張大弘，宮鵬，姚曉軍*，劉娟

1. 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070

數(shù)據(jù)庫(kù)（集）基本信息簡(jiǎn)介

數(shù)據(jù)庫(kù)（集）名稱 1967–2014 年科西河流域面積≥0.05 km2 冰湖輪廓數(shù)據(jù)集 數(shù)據(jù)作者 張大弘，宮鵬，姚曉軍，劉娟 數(shù)據(jù)通信作者 姚曉軍（yaoxj_nwnu@163.com） 數(shù)據(jù)時(shí)間范圍 1967–2014年 地理區(qū)域 空間分辨率 地理范圍包括26.86°–29.14°N，85.39°–88.95°E，北至雅魯藏布江南部，南到尼泊爾與印度交界處，西臨加德滿都，東達(dá)中、尼、印三國(guó)接壤地區(qū)。 全色影像1.8 m(Corona) / 15 m(Landsat ETM+/OLI)，多光譜影像78 m(Landsat MSS) / 30 m(Landsat TM/ETM+/OLI)；地理坐標(biāo)系為WGS1984，投影坐標(biāo)系為UTM。 數(shù)據(jù)量 143.94 MB 數(shù)據(jù)格式 ESRI Shapefile文件（壓縮為.zip格式） 數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)網(wǎng)址 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/885 基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金（41561016、41861013、41801052）；西北師范大學(xué)青年教師科研能力提升計(jì)劃（NWNU-LKQN-14-4）。 數(shù)據(jù)庫(kù)（集）組成 數(shù)據(jù)集共包括2個(gè)數(shù)據(jù)文件：（1）Basin_Koshi.zip是科西河流域邊界數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量0.1 MB；（2）Glacial_lake_Koshi.zip是1967–2014年科西河流域面積≥0.05 km2的冰湖輪廓數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量143.84 MB。

引 言

冰湖潰決洪水（Glacial Lake Outburst Flood，GLOF）是高山冰川作用區(qū)常見自然災(zāi)害之一[1-2]，主要由冰川阻塞湖和冰磧阻塞湖潰決所引發(fā)。就中國(guó)西藏自治區(qū)而言，20 世紀(jì)以來發(fā)生的冰湖潰決洪水（泥石流）事件超過30 次[3]；歐洲的阿爾卑斯山、南美洲的安第斯山、中亞的天山以及青藏高原周邊高山地區(qū)也是冰川潰決洪水的主要分布區(qū)[4]。冰湖潰決洪水有可能造成人員傷亡、牲畜死亡、淹沒草場(chǎng)或農(nóng)作物以及毀壞道路橋梁等損失，因此防治冰湖潰決洪水災(zāi)害是當(dāng)前這些區(qū)域的重要任務(wù)之一，而冰湖分布及變化正是預(yù)測(cè)冰湖潰決洪水災(zāi)害的最基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。冰湖擴(kuò)張或萎縮可以靈敏地反映氣候變化[5]，其面積或水量的變化能從一定程度上反映區(qū)域水資源分布的變化。因此，構(gòu)建較長(zhǎng)時(shí)間序列的冰湖數(shù)據(jù)集對(duì)于研究冰湖分布與變化、預(yù)測(cè)冰湖潰決洪水災(zāi)害、合理利用水資源及探討氣候–冰川–冰湖間耦合關(guān)系具有重要意義。

關(guān)于冰湖的概念，學(xué)者們給出的定義不盡相同[6-12]，但都強(qiáng)調(diào)冰湖是冰川作用所形成的，區(qū)別主要是冰川作用時(shí)期與湖泊物質(zhì)來源。例如，在《冰凍圈科學(xué)辭典》[6]中，冰湖被定義為由冰川作用形成的湖泊；姚治君等[12]認(rèn)為冰湖是末次冰期以來冰川運(yùn)動(dòng)或退縮產(chǎn)生的融水在冰川表面、前部或側(cè)部匯集形成的湖泊，此定義強(qiáng)調(diào)冰湖與冰川間的地理位置關(guān)系；姚曉軍等[9]從冰湖編目和冰湖潰決洪水角度提出冰湖是以現(xiàn)代冰川融水為主要補(bǔ)給源或在冰磧壟洼地內(nèi)積水形成的天然水體，并給出了冰湖類型及遙感判識(shí)指標(biāo)?？紤]冰湖識(shí)別的易判別性、可操作性及一致性，本文采用姚曉軍等[9]提出的冰湖定義及其分類體系。

