張聰，姚曉軍*，張大弘

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 2016 年阿爾金山冰川邊界及長(zhǎng)度數(shù)據(jù)集 數(shù)據(jù)作者 張聰，姚曉軍，張大弘 數(shù)據(jù)通信作者 姚曉軍（yaoxj_nwnu@163.com） 數(shù)據(jù)時(shí)間范圍 2016 年 地理區(qū)域 37°30′N–39°36′N，85°52′E–94°21′E 數(shù)據(jù)量 972.22 KB 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/884 基金項(xiàng)目 數(shù)據(jù)庫(kù)（集）組成 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)劃項(xiàng)目（NWNU-LKQN-14-4）。 數(shù)據(jù)集共包括2 個(gè)數(shù)據(jù)文件：Altun_glacier_inventory_2016.zip 是2016年阿爾金山冰川邊界矢量數(shù)據(jù)；Altun_glacier_centerline_2016.zip 是2016 年阿爾金山冰川長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。

引 言

冰凍圈作為地球系統(tǒng)的五大圈層之一，由地球陸地和海洋表面及以下的積雪、冰和凍土組成[1]。冰川不僅是冰凍圈的重要組成部分[2]，而且是全球氣候變化的重要驅(qū)動(dòng)因子[3]。山地冰川作為參與區(qū)域水循環(huán)的重要成員，對(duì)區(qū)域氣候和環(huán)境的變化極其敏感[4]。冰川長(zhǎng)度是反映冰川變化的重要參數(shù)之一[5]，其提取方法包括冰川主流線提取法[6-9]和冰川中流線提取法[10-11]。前者通過水文分析提取匯水線，后者則是基于冰川邊界提取冰川最高點(diǎn)到冰川末端的中心線[12]。

阿爾金山（37°30′N–39°36′N，85°52′E–94°21′E）位于青藏高原北緣，是新疆、青海和甘肅三?。ㄗ灾螀^(qū)）的界山（圖1），其西接昆侖山，東鄰祁連山，呈西南–東北走向；山體總面積約6.19×104km2，長(zhǎng)約750 km，最寬處約130 km[13]；平均海拔在4000 m 以上，最高峰被稱為阿爾金山，海拔5798 m[14]。由于深居內(nèi)陸和受地形阻隔，阿爾金山地區(qū)以溫帶大陸性氣候?yàn)橹?，全年干旱少雨，四季溫差大，年平均降水量?jī)H110 mm，是亞洲中部最干旱的山地[15]，冰川融水是區(qū)域內(nèi)塔卡薩依河、若羌河和米蘭河等河流的重要補(bǔ)給水源。因此，認(rèn)清阿爾金山的冰川現(xiàn)狀和冰川長(zhǎng)度，對(duì)研究該區(qū)域氣候變化和水資源分配均具有重要價(jià)值和意義。相關(guān)研究表明，阿爾金山冰川近年來呈不同程度的退縮趨勢(shì)[13]。本文基于2016 年Landsat OLI 遙感影像和SRTM DEM 數(shù)據(jù)，通過波段比值法結(jié)合人工目視解譯和冰川中流線提取方法，獲得阿爾金山冰川邊界和長(zhǎng)度數(shù)據(jù)，以期為認(rèn)識(shí)該區(qū)域冰川現(xiàn)狀及其對(duì)全球氣候變暖的響應(yīng)和水資源合理利用等研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

圖1 阿爾金山冰川分布

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

本數(shù)據(jù)集采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括研究區(qū)2016 年Landsat OLI 遙感影像及SRTM DEM 數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)。其中，Landsat OLI 遙感影像共5 景（表1），從美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局網(wǎng)站（http://glovis.usgs.gov）獲取，影像冰川區(qū)少云少雪，滿足人工目視解譯冰川要求；SRTM DEM 空間分辨率為30 m，用于冰川地形參數(shù)提取。

