2000–2014年中國西北地區面積≥10 km2主要湖泊邊界數據集

2000–2014年中國西北地區面積≥10 km²主要湖泊邊界數據集
作者：張大弘　李曉鋒　姚曉軍
2018年11月14日

本作品收錄於《中國科學數據》

張大弘, 李曉鋒, 姚曉軍. 2000–2014年中國西北地區面積≥10 km2湖泊邊界數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2018. (2018-07-18). DOI: 10.11922/csdata.2018.0041.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：中國西北地區深居內陸，氣候乾旱，湖泊面積變化可在一定程度上反映區域水資源時空分配變化特徵。本數據集在綜合分析降水數據並結合Landsat系列衛星影像實際覆蓋情況確定解譯時間的基礎上，參考「中國2005–2006年1∶25萬面積1.0 km2以上湖泊數據集」，選取西北地區113個面積在10 km2以上的非干鹽湖，採用人工目視解譯方法提取該區域2000–2014年共15期湖泊邊界矢量數據。參照科技部科技基礎性工作專項「中國湖泊水質、水量與生物資源調查」確定的湖泊範圍人工目視解譯原則，解譯精度控制在一個像元以內。本數據集包括中國西北地區範圍矢量數據、2000–2014年湖泊邊界矢量數據、湖泊點位及面積統計矢量文件3部分，基本反映了2000–2014年中國西北地區湖泊邊界變化情況，可作為其湖泊時空變化、氣候變化以及地區水資源人工干預等研究的基礎數據。

關鍵詞：湖泊；西北地區；Landsat；目視解譯

Abstract & Keywords

Abstract: Deeply inland, northwest China has a dry climate. Variations of lake area can reflect the temporal and spatial distribution of regional water resources to a certain extent. This data set is based on a comprehensive analysis of meteorological data and the actual coverage of Landsat satellite images to determine the interpretation time. Referring to 「A 1:250000 data set of lakes with an area above 1km2 in China (2005-2006)」, the study selected 113 non-dry salt lakes with an area above 10 km2 as vectorization objects, all of which are in natural conditions. The lake boundary vector data of 15 periods from 2000 to 2014 were extracted by using artificial visual interpretation. Abiding by the principle of artificial visual interpretation of lake area stipulated by the Ministry of Science and Technology, we controlled the accuracy of interpretation within one pixel. The data set includes three parts of data: (1) regional boundary vector data of northwest China; (2) lake boundary vector data from 2000 to 2014, and (3) lake location and area statistics vector data. The data set basically reflects the change in lake boundaries in northwest China from 2000 to 2014, which can be used as basic data for research on temporal and spatial changes of lakes in the region, climate change, and human intervention in regional water resources.

Keywords: lake; northwest China; Landsat; visual interpretation

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	2000–2014年中國西北地區面積≥10 km2湖泊邊界數據集
數據作者	張大弘，李曉鋒，姚曉軍
數據通信作者	姚曉軍（yaoxj_nwnu@163.com）
數據時間範圍	2000–2014年
地理區域	中國西北地區地理範圍為31°36–49°36′N，73°29′–111°27′E。涉及天山、阿爾金山、祁連山、崑崙山、阿爾泰山、準噶爾盆地、塔里木盆地、吐魯番盆地等地理單元，行政單元包括陝西省、甘肅省、青海省、新疆維吾爾自治區和內蒙古自治區的阿拉善盟、烏海市和鄂爾多斯市。
空間分辨率	30 m
數據量	37.9 MB
數據格式	ESRI Shapefile文件（壓縮為.zip格式）
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/621
基金項目	中國科學院冰凍圈科學國家重點實驗室開放基金項目（SKLCS-OP-2016-10）；科技部科技基礎性工作專項（2013FY111400）
數據庫（集）組成	數據集共包括3個數據文件：1. Boundary_NWC.zip是中國西北地區邊界數據，數據量1.29 MB；2. Lake_NWC_2000-2014.zip是2000–2014年中國西北地區面積≥10 km2湖泊邊界數據，數據量36.56 MB；3. Location_NWC.zip是湖泊點位數據，屬性表包含2000–2014年湖泊面積變化統計數據，數據量0.01 MB。