喜馬拉雅山中段是冰湖潰決最頻繁的地區(qū)之一[13]，其中科西河流域上游歷史上發(fā)生此類事件數(shù)量最多[14-15]。作為恒河水系的重要支流，科西河流經(jīng)中國(guó)、尼泊爾和印度3 國(guó)，流域內(nèi)具有世界上最大的高差，最為完整的氣候、土壤和植被帶譜。在科西河流域，分布有多座8000 m 以上山峰，現(xiàn)代冰川發(fā)育，冰川覆蓋率達(dá)9.78%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，科西河流域歷史上發(fā)生過17 次較大規(guī)模的冰湖潰決事件，其中中國(guó)境內(nèi)高達(dá)12 次[16]。2015 年尼泊爾博克拉地區(qū)發(fā)生8.1 級(jí)地震，Kargel 等[17]對(duì)震后災(zāi)區(qū)分析時(shí)指出，未來當(dāng)該區(qū)域發(fā)生更大震級(jí)的地震或震源靠近冰湖分布區(qū)時(shí)，發(fā)生嚴(yán)重冰湖潰決洪水災(zāi)害的可能性依然存在。除地震外，雪（冰）崩、強(qiáng)降水、冰川強(qiáng)烈消融、冰磧壩內(nèi)死冰消融等亦是引發(fā)冰湖潰決的誘因[15,18]。因此，建立科西河流域長(zhǎng)時(shí)間序列的冰湖數(shù)據(jù)集可為分析該地區(qū)冰湖時(shí)空變化特征、冰湖危險(xiǎn)性評(píng)估及冰湖潰決洪水（泥石流）災(zāi)害等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

為獲取科西河流域不同年代的冰湖數(shù)據(jù)，本研究選用的遙感影像數(shù)據(jù)源主要包括USGS/NASA（http://earthexplorer.usgs.gov）提供的14 景Corona 衛(wèi)星影像和56 景Landsat MSS/TM/ETM+/OLI 遙感影像（表1）。其中，Corona 衛(wèi)星影像成像時(shí)間集中在1960s，是該時(shí)段可獲得的質(zhì)量較好的遙感影像；Landsat MSS/TM/ETM+遙感影像時(shí)間為1970s、1980s、1990s、2000s，Landsat OLI 遙感影像則反映了2013 年以來該流域冰湖狀況。以Landsat MSS/TM/OLI 數(shù)據(jù)作為主要數(shù)據(jù)源，可以免費(fèi)獲取大量的數(shù)據(jù)，且回訪周期短，利用成像時(shí)間接近的影像通過交叉驗(yàn)證解譯方法可以避免云和山體陰影等因素的干擾，提高冰湖解譯精度。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本研究同時(shí)選用了該流域1966–1980年的83 幅地形圖，其中包括4 幅1:50 萬、22 幅1:10 萬、48 幅1:5 萬和7 幅1:2.5 萬地形圖。受遙感影像空間分辨率限制，按Landsat MSS 影像空間分辨率（78 m）計(jì)算，0.006 km2是像元解譯的理論閾值，考慮歷史上該流域已潰決的冰湖面積普遍較大及冰湖面積擴(kuò)張時(shí)長(zhǎng)，本研究?jī)H解譯面積≥0.05 km2的冰湖。此外，冰川輪廓矢量數(shù)據(jù)可以輔助識(shí)別或確定冰湖位置，研究區(qū)所用的冰川輪廓數(shù)據(jù)由科技部科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)“中國(guó)冰川資源及其變化調(diào)查”項(xiàng)目組和國(guó)際山地中心（ICIMOD）提供[19]。