表1 Landsat OLI 遙感影像

1.2 數(shù)據(jù)處理

2016 年阿爾金山冰川邊界矢量數(shù)據(jù)提取采用中國(guó)第二次冰川編目方法[16]，基于Landsat OLI 遙感影像，通過波段比值法與人工交互提取冰川邊界，同時(shí)參考Google Earth 對(duì)冰川矢量邊界進(jìn)行逐一檢查與修訂，最后根據(jù)山脊線自動(dòng)提取方法提取的山脊線對(duì)修訂后的冰川邊界進(jìn)行分割，得到冰川矢量數(shù)據(jù)[17-18]。2016 年阿爾金山冰川長(zhǎng)度數(shù)據(jù)提取采用姚曉軍等[19]提出的冰川中流線自動(dòng)提取方法。首先依據(jù)冰川積累區(qū)和消融區(qū)的末端形態(tài)，將冰川分為單一盆地、單一出口冰川，復(fù)式盆地類型冰川和冰帽類冰川3 種形態(tài)；通過DEM 數(shù)據(jù)獲取冰川輪廓上的海拔最高點(diǎn)和最低點(diǎn)并基于此對(duì)冰川輪廓線進(jìn)行分割，采用歐式距離方法將冰川劃分為多個(gè)區(qū)域，區(qū)域的公共邊界即為冰川中流線[10]，對(duì)于單一盆地、單一出口冰川，冰川中流線長(zhǎng)度即為該冰川的平均長(zhǎng)度。復(fù)式盆地、單一出口冰川通常由多條支冰川組成，且各支冰川均存在獨(dú)立的海拔最高點(diǎn)，參考冰川中值面積高程和等高線形態(tài)保留子流域部分公共邊界線來提取冰川中流線，各支冰川中流線長(zhǎng)度的平均值為該冰川的平均長(zhǎng)度。冰帽類冰川多發(fā)育于山頂面，因受力不均導(dǎo)致冰川從中心向四周呈放射狀漫流[20]，本數(shù)據(jù)集采用郭萬欽等[17]提出山脊線自動(dòng)提取方法獲得冰帽表面山脊線，用山脊線將冰帽分割為多條彼此相鄰的獨(dú)立冰川再提取冰川中流線，各獨(dú)立冰川中流線長(zhǎng)度的平均值為冰帽類冰川的平均長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。

圖2 阿爾金山冰川矢量數(shù)據(jù)與冰川中流線提取技術(shù)路線

受地形因素影響，阿爾金山冰川多屬規(guī)模較小的單一盆地、單一出口類型，2016 年面積小于2.0 km2的冰川數(shù)量占該山系冰川總數(shù)量的92.70%。復(fù)式盆地類型和冰帽類型冰川數(shù)量較少，且多為大規(guī)模冰川；這兩類冰川一般有多條支冰川中流線，處理時(shí)需要匯總計(jì)算其平均長(zhǎng)度與最大長(zhǎng)度，各支冰川或獨(dú)立冰川中流線長(zhǎng)度的平均值即為該冰川的平均長(zhǎng)度。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)圖形樣本

2.1.1 阿爾金山冰川邊界矢量數(shù)據(jù)

本數(shù)據(jù)集中的矢量文件Altun_glacier_inventory_2016 是2016 年阿爾金山的冰川邊界矢量數(shù)據(jù)，樣本展示如圖3。

圖3 2016 年阿爾金山冰川

2.1.2 阿爾金山冰川長(zhǎng)度矢量數(shù)據(jù)

本數(shù)據(jù)集中的矢量文件Altun_glacier_centerline_2016 是2016 年阿爾金山的冰川長(zhǎng)度矢量數(shù)據(jù)，根據(jù)冰川積累區(qū)和消融區(qū)的末端形態(tài)，將冰川分為單一盆地、單一出口類型冰川，復(fù)式盆地類型冰川和冰帽類冰川3 種形態(tài)，樣本展示如圖4–6。

圖4 單一盆地、單一出口類型冰川的海拔最高點(diǎn)、最低點(diǎn)和中流線

2.1.2.1 單一盆地、單一出口類型冰川長(zhǎng)度數(shù)據(jù)

圖4 為單一盆地、單一出口類型冰川（GLIMS 編碼為G086841E37797N）中流線提取結(jié)果。2016年該冰川面積為0.48 km2，冰川長(zhǎng)度為1347.46 m，冰川末端海拔為5073 m。

2.1.2.2 復(fù)式盆地類型冰川長(zhǎng)度數(shù)據(jù)