Dataset Profile

Title	A dataset of lakes in northwest China with an area above 10 km2 (2000 – 2014)
Data corresponding author	Yao Xiaojun (yaoxj_nwnu@163.com)
Data author(s)	Zhang Dahong, Li Xiaofeng, Yao Xiaojun
Time range	2000 – 2014
Geographical scope	Northwest China (31°36』 – 49°36』N, 73°29』E – 111°27』E); specific areas include: Tianshan Mountain, Altun Mountain, Qilian Mountain, Kunlun Mountain, Altai Mountain, Junggar Basin, Tarim Basin and Turpan Basin. Administrative units include: Shaanxi Province, Gansu Province, Qinghai Province, the Xinjiang Uygur Autonomous Region and Inner Mongolia Autonomous region of Alxa League, Wuhai City and Ordos City.
Spatial resolution	30 m
Data volume	37.9 MB
Data format	ESRI Shapefile file (compressed in *.zip)
Data service system	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/621
Source(s) of funding	Open Foundation of the State Key Laboratory of Cryosphere Sciences, Chinese Academy of Sciences (SKLCS-OP-2016-10); Fundamental Program from the Ministry of Science and Technology of China (MOST) (2013FY111400)
Dataset composition	The dataset consists of 3 subsets in total: (1) Boundary_NWC.zip is made up of boundary data of regions in northwest China, with a data volume of 1.29 MB; (2) Lake_NWC_2000-2014.zip is made up of boundary data of lakes in northwest China with an area above 10 km2, with a data volume of 36.56 MB, and (3) Location_NWC.zip is made up of location data of the lakes, including statistical data of lake area changes in 2000–2014, with a data volume of 0.01 MB.

引 言

湖泊是揭示全球氣候變化與區域響應的重要信息載體，在維護區域食物、生態與環境安全方面具有特殊的地位^[1][2]。湖泊變遷敏感地記錄着氣候與環境變化的信息，是全球變化的直接反映^[3][4][1]。湖泊面積變化能在一定程度上體現區域水資源時空分配變化特徵，因而湖泊邊界矢量數據是開展湖泊時空變化、氣候變化以及地區水資源利用等研究的基礎數據。隨着遙感技術發展，半自動或自動提取湖泊水體信息成為可能，但獲取長時序、大範圍湖泊數據仍受很多條件限制，主要是藻類覆蓋、湖泊水質（泥沙含量、鹽度等）、湖泊水深、影像陰影、雲等造成的同物異譜問題。作為傳統的湖泊遙感識別方法，人工目視解譯儘管存在工作量大、對工作人員知識經驗水平要求高等缺點，但具有能充分利用先驗知識、解譯精度高等優點，並在湖泊遙感識別中得到廣泛應用。

近50年來，伴隨我國西北地區土地資源的大規模開發，人類活動通過修築大量水利設施攔截入湖地表徑流，加劇下游湖泊水資源的短缺，導致湖泊迅速萎縮、咸化甚至乾涸等問題，嚴重危及湖泊及其毗鄰區域的生態環境，造成湖泊生物多樣性喪失、湖濱地區荒漠化加劇等問題。2014年，中國科學院啟動科技服務網絡（STS）計劃項目——「西北地區生態變化綜合評估」，任務之一是結合遙感資料對西北地區過去15年的生態變化過程進行詳細評估。作為此次綜合評估的重要內容之一，認識西北地區湖泊當前狀況及變化特徵是制訂科學保護對策的基礎。近年來雖有部分湖泊相關數據集已公開共享^[5]，如基於被動微波產品的高亞洲、基於MODIS產品的青藏高原湖泊水面數據集^[6][7]，但覆蓋整個中國西北地區、數據精度高且時間序列長的湖泊基礎數據仍為空白。本數據集基於Landsat系列遙感影像、「中國2005–2006年1∶25萬面積1.0 km2以上湖泊分布數據集」^[5]、「2000–2011年可可西里地區主要湖泊邊界矢量數據」^[8]和《中國湖泊志》^[9]等資料，同時參照科技部科技基礎性工作專項「中國湖泊水質、水量與生物資源調查」確定的湖泊範圍判識原則^[2]，採用人工目視解譯方法獲得2000–2014年中國西北地區各年湖泊邊界矢量數據，解譯精度控制在一個像元以內。利用近期或2000年以前的遙感數據產品擴展本數據時序，可分析研究區內湖泊面積、水量的時空變化，結合氣象數據，亦可在湖泊對氣候變化的響應機理、區域內水資源的時空分配變化等方面開展相關研究。

1 數據採集和處理方法

受季節性降水影響，湖泊面積年內波動往往較為劇烈。為便於比較，應儘可能選擇湖泊範圍年內較為穩定時期的遙感影像。以距離最近為原則，從中國氣象數據網（http://data.cma.cn）下载并整理了33个气象站点自建站以来的逐月气温与降水数据。湖泊人工目视解译所用遥感影像底图来自美国USGS网站（https://glovis.usgs.gov），共下载Landsat TM/ETM+/OLI系列衛星影像590景，數據量約450 GB。確定湖泊解譯對象所用的「中國2005–2006年1∶25萬面積1.0 km2以上湖泊分布數據集」來自國家地球系統科學數據共享服務平台——湖泊–流域科學數據中心（http://lake.geodata.cn），湖泊名称属性采用《中國湖泊志》^[9]中給出的湖泊名稱，在解譯可可西里地區湖泊邊界時同時參考了「2000–2011年可可西里地區主要湖泊邊界矢量數據」數據集^[8]。

