2000-2019 年三江源地区冰川矢量数据集

张圆，姚晓军＊，周苏刚，张大弘

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

山地冰川是冰冻圈的重要组成部分[1]，被称为固体水库和气候变化的天然指示器[2-3]，对区域生态系统和环境具有重要影响[4-6]。青藏高原是全球中低纬度地区最大的现代冰川分布区，也是全球变暖最强烈的地区之一[7-9]。已有研究表明，自20 世纪80 年代以来，青藏高原大部分地区冰川处于退缩状态，且近年来退缩速率呈加快趋势，对江河径流变化产生直接影响[10-12]。三江源地区地处青藏高原腹地，发育有数量众多的冰川，是长江、黄河和澜沧江（境外称湄公河）的发源地（图1）。习近平总书记在2016 年1 月5 日和2018 年4 月26 日分别召开的推动长江经济带建设座谈会上指出，“要从生态系统整体性和长江流域系统性出发，开展长江生态环境大普查，系统梳理和掌握各类生态隐患和环境风险，做好资源环境承载能力评价，对母亲河做一次大体检”。2019 年9 月18 日，在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上习近平总书记再次强调，“黄河流域在我国经济社会发展和生态安全方面具有十分重要的地位。要坚持绿水青山就是金山银山的理念，坚持生态优先、绿色发展，以水而定、量水而行。”2018 年1 月12 日，国家发展改革委印发三江源国家公园总体规划通知（http://www.gov.cn/xinwen/2018-01/17/content_5257568.htm），首次明确了三江源国家公园的规划范围，将雪山冰川纳入核心保育区，并采取严格保护模式，着力提高其水源涵养功能和保护固态水源。因此，查清三江源地区冰川资源现状及变化特征不仅对于认识气候变化对冰川的影响具有重要的理论价值，而且对于该地区生态环境保护和水资源合理利用具有重要的现实意义。

图1 三江源地区

1 数据采集和处理方法

1.1 数据源

本数据集主要基于Landsat Thematic Mapper（Landsat TM）、Landsat Operational Land Imager（Landsat OLI）遥感影像和数字高程模型（DEM）数据产生。其中，Landsat TM/OLI 遥感影像从美国地质调查局网站（https://earthexplorer.usgs.gov）下载获得，包括69 景Landsat TM 遥感影像（采集时间主要为2000 年和2010 年）和22 景Landsat OLI 遥感影像（采集时间为2017-2019 年），前者空间分辨率为30 m，后者空间分辨率为15 m（经与全色波段融合处理），二者用于冰川区遥感解译。为减少积雪影响，选取的Landsat TM/OLI 影像采集时间集中在冰川消融期（6-9 月）。对于个别区域当年无质量较好的遥感影像，采用相邻年份的遥感影像代替。表1 列出了本数据集所选用的Landsat TM/OLI 遥感影像基本信息，为便于表述，根据遥感影像时间分布频次，分别用2000 年、2010 年和2019 年作为3 个时期的时间表征。DEM 数据用于分割出单条冰川，所用数据为SRTM 1 弧秒数据，空间分辨率为30 m，由美国地质调查局网站（https://earthexplorer.usgs.gov）提供。此外，本数据集在制作时参考了中国第二次冰川编目中三江源地区的冰川矢量数据，从国家青藏高原科学数据中心（http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/）获得[13]。

表1 2000-2019 年三江源地区冰川解译所用的Landsat TM/OLI 遥感影像基本信息

轨道号2000 年 2010 年 2019 年传感器 成像日期 传感器 成像日期 传感器 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 数据处理过程

2000 年三江源地区冰川边界提取过程如图2 所示，该方法类似于中国第二次冰川编目方法[14]，具体步骤如下：

（1）波段比值：使用Landsat TM 遥感影像的红波段（Band 3）与短波红外波段（Band 5）相比，得到比值图像（图2A）。

（2）人工交互方式确定阈值：使用阈值对比值图像进行分割，以去除边界模糊像元。经过不断尝试，发现最佳阈值范围介于1.8-2.0，不同区域最佳阈值不尽相同，图2B 所示区域阈值为1.95。

（3）中值滤波处理：由于阈值分割后二值图像中存在雪斑和由冰面上岩石造成的小空隙，因此需使用中值滤波器（窗口大小为3×3，单位为像元大小）进行处理，结果如图2C 所示。

（4）数据结构转换：将冰川区二值图像（栅格形式）转换为矢量多边形，转换结果如图2D 所示。

（5）人工目视修订：基于Landsat TM/OLI 假彩色合成影像（Landsat TM: Band 5, 4, 3; Landsat OLI: Band 6, 5, 4），以冰川融水源头、冰川湖泊、终碛垄等为主要参考依据对冰川表碛分布区和冰川末端进行人工修订。例如图2D 所示的部分冰川末端冰川终碛湖（图2d）被误判为冰川组成，经人工目视修订后该冰川终碛湖与冰川接触部分被修改为冰川末端（图2e）。