圖5 為復(fù)式盆地類型冰川（GLIMS 編碼為G087390E37974N）中流線提取結(jié)果。2016 年該冰川面積為6.32 km2，有4 條冰川中流線，長(zhǎng)度依次為7060.14 m、6149.71 m、4809.29 m 和4861.66 m，冰川平均長(zhǎng)度為5720.20 m，冰川最高點(diǎn)海拔為5849 m，末端海拔為4714 m。

2.1.2.3 冰帽類冰川長(zhǎng)度數(shù)據(jù)

圖6 冰帽類冰川的海拔最高點(diǎn)、最低點(diǎn)和中流線

圖6 為冰帽類冰川（GLIMS 編碼為G089186E38242N）中流線提取結(jié)果。2016 年該冰川面積為5.70 km2，有12 條冰川中流線，長(zhǎng)度依次為1938.76 m、1752.04 m、1576.70 m、1614.43 m、1674.87 m、1153.35 m、1070.81 m、1257.98 m、1446.44 m、1485.69 m、1569.20 m 和1930.37 m，冰川平均長(zhǎng)度為1539.22 m，冰川末端海拔為4671 m。

2.2 數(shù)據(jù)屬性表

2.2.1 阿爾金山冰川邊界數(shù)據(jù)屬性表

研究區(qū)冰川邊界矢量數(shù)據(jù)屬性表由6 個(gè)字段組成（表2）。其中，GLIMS_ID 為冰川編碼，格式為GnnnnnnEmmmmm[N|S]，nnnnnn 的數(shù)值范圍為[000000, 359999]，mmmmm 的數(shù)值范圍為[00000, 90000]，數(shù)值為冰川的經(jīng)緯度坐標(biāo)值（以度為單位）乘以1000，經(jīng)度以本初子午線為原點(diǎn)，西經(jīng)的數(shù)值范圍為（180, 360），[N|S]中N 表示北緯，S 表示南緯；FCGI_ID 為流域編碼，國(guó)內(nèi)流域編碼體系采用10 位長(zhǎng)度的代碼，阿爾金山地區(qū)屬于東亞內(nèi)部流域，因此其流域代碼為5Ynnnmmmmm。其中5 表示亞洲，Y 表示東亞內(nèi)部流域（一級(jí)）。3 位表示二級(jí)流域，4 位表示三級(jí)流域，5 位表示四級(jí)流域，10 位表示五級(jí)流域，本數(shù)據(jù)集采用五級(jí)流域編碼；nnn 依次表示二、三、四級(jí)流域，mmmmm表示五級(jí)流域內(nèi)按順時(shí)針方向排列的冰川順序號(hào)，本數(shù)據(jù)集采用五級(jí)流域編碼；Mtn_Name 為冰川所在山系；Pref_Name 為冰川所在的省和地級(jí)市；DataSource 為冰川邊界解譯所用的遙感影像信息；Area 為冰川面積；Perimeter 為冰川周長(zhǎng)；Area_Error 為冰川面積誤差。

表2 2016 年阿爾金山冰川矢量數(shù)據(jù)集屬性表說明

2.2.2 阿爾金山冰川長(zhǎng)度數(shù)據(jù)屬性表

研究區(qū)冰川長(zhǎng)度屬性表由10 個(gè)字段組成（表3）。其中，GLIMS_ID 和FCGI_ID 參考中國(guó)冰川編目格式；Mean_Leng 和Max_Leng 反映冰川長(zhǎng)度信息；Count 反映冰川中流線的數(shù)量；Area 為對(duì)應(yīng)冰川的面積；Max_Elev 和Min_Elev 分別記錄了冰川邊界上的最大及最小高程信息；Leng_Error為冰川長(zhǎng)度的誤差。

表3 2016 年阿爾金山冰川長(zhǎng)度數(shù)據(jù)集屬性表說明

序號(hào) 名稱 數(shù)據(jù)類型 字符長(zhǎng)度 字段描述 3 Mean_Leng Double 10 平均長(zhǎng)度 4 Max_Leng Double 10 最大長(zhǎng)度 5 Count Long Integer 10 中流線數(shù)量 6 Area Double 10 冰川面積 7 Max_Elev Long Integer 10 最高點(diǎn)海拔 8 Min_Elev Long Integer 10 最低點(diǎn)海拔 9 Author Text 20 作者 10 Year Long Integer 10 年份 11 Leng_Error Double 10 冰川長(zhǎng)度誤差