1.1 解譯對象及遙感影像選取

根據「中國2005–2006年1∶25萬面積1.0 km2以上湖泊分布數據集」^[5]，我國西北地區共有面積大於1.0 km2的自然湖泊437個，面積2.03×104 km2，分別占全國湖泊相應總量的16.2%和24.9%。其中面積大於10.0 km2的湖泊共143個，面積1.93×104 km2，占西北地區湖泊總面積的95.1%，為本區湖泊的主體。考慮到干鹽湖受季節性降水影響強烈，以及建有攔水壩或大量引水設施的湖泊無法反映自然狀態下的湖泊自身變化，在實際工作中剔除了此類湖泊，並選取113個面積大於10.0 km2的湖泊作為解譯對象（圖1），其中青海省77個，新疆維吾爾自治區33個，甘肅省、陝西省和內蒙古自治區各1個，這些湖泊總面積占西北地區湖泊總面積（1.0 km2以上）的81.76%，基本可以反映西北地區湖泊面積總體變化特徵。

圖片

圖1 本數據集所包括的湖泊分布圖

為最大程度減少湖泊面積年內變化影響和保證不同年份湖泊邊界的可比較性，首先對西北地區33個國家基本氣象站自建站以來的月降水數據進行分析，了解各區域降水年內變化特徵，並選取降水較少且穩定的月份作為湖泊解譯最佳時間。然後根據確定的月份下載Landsat系列衛星遙感影像，並選取雲量和積雪較少的遙感影像作為解譯湖泊邊界的底圖。經統計，10月和11月的遙感影像數量最多，分別為256景和179景；其次為9月、8月和12月，共136景。此外，少量湖泊在個別年份選用了1月、2月和7月的遙感影像，共計19景。

1.2 數據處理過程

本數據集的生產主要包括遙感影像讀取與波段合成、遙感影像質量檢查、湖泊邊界人工目視解譯、湖泊屬性錄入及湖泊邊界質量檢查5個步驟，具體描述如下：

（1）遙感影像讀取與波段合成：批量解壓下載的遙感影像壓縮文件後，採用Arcpy腳本方式批量抽取人工目視解譯需要的波段（標準假彩色組合：NIR-R-G），並按波段順序合成為多波段數據集（tif格式）。

（2）遙感影像質量檢查：輸入待解譯湖泊質心坐標數據，檢查遙感影像上待解譯湖泊表面是否少雲少雪。如不滿足，檢查同一年份其他遙感影像質量，直至滿足條件。

（3）湖泊邊界人工目視解譯：以質量滿足條件的遙感影像為底圖，顯示比例尺控制在1∶500–1∶1000，沿水陸界線像元中心數字化湖泊邊界，精度控制在1個像元以內。若湖泊存在湖心島，則在湖泊邊界多邊形中剔除該部分。為確保人工目視解譯準確度，各湖泊邊界矢量數據由工作組其他成員至少核查一遍。

（4）湖泊屬性錄入：在湖泊邊界矢量數據屬性表中手工錄入湖泊代碼、湖泊名稱、湖泊性質、所屬湖區、所屬省份、所屬一級流域名稱、所屬二級流域名稱、Landsat遙感影像行列號、採集日期和傳感器類型，並自動計算湖泊面積、周長、質心經度、質心緯度、較上一年湖泊面積變化趨勢等信息。

（5）湖泊數據質量檢查：採用直接評價方法，即逐一檢查各湖泊邊界圖形數據和屬性數據，確保各數據項無遺漏和錄入正確。

2 數據樣本描述

2.1 數據圖形樣本

「2000–2014年中國西北地區面積≥10 km2湖泊邊界數據集」命名遵循如下規則：Lake_NWC_YYYY，其中Lake表示湖泊，NWC表示中國西北地區，YYYY表示年份，通過文件名能夠獲取此數據文件的時間信息。區域內湖泊分布樣本如圖2所示，選取了3個解譯對象，分別展示其在整個數據時序內的變化情況，a、b、c分別表示阿雅克庫木湖、博斯騰湖和艾比湖。如圖2所示2000–2014年間a、b、c三個湖泊邊界均在水平方向上發生了不同程度的變化：阿雅克庫木湖的面積呈持續增大趨勢，增量達335.01 km2，擴張了1.52倍，在湖區東部由於湖盆較為平坦，湖岸線水平位移量最大達30 km以上；博斯騰湖的面積減少216.31 km2，較2000年萎縮了約19.21 %，變化體現在湖盆開闊的邊緣區域，湖泊主體變化並不大；艾比湖面積減小39.52 %，減量達238.93 km2，湖泊主體形狀變化明顯，面積整體呈減少趨勢，但局部呈波動狀況，並在2003和2012年出現兩個峰值，變化較大。上述3個湖泊無論是面積還是形狀變化都在整個區域具有代表性，可以反映湖泊的邊界及變化信息，足以體現本數據集的價值所在。

