1977-2018 年柴达木盆地冰川矢量数据集

周苏刚，姚晓军＊，张圆，张大弘，段红玉

1. 西北师范大学地理与环境科学学院，兰州 730070

2. 西北大学城市与环境学院，西安 710027

引 言

冰川是冰冻圈的重要组成部分，是淡水资源的固体水库[1-2]。冰川变化与区域气候关系密切，被视作气候变化的天然指示器和预警器[2-3]。20 世纪80 年代以来，我国冰川作用区普遍处于物质亏损状态，呈退缩减薄趋势[4]。据中国第一、二次冰川编目数据，冰川面积退缩约17.7%，冰储量损失约20%[3]。在全球变暖背景下，冰川萎缩对全球及区域气候、生态系统、水资源变化、海平面上升以及人类生产生活产生重大影响[5-7]，而且加剧冰崩、冰湖溃决洪水或泥石流等灾害的发生频次及影响范围[7-9]。柴达木盆地地处西北干旱区（图1），冰川及其融水作为重要的水资源，对于维系其脆弱的生态环境和社会经济可持续发展具有重要影响[10]。因此，明晰柴达木盆地冰川现状、变化及其对气候变化的响应具有重要意义。本文基于柴达木盆地1977-2018 年Landsat 遥感影像提取冰川矢量边界数据集，可为研究该区域冰川变化提供数据支撑，也可为全面认识柴达木盆地在气候变暖背景下冰川的响应规律及区域水资源合理利用提供科学依据。

图1 柴达木盆地冰川分布

1 数据采集和处理方法

1.1 数据源

本研究所采用的遥感影像为Level-1 级Landsat MSS/TM/OLI 数据，由美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS）网站（https://earthexplorer.usgs.gov）获取，为减小不用时期冰川变化误差及积雪、云对冰川区范围提取的影响，尽可能选取研究区6-9 月质量较好的影像，最终选取1972-1978 年、1996-2002 年、2015-2019 年3 个时期的影像，其中，1972-1978 年影像共19 景，均为Landsat MSS 遥感影像；1996-2002 年影像共37 景，均为Landsat TM 遥感影像；2015-2019 年影像共26 景，均为Landsat OLI 遥感影像（表1）。为便于描述，分别以所用影像冰川面积最大的年份1977 年、2002 年、2018 年代表3 个时期的年份。其中，1977 年部分区域6-9 月影像质量较差，因此选取其他月份质量较好的影像提取冰川边界。冰川高程信息提取采用ASTER GDEM V2 数据，空间分辨率为30 m，从地理空间数据云（http://www.gscloud.cn）获取。

表1 1977-2018 年柴达木盆地冰川边界提取所用Landsat 遥感影像

轨道号轨道号成像日期 传感器path row path row成像日期 传感器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 数据处理过程

本数据集参照中国第二次冰川编目方法[11]提取1977 年、2002 年和2018 年柴达木盆地冰川矢量数据。首先采用波段比值并结合人工交互式方法，快速提取裸冰区冰川边界二值图像，并转为矢量多边形，依据冰川编目和Google Earth 历史影像对其边界进行修订和检查，对表碛区冰川边界通过影像色彩和纹理特征、冰面湖的分布、冰川末端水文特征以及冰川两侧地形和水系特征进行人工目视提取，具体过程参考中国第二次冰川编目中对表碛区边界的提取[11]。然后利用ASTER GDEM 高程数据提取山脊线，具体提取方法参照文献[12]，用提取的山脊线分割修订后的冰川矢量边界以得到单条冰川[7,13]（图2）。

图2 柴达木盆地冰川矢量数据提取技术路线

2 数据样本描述

2.1 数据属性表

1977-2018 年柴达木盆地冰川矢量数据集属性表共包含15 个字段（表2），反映了各冰川编码、名称等基本信息。其中，ID 为标识码；Name 为冰川名称，参考地形图和冰川编目数据；GLIMS_ID为冰川编码，与第二次冰川编目方法一致；Province 为冰川所在省份；City 为冰川所在市（州）；Mountain 为冰川所属山系；Image 为冰川边界提取所用遥感影像及时间；Longitude 和Latitude 为冰川质心所在经度和纬度；Basin_1、Basin_2 和Basin_3 表示冰川所在一级、二级和三级流域；Max_Elev和Min_Elev 为冰川最高点与最低点高程值；Area 为冰川面积[7,13-15]。