（6）单条冰川划分：使用SRTM 1 弧秒数据和ArcGIS 中水文分析工具提取山脊线，对修订后的冰川边界进行分割，得到单条冰川边界（图2F）。

图2 三江源地区冰川边界提取过程

（7）冰川属性录入：参考中国第二次冰川编目数据集[13]，在冰川矢量数据属性表中分别录入冰川的标识码，名称，经纬度，所在山系名称，所在的一、二级流域编码及名称，所在市（自治州）的行政区划代码及名称，最高海拔、最低海拔、中值海拔，朝向，面积，冰储量，卫星传感器名称、卫星轨道号和影像获取日期。其中，冰川名称及其所在流域编码和名称源于中国第二次冰川编目数据集[13]；冰川经纬度为其质心地理坐标；冰川所在山系名称源于文献[15]；冰川所在市（自治州）的行政区划代码及名称以中华人民共和国民政部网站的“2020 年中华人民共和国行政区划代码”（http://www.mca.gov.cn/article/sj/xzqh/2020/）为参考；冰川地形属性基于SRTM 1 弧秒数字高程模型数据计算得到；冰川面积和冰储量分别利用ArcGIS 中的计算几何和字段计算器功能得到，其中后者为Radic 等[16]、Grinsted[17]和Liu 等[18]分别提出的冰川冰储量-面积经验公式计算结果的平均值。

为提高工作效率及保障冰川矢量数据的一致性，三江源地区2010 年和2019 年冰川边界采用人工修订方式进行提取，具体方法是以当年Landsat TM/OLI 假彩色合成影像为底图，将2000 年冰川边界叠加其上通过人工目视解译获得。

1.3 误差评估

冰川遥感解译的误差来源多样[19-20]。鉴于本数据集中的冰川轮廓矢量数据通过人工修订获得，因此仅对由遥感影像空间分辨率造成的误差进行评估，其中冰川面积误差计算公式为：

式中，ε为遥感影像空间分辨率造成的误差（m2）；N为冰川轮廓周长（m）；L为遥感影像单个像元边长（Landsat TM 为30 m，Landsat OLI 为15 m）。

冰川冰储量误差为3 种冰川冰储量-面积经验公式[16-18]计算结果最大值与最小值差值的平均值。

2 数据样本描述

2.1 数据样本概述

2000 年三江源地区共有冰川1294 条，总面积为1429.41±78.94 km2，冰川总储量为101.12±5.53 km3；2010 年三江源地区共有冰川1252 条，总面积为1325.64±70.67 km2，冰川总储量为95.15±5.11 km3；2019 年三江源地区共有冰川1238 条，总面积为1217.96±34.65 km2，冰川总储量为87.66±4.68 km3。由图3 可知，三江源地区冰川数量以面积小于0.5 km2的冰川为主，而冰川面积则以面积介于5-20 km2的冰川为主。虽然面积小于0.5 km2的冰川数量最多（850 条，68.66%），但面积仅为136.80 km2，占冰川总面积的11.23%。随着冰川面积增加，冰川数量急剧减少，面积大于50 km2的冰川仅有1 条（51.19±0.54 km2）。

图3 2019 年三江源地区不同面积等级的冰川数量和面积

表2 列出了2019 年三江源地区各流域冰川数量、面积及冰储量。显然，长江流域冰川资源量最多，其冰川数量（869 条）、面积（1010.55±26.39 km2）和冰储量（75.37±4.00 km3）分别占三江源冰川各自总量的70.19%、82.97%和85.97%。黄河流域（不包含其北支的大通河流域）的冰川数量（94条）和面积（96.60±3.07 km2）虽不及澜沧江流域（冰川数量和面积分别为275 条、110.80±5.19 km2），但前者冰储量（7.20±0.36 km3）却大于后者（5.09±0.31 km3）。这主要与阿尼玛卿山发育数条面积较大的冰川有关，如哈龙冰川（20.22±0.32 km2）、耶和龙冰川（16.62±0.27 km2）和维格勒当雄冰川（11.31±0.23 km2）。在二级流域中，隶属于长江流域的金沙江流域冰川数量、面积和冰储量最多（大），而岷江流域冰川资源量最少。

表2 2019 年三江源地区各流域冰川统计

一级流域 二级流域 冰川数量 冰川面积 冰储量名称 编码 名称 编码 条 (%) (km2) (%) (km3) (%)合计 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澜沧江 5L 扎曲 5L4 209 16.88 90.38±4.15 7.42 4.20±0.25 4.79合计 275 22.21 110.80±5.19 9.10 5.09±0.31 5.81

2.2 数据图形样本

2000-2019 年三江源地区冰川退缩、前进、分裂或完全消失同时存在。图4(a1-3)展示了三江源地区面积最大的冰川（质心地理坐标： 91.10°E, 33.50°N）在不同时期的轮廓。2001 年该冰川面积为53.10 km2，因冰川东支末端前进，致使其2010 年面积增加为53.47 km2，之后随着冰川西支快速退缩至2019 年面积减少为51.19 km2。图4(b1-3)为一条冰川分离为多条冰川示例，该冰川位于金沙江流域，质心地理坐标为（92.71°E，32.78°N），2000 年面积为1.36 km2，随着冰川末端退缩，至2011年分离为3 条冰川，面积分别为0.90 km2、0.12 km2和0.05 km2；之后冰川持续萎缩，3 条冰川面积分别减少为0.82 km2、0.09 km2和0.03 km2；2000-2019 年冰川面积共减少0.42 km2（30.88%）。