圖片

圖 2 15年來湖泊面積變化示意圖

2.2 數據屬性表

研究區湖泊解譯成果數據庫包括15個屬性字段，描述了湖泊的幾何參數與坐標參數，也包括一些歸屬參數及理化參數，部分為非必填屬性。其中湖泊編碼（Code）是數據表的唯一主鍵，編碼參照第二次冰川編目格式，結構如下：LnnnnnnEmmmmmN。其中，L表示湖泊，n表示2000年湖泊的質心經度，m表示2000年湖泊的質心緯度，E、N分別代表東經和北緯，n的前三位和m的前兩位分別表示經緯度的整數部分，後三位表示其小數前三位。另外，東居延海質心經緯度以2002年為準。詳細數據庫內容如表1所示。

表1 2000–2014年中國西北地區面積≥10 km2湖泊邊界數據集屬性表說明

序號	名稱	數據類型	字符長度	是否必填	字段描述
1	Code	string	14	是	湖泊編碼
2	Name	string	30	否	湖泊名稱
3	Property	string	10	是	湖泊性質
4	Region	string	20	是	所屬湖區
5	Province	string	20	是	所屬省份
6	Basin_F	string	20	是	所屬一級流域
7	Basin_S	string	30	是	所屬二級流域
8	Area	double	16	是	湖泊面積
9	Perimeter	double	16	是	湖泊周長
10	Long_Cen	float	8	是	湖泊質心經度
11	Lat_Cen	float	8	是	湖泊質心緯度
12	RC_Landsat	string	6	是	Landsat遙感影像行列號
13	Date_DS	date	-	是	Landsat遙感影像採集日期
14	Sensor	string	20	是	Landsat遙感影像傳感器類型
15	Area_Ch	string	10	是	湖泊面積較上一年變化趨勢

3 數據質量控制和評估

解譯時參考馬榮華等^[2]遵循的湖泊邊界遙感判譯原則。湖泊目視解譯的精度與影像數據分辨率、時相、配准精度，湖泊面積大小以及人工經驗等有關，湖泊的絕對面積精度採用廖淑芬等^[10]計算湖泊邊界矢量化面積誤差的方法來評定，相對面積精度取絕對面積精度與湖泊面積的比值。

人工目視解譯方法自身存在誤差（如混合象元、解譯時圖層縮放等級等），可以看作隨機誤差，與湖泊邊界的長度成正比，這些是不可避免的，但可以在後續統計計算中有效迴避。為科學評判湖泊變化狀況，使用本數據集提取各湖泊面積變化狀態時建議採用李曉鋒等^[11]採用的誤差控制方法。

4 數據價值

本數據集與其他湖泊數據集相比較^[6][7]，主要區別在於較大範圍、較長時序、較高的時間分辨率。對於本研究區而言，採用Landsat系列影像作為目視解譯底圖，已屬中高空間分辨率，這類數據集目前還是較為少見的。另外，採用目視解譯的方法生產數據，極大程度保證了數據的可靠性。本數據集可反映中國西北地區2000–2014年湖泊現狀，湖泊的總體變化特徵、變化分異規律等內容，因此可作為湖泊研究相關領域的基礎數據。

5 數據使用方法和建議

本數據集解壓後可使用支持ESRI Shapefile文件格式的GIS軟件打開、顯示、編輯、查看、統計等，如ArcGIS。數據採用WGS-84地理坐標系，平面坐標統一採用Albers等積投影，可直接統計湖泊面積變化、變化速率等參數。數據集可直接使用也可擴展，利用近期或2000年以前的遙感數據產品延長數據時序，結合氣象數據，分析研究區內湖泊面積、水量的時空變化，可探究湖泊對氣候變化的響應機理、區域內水資源的時空分配變化，以期為政府部門在局部水資源分配人工干預等方面提供更合理的理論支撐。

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數據引用格式

張大弘, 李曉鋒, 姚曉軍. 2000–2014年中國西北地區面積≥10 km2湖泊邊界數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-06-28). DOI: 10.11922/sciencedb.621.