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

冰川邊界提取的精度主要受傳感器和圖像配準(zhǔn)誤差的影響[21-22]。2016 年阿爾金山冰川數(shù)據(jù)基于中國(guó)第二次冰川編目方法提取[16]，采用波段比值與人工目視解譯相結(jié)合的方法，精度控制在1 個(gè)像元之內(nèi)。冰川長(zhǎng)度的提取基于冰川類型的不同，采用姚曉軍等[19]提出的冰川中流線法。對(duì)于單一盆地、單一出口型冰川通常只有一個(gè)最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)提取，人工干預(yù)較少，效果較好；對(duì)于復(fù)式盆地類型冰川，通常由多條支冰川組成，自動(dòng)提取的中流線效果較差，需要參考冰川中值面積高程和等高線形態(tài)保留子流域部分公共邊界線進(jìn)行修正；對(duì)于冰帽類冰川，由于其最高點(diǎn)通常出現(xiàn)在冰川內(nèi)部且末端多為裙?fàn)睿枰捎霉f欽[17]等提出的山脊線自動(dòng)提取方法提取山脊線進(jìn)行修正。

本數(shù)據(jù)集冰川邊界提取的精度僅考慮遙感影像空間分辨率造成的誤差[23]，可由式（1）計(jì)算：

ε=N*A （1）

式中ε 為影像空間分辨率造成的冰川面積誤差，N 為冰川輪廓的周長(zhǎng)，A 為半個(gè)像元的邊長(zhǎng)（Landsat OLI 為15 m）。結(jié)果表明，2016 年由Landsat OLI 遙感影像空間分辨率造成的冰川面積誤差為±22.74 km2，占冰川總面積的±8.33%。

本數(shù)據(jù)集冰川長(zhǎng)度提取的精度僅考慮遙感影像空間分辨率對(duì)冰川邊界高值點(diǎn)和低值點(diǎn)提取造成的誤差，可由式（2）計(jì)算：

λ=(n+1)*A （2）

式中λ 為影像空間分辨率造成的冰川長(zhǎng)度誤差，n 為冰川中流線的條數(shù)，A 為半個(gè)像元的邊長(zhǎng)（Landsat OLI 為15 m）。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

基于Landsat OLI 遙感影像和SRTM DEM 數(shù)據(jù)獲取了2016 年中國(guó)阿爾金山冰川邊界及其長(zhǎng)度數(shù)據(jù)集。與其他冰川數(shù)據(jù)集相比較，本數(shù)據(jù)集更側(cè)重于冰川長(zhǎng)度這一參數(shù)的提取。此外，自動(dòng)提取中流線與人工修訂相結(jié)合在一定程度上保證了冰川長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本數(shù)據(jù)集作為研究阿爾金山冰川現(xiàn)狀的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可為揭示區(qū)域冰川面積、周長(zhǎng)和長(zhǎng)度之間的定量關(guān)系，以及認(rèn)識(shí)該區(qū)域冰川變化提供數(shù)據(jù)支撐。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集采用了ESRI Shapefile 矢量數(shù)據(jù)的文件格式，地理坐標(biāo)系為WGS-1984，投影坐標(biāo)系為Albers 等積投影，可以在ArcGIS 和ENVI 等軟件中打開、顯示、編輯和統(tǒng)計(jì)。

致 謝

感謝美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）、地理空間數(shù)據(jù)云提供Landsat OLI 數(shù)據(jù)和DEM 數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

張聰（1995—），男，甘肅天水人，碩士研究生，研究方向?yàn)榄h(huán)境遙感。主要承擔(dān)工作：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集、處理、質(zhì)量控制及論文撰寫。

姚曉軍（1980—），男，山西夏縣人，博士，教授，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)和過程指導(dǎo)。

張大弘（1993—），男，甘肅平?jīng)鋈耍T士研究生，研究方向?yàn)?GIS 設(shè)計(jì)與開發(fā)。主要承擔(dān)工作：編寫數(shù)據(jù)處理代碼。