图4 冰川图形样本

2.3 数据属性表

2000-2019 年三江源地区冰川边界矢量属性表由20 个字段构成（表3），反映了各条冰川的基本属性信息。其中，ID 为冰川标识码；Name 为冰川名称；Longitude 和Latitude 分别表示冰川质心的经度和纬度；Mountain 为冰川所在山系名称；Drng1_Code 和Drng1_Name 分别表示冰川所属的一级流域编码和名称；Drng2_Code 和Drng2_Name 分别表示冰川所属的二级流域编码和名称；Munic_Code 和Munic_Name 表示冰川所在市（自治州）的行政区划代码和名称；Area 为冰川面积；Volume 为冰川冰储量；Max_Elev、Min_Elev 和Mid_Elev 分别表示冰川最高海拔、最低海拔和中值海拔；Aspect 为冰川朝向（分为N、NE、E、SE、S、SW、W 和NW 共8 个方向）；Sensor 为卫星传感器名称；Orbit 为卫星轨道号；Date 为影像获取日期。

表3 2000-2019 年三江源地区冰川矢量数据集属性表说明

2.4 Excel 数据表

“三江源地区2000-2019 年冰川变化统计表”以Excel 文件形式提供，按黄河流域、长江流域和澜沧江流域依次列出逐条冰川的面积变化信息，包括序号、冰川质心经纬度、流域编码和名称、市级行政区划代码和名称、不同年份（2000 年、2010 年和2019 年）的冰川面积、不同时期冰川面积变化（2000-2010 年、2010-2019 年和2000-2019 年）和备注等信息。其中，冰川面积及变化数值均保留4 位小数，单位为km2；对于在研究时段内发生分裂的冰川，其面积变化数值为分裂后形成多条冰川面积之和与分裂前冰川面积的差值；备注栏列出了主要的冰川变化特征，如冰川前进、分裂、消失等。

3 数据质量控制与评估

本数据集选用冰川消融期的Landsat TM/OLI 遥感影像，该时段遥感影像受积雪影响最小，且影像云覆盖率均小于10%，最大程度降低了积雪和云覆盖对冰川遥感解译的影响。第1.3 节列出了本数据集的误差评估方法。对于表碛覆盖型冰川，其面积通常较大，本研究首先挑选出所有面积大于5 km2的冰川，然后根据相近时段Landsat TM/OLI 遥感影像和Google Earth 中的高分辨率影像，结合判读标志（如颜色、纹理、冰碛垄、冰川湖泊分布情况和冰川融水出水口位置等），通过人工目视解译出冰川表碛覆盖区[13,21]。图5a 为波段比值法结果（冰川裸冰区），根据冰川融水出水口位置和冰碛纹理特征，通过人工目视解译对冰川边界进行修订，结果如图5b 所示。同时，本数据集的主要工作人员参与了中国第二次冰川编目工作，具有较丰富的冰川遥感解译经验，这在一定程度上保障了数据质量。

图5 表碛覆盖型冰川边界修订

4 数据价值

冰川作为三江源地区“山水林田湖草生命共同体”的重要组成部分，在自然资源普查、水资源管理和生态环境保护中扮演着重要角色。本数据集3 期（2000 年、2010 年和2019 年）冰川边界矢量数据反映了三江源地区冰川分布现状和近20 年的时空变化特征，可作为该地区冰川变化相关研究的基础数据，也可为冰川水资源评估、冰川与气候变化间响应关系等研究提供数据支持。

5 数据使用方法和建议

Glacier_outlines_TRH.zip 解压后为ERSI Shapefile 文件，地理坐标系为WGS-1984，投影坐标系为Albers 等积投影，可通过ArcGIS 等GIS 软件读取和编辑，同时也可根据具体研究需要，参考最新遥感影像数据源，对2019 年冰川矢量数据进行更新修改，以延长数据时序。Glacier_change_TRH.zip解压后为Excel 文件，反映了三江源地区2000-2019 年逐条冰川的面积变化状况，可根据所提供的经纬度坐标值与冰川矢量数据配合使用。

数据作者分工职责

张圆（1997—），男，辽宁沈阳人，硕士研究生，研究方向为GIS 设计与开发。主要承担工作：数据收集、处理和文稿撰写。

姚晓军（1980—），男，山西夏县人，博士，教授，研究方向为地理信息技术与冰冻圈变化。主要承担工作：研究思路设计、数据质量控制和文稿撰写。

周苏刚（1995—），男，甘肃平凉人，硕士研究生，研究方向为GIS 设计与开发。主要承担工作：数据收集和处理。

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