表2 1977-2018 年柴达木盆地冰川矢量数据集属性表说明

序号 字段名称 数据类型 字符长度 字段描述10 Basin_1 Text 4 冰川所在一级流域11 Basin_2 Text 6 冰川所在二级流域12 Basin_3 Text 8 冰川所在三级流域13 Max_Elev Short Integer 4 最高点海拔14 Min_Elev Short Integer 4 最低点海拔15 Area Float 6 冰川面积

2.2 数据样本概述

1977 年柴达木盆地共有冰川2148 条，面积2031.62 km2；2002 年共有冰川2094 条，面积1862.68 km2；2018 年共有冰川2050 条，面积为1693.54 km2。1977-2018 年柴达木盆地冰川整体处于退缩的状态（图3a），部分冰川完全消失（图3b）和发生分裂（图3c）。

1977-2018 年，柴达木盆地有177 条冰川消失，面积为21.25 km2，68 条冰川分裂为146 条，面积由122.76 km2减少为99.80 km2。近50 年，柴达木盆地冰川面积减少338.08 km2（-8.12 km2/a），相对变化速率为-0.44%/a。其中，1977-2002 年柴达木盆地105 条冰川消失，45 条冰川分裂为96 条，冰川面积减少168.94 km2（-8.32%），面积变化相对速率为-0.36%/a。2002-2018 年，共有82 条冰川消失，35 条冰川分裂为73 条，冰川面积减少169.14 km2（-9.08%），面积变化相对速率为-0.54%/a。显然，1977-2002 年和2002-2018 年冰川数量和面积均呈减少趋势，且2002-2018 年冰川面积退缩较1977-2002 年呈加快趋势。

图3 冰川退缩、消失和分裂

3 数据质量控制和评估

冰川边界提取精度受多种因素的影响，主要受遥感传感器和影像配准以及人工目视解译中视觉判断造成的像元偏移误差[4,16-17]。而本数据集仅考虑影像空间分辨率所造成的误差[7,14,16]：

式中：β为影像空间分辨率所造成的误差（m2），N为冰川轮廓的周长（m），A 为单个像元的边长（Landsat MSS/TM/OLI 分别为60 m、30 m 和15 m）。结果显示，由Landsat MSS/TM/OLI 影像分辨率所造成的误差分别为±163.47 km2、±86.07 km2和±40.96 km2，分别占柴达木盆地冰川总面积的±8.2%、±4.6%和±2.4%。

4 数据价值

本数据集提取的柴达木盆地1977 年、2002 年和2018 年冰川矢量边界均参照第二次冰川编目的方法。1977 年冰川矢量数据可弥补第一次冰川编目数据中出现的漏编和误编等情况，2002 年冰川矢量数据可反映21 世纪初柴达木盆地冰川状态，2018 年冰川矢量数据能够反映近期柴达木盆地冰川现状。3 期冰川矢量边界可为分析近50 年柴达木盆地冰川的动态变化和探讨冰川变化对气候变化的响应规律以及区域水资源合理利用等研究提供基础数据。

5 数据使用方法及建议

本数据集3 期数据均采用Shapefile 矢量数据格式存储，可在ArcMap 和ENVI 等图像处理软件中打开，同时可进行数据查询、编辑等操作，3 期数据均采用WGS-1984 地理坐标系和Albers 投影坐标系。

数据作者分工职责

周苏刚（1995—），男，甘肃静宁县人，硕士研究生，主要研究方向为GIS 设计与开发。主要承担工作：遥感影像收集和处理，冰川边界提取及论文撰写。

姚晓军（1980—），男，山西夏县人，博士，教授，主要研究方向为地理信息技术与冰冻圈变化。主要承担工作：总体研究方案设计及数据质量控制。

张圆（1997—），男，辽宁法库县人，硕士研究生，主要研究方向为GIS 设计与开发。主要承担工作：遥感影像收集和冰川边界提取。

张大弘（1993—），男，甘肃平凉人，硕士研究生，主要研究方向为GIS 设计与开发。主要承担工作：数据质量控制。

段红玉（1993—），女，甘肃临洮人，博士研究生，主要研究方向为地理信息技术与冰冻圈变化。主要承担工作：数据质量控制。

致 谢

感谢美国地质调查局（USGS）提供Landsat MSS/TM/OLI 影像数据，感谢地理空间数据云提供ASTER GDEM 数据。