表1 數(shù)據(jù)集所采用的遙感影像列表

影像編號(hào)/軌道號(hào) 衛(wèi)星/傳感器 空間分辨率/m 影像獲取時(shí)間 Landsat MSS 78 1976-12-19; 1977-03-19 140/041 Landsat TM 30 1989-01-17; 1992-09-22; 1999-10-28; 2000-10-30; 2009-10-15 Landsat OLI 30 2014-01-05; 2014-05-22 Landsat MSS 78 1976-12-02 141/040 Landsat TM 30 1991-11-30; 1993-03-08; 1999-12-06; 2000-10-05;2000-11-22; 2009-06-08; 2009-10-30; 2010-10-01 Landsat OLI 30 2013-12-04 Landsat MSS 78 1976-12-02 141/041 Landsat TM 30 1991-11-30; 2001-02-26; 2001-12-27; 2009-05-07; 2010-11-02 Landsat OLI 30 2014-04-11; 2014-05-13

基于光學(xué)遙感影像提取冰湖輪廓時(shí)易受云、雪及山體陰影的影響，因此在選取遙感影像時(shí)遵循少云多期原則，以達(dá)到多時(shí)段多角度的交叉解譯目的，從而盡量避免漏畫、錯(cuò)畫問題。除Corona 遙感影像需進(jìn)行幾何校正和圖幅拼接外，獲取的Landsat 衛(wèi)星系列遙感影像在數(shù)據(jù)生產(chǎn)時(shí)已經(jīng)過初步預(yù)處理（系統(tǒng)輻射校正、地面控制點(diǎn)幾何校正及基于DEM 的地形校正），經(jīng)檢查同一目標(biāo)地物在不同影像中無明顯錯(cuò)位、變形的情況，而目視解譯又屬于定性判別地類，故這些遙感影像未做其他預(yù)處理。

1.2 研究區(qū)概況

科西河流域位于青藏高原南部、喜馬拉雅山中段（26.86°–29.14°N，85.39°–88.95°E），北抵雅魯藏布江，南至尼泊爾與印度交界處，西臨加德滿都附近，東達(dá)中、尼、印三國(guó)接壤地區(qū)。流域內(nèi)地勢(shì)北高南低，海拔落差極大，主河全長(zhǎng)255 km，上游分Arun（中國(guó)境內(nèi)稱為朋曲）、Sun Koshi（中國(guó)境內(nèi)稱為波曲）和Tamor 三個(gè)支流（圖1）。流域東西長(zhǎng)340 km，南北寬230 km，總面積約5.5×104km2，位于中國(guó)和尼泊爾境內(nèi)的面積分別占流域總面積的51.96%和48.04%[20]。流域內(nèi)分布有5 座海拔8000 m 以上山峰，圍繞這些山峰發(fā)育了眾多的冰川及冰湖。受地形影響，研究區(qū)氣候類型差異明顯，自北向南依次分布著喜馬拉雅山過渡帶、高山帶、亞高山帶、溫帶、亞熱帶和熱帶等，后三種氣候類型分布在河流中下游，比較適宜農(nóng)業(yè)發(fā)展，分布著大量人口。據(jù)統(tǒng)計(jì)，尼泊爾境內(nèi)總?cè)丝?34.59萬人，占流域總?cè)丝诘?6.57%[18]。

1.3 數(shù)據(jù)處理過程

冰湖作為一類自然水體，目前已有一些比較成熟的基于遙感影像的自動(dòng)提取算法，如水體指數(shù)法、波段比值法、監(jiān)督分類法及面向?qū)ο蠓指罘ǖ?。由于本?shù)據(jù)集采用的本底數(shù)據(jù)存在全色影像、地形圖等多源數(shù)據(jù)，加之自動(dòng)提取算法對(duì)影像質(zhì)量要求較高，為保證數(shù)據(jù)采集精度，本數(shù)據(jù)集統(tǒng)一采用目視解譯方法，具體步驟如下：

圖1 研究區(qū)概況圖

（1）獲取解譯底圖：下載、收集并整理科西河流域的遙感影像、地形圖等可提供解譯對(duì)象信息的資料，按時(shí)間、類型、位置等歸類，確保每個(gè)時(shí)段每個(gè)位置至少有一期影像覆蓋。

