù)集信息校對。