2016年冈底斯山冰川矢量数据集

刘娟，姚晓军＊，曹娟，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

引 言

冰川作为冰冻圈的重要组成部分[1]，是重要的固体淡水资源，对区域社会经济发展、生态系统和环境均有重要影响[2-3]。冰川变化与气候变化关系密切，是区域气候变化的“指示器”[4]。青藏高原被誉为世界第三极，是中低纬度地区最大的现代冰川和第四纪冰川分布区，且冰川主要分布于昆仑山、喜马拉雅山、喀喇昆仑山、祁连山、横断山、唐古拉山、帕米尔高原以及念青唐古拉山等高山、极高山地区[5-6]。20世纪以来青藏高原冰川呈退缩趋势，且近年来有加剧的态势[7]。在气候变暖背景下，冰川的退缩不仅对区域水资源和海平面上升有重要影响[8-9]，且加剧了冰湖溃决洪水和泥石流等自然灾害的发生[10-11]。冈底斯山作为我国季风区与非季风区分界线的一部分，也是青藏高原南北重要的地理界线，亦是高原外流水系与内流水系的重要分水岭[12]。因此，认清其冈底斯山冰川变化及其对气候变化的响应有着重要意义。本文基于修订后的中国第一、二次冰川编目数据和2015-2016年Landsat OLI遥感影像提取2016年冈底斯山冰川矢量数据集，可作为冈底斯山冰川变化的基础数据，从而为认识该区域冰川水资源变化及其冰冻圈灾害演化趋势提供科学依据。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据源

2016年冈底斯山冰川矢量数据所采用的数据源为13景Landsat OLI遥感影像（表1），在地理空间数据云（http://www.gscloud.cn）和美国地质调查局（USGS）网站（http://glovis.usgs.gov/）下载获得，其中11景遥感影像采集时间为2016年，2景为2015年。2016年冰川矢量数据所用的数字高程模型（DEM）数据是ASTER GDEM数据，空间分辨率为30 m，用于提取冰川几何参数及单条冰川划分，该数据从地理空间数据云下载获得。同时，参考修订后的中国冈底斯山第一、二次冰川编目数据，地形图和Google Earth确定冰川的位置和名称。

表1 2015-2016年冈底斯山冰川数据解译所采用的Landsat OLI遥感影像

1.2 数据处理过程

基于Landsat OLI遥感影像，采用中国第二次冰川编目方法[13]提取2016年冈底斯山冰川矢量数据。首先利用波段比值法并通过人工交互式方法确定阈值，得到裸冰川边界二值图像，并转换为矢量多边形，然后参考第一、二次冰川编目数据和Google Earth对矢量数据进行人工修订和质量检查，以保证冰川能够被准确识别。最后根据郭万钦[14]等提出的山脊线自动提取方法，利用ASTER GDEM数据提取山脊线矢量数据，并以此对修订后的冰川边界进行分割，从而得到各单条冰川的矢量数据（图1）。

图1 冈底斯山冰川矢量数据提取技术路线

2 数据样本描述

2.1 数据图形样本

已有研究表明，中国第一次冰川编目数据集存在少量冰川的边界绘制不正确、小冰川被遗漏或部分季节性雪斑被误判为冰川等错误[15]。因此，为提高冰川数据质量，在提取2016年冈底斯山冰川矢量数据集之前，首先对两次冰川编目数据进行交叉验证。其中，重点检查形状差异较大的冰川、消失冰川（即仅在第一次冰川编目数据集中存在的冰川）和新生冰川（即仅在第二次冰川编目数据集中存在的冰川），并在尊重事实前提下对这些冰川进行人工修订。经检查，冈底斯山第一、二次冰川编目数据均有漏编现象。首先对冈底斯山第一、二次冰川编目数据漏编的冰川进行补充。其次基于修订后的冈底斯山第一、二次冰川编目数据提取本数据集，并参考其相关属性确定冰川的名称及位置。

在全球气候变暖背景下，冈底斯山1970-2016年冰川普遍呈退缩趋势，冰川面积共减少854.05 km2（-39.53%），冰川面积变化相对速率高达-1.09%/a；相较于西部典型山区的冰川变化，冈底斯山是我国西部地区冰川退缩最为快速的地区[16]。如图2a所示的冰川是冈底斯山面积最大的冰川，1970年面积为23.20 km2，2016年面积为21.14 km2，近50年间面积减少比例为-8.88%。

1970-2016年，冈底斯山有部分冰川完全消失、发生分裂或者在冰川编目中被漏编。如图2b的两条冰川在1970年面积为0.55 km2，而在2009年已完全消失；图2c所示的冰川在退缩过程中逐渐分裂为两条冰川，面积也由4.58 km2减少到2.91 km2；图2d所示的冰川在第二次冰川编目中被漏编，其在1970年的冰川面积为14.58 km2。

图2 消失冰川、分裂冰川及漏编冰川

2.2 数据属性表

2016年冈底斯山冰川矢量数据集属性表包含16个字段（表2），反映了各条冰川的位置、几何和属性信息。其中，ID为属性表的唯一值字段；Name为冰川名称，参考地形图、第二次冰川编目及Google Earth确定；GLIMS_ID为冰川编码，方法同第二次冰川编目一致；Province为冰川所在省份；Mountain为冰川所在山系；City为冰川所在市或地区；Image为提取冰川所用的遥感影像；Time为冰川矢量数据的具体日期；Latitude和Longitude为冰川的经纬度，反映冰川的位置信息；Basin_1、Basin_2及Basin_3表示冰川所在的一级、二级和三级流域；Max_Elev和Min_Elev为冰川最高点与最低点的高程值；Area为冰川的面积。

表2 2016年冈底斯山冰川矢量数据集属性表说明

3 数据质量控制和评估

冰川边界提取的精度主要受传感器和图像配准误差的影响[17-18]，对于冰川边界遥感解译结果的检验可以通过地面实况调查或高空间分辨率的遥感数据分类结果作为参考数据[19]。本数据集仅考虑遥感影像空间分辨率造成的误差，可由下式计算得出[16]：

式中,ε为影像空间分辨率造成的冰川面积误差；N为冰川轮廓的周长；A为半个像元的边长（Landsat OLI为15 m）。结果表明，2015-2016年由Landsat OLI遥感影像空间分辨率造成的冰川面积误差为±116.89 km2，占冰川总面积的±8.95%。

4 数据价值

本数据集基于中国第二次冰川编目方法提取2016年冈底斯山冰川矢量边界，能够与第二次冰川编目数据结合使用，可靠性较高，能够为区域冰川变化、探讨冰川变化与区域气候变化的关系等相关研究提供基础数据，亦可为在气候变暖背景下探讨冰川变化对气候变化的响应规律及区域水资源合理利用提供支撑数据。

5 数据使用方法及建议

本数据集采用Shapefile矢量数据格式存储，地理坐标系为WGS-1984，投影坐标系为Albers等积投影，可在ArcMap等GIS软件或ENVI等软件打开并进行查询、编辑及统计等操作。

致 谢

感谢地理空间数据云和美国地质调查局网站提供的 Landsat遥感影像与数字高程模型数据，感谢科技部基础性工作专项“中国冰川资源及其变化调查”项目组提供的冰川编目数据。