（2）確定解譯方式：因冰湖具有季節(jié)性變化特征，一年之內(nèi)最穩(wěn)定的時(shí)段為9–12 月，且少量影像（如Landsat ETM+）局部存在壞帶，故以其他相鄰時(shí)相的影像作為補(bǔ)充，通過交叉檢驗(yàn)解譯方式獲取精度較高的冰湖輪廓信息。

（3）冰湖邊界目視解譯：以交叉檢驗(yàn)解譯的方式逐時(shí)期進(jìn)行，顯示比例尺控制在1:2000 左右，沿水陸、冰陸或者冰雪界線像元中心數(shù)字化冰湖邊界，精度控制在一個(gè)像元以內(nèi)。

（4）確定冰湖與非冰湖：采用姚曉軍等[4]提出的冰湖定義、冰湖與非冰湖的界定方法，逐一對(duì)不同時(shí)期提取到的研究區(qū)湖泊數(shù)據(jù)進(jìn)行判定，剔除由大氣降水、地下水等形式補(bǔ)給的非冰湖，包括研究區(qū)內(nèi)大量存在的古冰蝕湖，最終得到研究區(qū)不同時(shí)期的冰湖數(shù)據(jù)集。

（5）冰湖數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查：逐一檢查各冰湖輪廓圖形數(shù)據(jù)、對(duì)應(yīng)的影像數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)等，確保無漏畫和錯(cuò)畫、各數(shù)據(jù)項(xiàng)無遺漏和錄入正確等。

（6）冰湖類型識(shí)別：將最終獲得的冰湖數(shù)據(jù)導(dǎo)入Google Earth 軟件，根據(jù)冰湖分類體系[4]，逐一識(shí)別出所有冰湖的類型并寫入屬性表。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

圖2 展示了科西河流域冰湖整體分布情況。冰湖多邊形矢量數(shù)據(jù)以gl_XXXX 形式命名，其中XXXX 表示年份；冰湖點(diǎn)矢量數(shù)據(jù)gl_LocationCode 給出了流域內(nèi)所有的冰湖位置、編碼、類型等信息。至2014 年，流域內(nèi)共發(fā)育冰湖221 個(gè)，其中冰川侵蝕湖83 個(gè)（冰斗湖10 個(gè)，其他冰川侵蝕湖73 個(gè)），冰磧阻塞湖128 個(gè)（終磧阻塞湖115 個(gè)，側(cè)磧阻塞湖13 個(gè)），冰面湖4 個(gè)，其他冰川湖6個(gè)。以面積持續(xù)擴(kuò)張的冰湖GL085838E28322N 為樣本，圖3 展現(xiàn)了該湖泊在研究時(shí)段內(nèi)的邊界、周長(zhǎng)及面積等的變化情況。圖4 給出了數(shù)據(jù)集中面積先減小后持續(xù)擴(kuò)張的龍巴薩巴湖不同時(shí)期的邊界。

圖2 冰湖分布數(shù)據(jù)集示意圖

圖3 冰湖（GL085838E28322N）輪廓及其面積與周長(zhǎng)變化

圖4 龍巴薩巴湖（GL088075E27946N）輪廓及其面積與周長(zhǎng)變化

在本數(shù)據(jù)集中，每個(gè)冰湖對(duì)象由圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩部分組成，其中屬性數(shù)據(jù)包括要素標(biāo)識(shí)碼（FID）、形狀類型（Shape）、冰湖編碼（Code）、冰湖名稱（Name_gl）、冰湖周長(zhǎng)（Perimeter_gl）、冰湖面積（Area_gl）以及冰湖類型（Type_gl）等。其中，冰湖編碼結(jié)構(gòu)為GLnnnnnnEmmmmmN，編碼中的GL 表示冰湖，n 表示冰湖質(zhì)心經(jīng)度，m 表示冰湖質(zhì)心緯度，E、N 分別代表東經(jīng)和北緯，n 的前三位和m 的前兩位分別表示經(jīng)度、緯度的整數(shù)部分，后三位表示經(jīng)緯度小數(shù)前三位。為保證冰川編碼的一致性，以2010s 時(shí)期冰湖質(zhì)心為準(zhǔn)。如冰湖在2010s 時(shí)期不存在，則以第一次出現(xiàn)年代對(duì)應(yīng)的冰湖質(zhì)心進(jìn)行編碼。

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

解譯時(shí)依據(jù)姚曉軍等[4]提出的冰湖定義、冰湖與非冰湖的界定方法，遵循馬榮華[21]、宮鵬[20]等所使用的湖泊邊界遙感判譯原則，精度控制在一個(gè)像元以內(nèi)。由于參與本數(shù)據(jù)集解譯的長(zhǎng)時(shí)序多源遙感影像空間分辨率存在差異，如Corona KH-4 影像空間分辨率為1.8 m（全色），Landsat MSS 影像為78 m（多光譜），Landsat TM 影像為30 m（多光譜），Landsat ETM+和OLI 影像為30 m（多光譜）和15 m（全色），因此本數(shù)據(jù)集的精度雖不及其他高/甚高空間分辨率、單一數(shù)據(jù)源生產(chǎn)的數(shù)據(jù)，整體精度僅能保證在最低空間分辨率78 m 左右。但從數(shù)據(jù)時(shí)序長(zhǎng)度來看，本數(shù)據(jù)集可以滿足大多數(shù)相關(guān)領(lǐng)域的研究要求。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

科西河流域分布有數(shù)量眾多的湖泊，因此通過區(qū)分冰湖與非冰湖以及識(shí)別各個(gè)冰湖的類型所得到的冰湖數(shù)據(jù)及湖泊類別屬性是本數(shù)據(jù)集的價(jià)值之一，這可以為當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)部門以及從事冰湖潰決危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)工作的學(xué)者們提供寶貴的參考。

本數(shù)據(jù)集是依據(jù)不同時(shí)期多源遙感影像數(shù)據(jù)（1967–2014 年）生產(chǎn)的6 期冰湖邊界矢量數(shù)據(jù)，特點(diǎn)在于較長(zhǎng)時(shí)間序列，可作為科西河流域冰湖時(shí)空變化、冰湖水量變化評(píng)估等研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，也可作為該區(qū)域冰湖潰決危險(xiǎn)性評(píng)估、水資源變化、氣候變化及冰湖與冰川間變化響應(yīng)關(guān)系等研究的重要依據(jù)。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集解壓后為ESRI Shapefile 文件，可使用支持該文件格式的GIS 與遙感軟件讀取與編輯。數(shù)據(jù)集直接反映了1967–2014 年科西河流域的冰湖分布特征，進(jìn)一步分析處理可獲得流域內(nèi)冰湖的時(shí)空變化特征等信息，結(jié)合相關(guān)資料，亦可用作冰湖危險(xiǎn)性評(píng)估及冰湖潰決洪水（或泥石流）災(zāi)害的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。另外，如果還有其他來源的數(shù)據(jù)，可對(duì)本數(shù)據(jù)做更新修改，也可用最新的數(shù)據(jù)更新2010s數(shù)據(jù)，以延長(zhǎng)數(shù)據(jù)時(shí)序。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

張大弘（1993—），男，甘肅平?jīng)鋈?，碩士研究生，主要研究方向?yàn)镚IS 設(shè)計(jì)與開發(fā)。主要承擔(dān)工作：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集、處理及論文撰寫。

宮鵬（1990—），男，甘肅禮縣人，碩士，主要研究方向?yàn)镚IS 與冰凍圈變化。主要承擔(dān)工作：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理、目視解譯。

姚曉軍（1980—），男，山西夏縣人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榈乩硇畔⒓夹g(shù)與冰凍圈變化。主要承擔(dān)工作：總體方案設(shè)計(jì)、冰湖類型確定。

劉娟（1993—），女，甘肅定西人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境科學(xué)與地理信息系統(tǒng)。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)集后期處理、冰湖類型識(shí)別。