2015年中國西部冰湖編目數據集

2015年中國西部冰湖編目數據集
作者：楊成德　王欣　魏俊鋒　劉時銀
2018年11月20日

本作品收錄於《中國科學數據》

楊成德, 王欣, 魏俊鋒, 劉時銀. 2015年中國西部冰湖編目數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2018, 3(4). (2018-06-28). DOI: 10.11922/csdata.2018.0038.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：以青藏高原為核心的中國西部地區，地理範圍為26°N–55°N，65°E–105°E，包含喜馬拉雅山、橫斷山、天山及阿爾泰山等區域。該區域內冰湖分布密集，不僅能夠真實地記錄氣候與冰川的變化狀況，而且對於區域水資源具有十分重要的作用。本數據集在綜合中國第二次冰川編目數據、雲量覆蓋度低於10％的Landsat OLI等多種數據的基礎上，結合ArcGIS、ENVI及Google Earth等處理軟件，通過人工目視解譯的方法提取距離冰川邊界向外10 km緩衝區內的冰湖邊界，並對解譯後的數據進行統一的屬性添加、質量檢驗與精度評價。本數據集由兩部分組成，分別為使用冰川編目數據生成的冰湖分布區矢量文件和2015年中國西部冰湖編目數據集。不僅能夠作為中國西部冰湖–冰川耦合關係、水資源利用與管理等相關研究的參考數據，還可以作為區域氣候變化與冰凍圈等相關研究的基礎數據。

關鍵詞：冰湖編目；中國西部；2015年

Abstract & Keywords

Abstract: The West China region with the Tibetan Plateau as its core has a geographical range of 26°N~46°N，62°E~105°E, with Himalayas, Hengduan mountain, Tienshan, Altai and other mountains and plateaus involved. With the high concentration of glacial lakes in this region, it can record the changes of climate and glacier, but play a significant role in regional water resources as well. Integrated the second glacier inventory data and Landsat OLI remote sensing data which cloud cover is less than 10％, this dataset combined the processing software of ArcGIS, ENVI and Google Earth to extract glacial lake boundary within 10km range of glacier boundary through manual visual interpretation, and performed unified attribute addition, quality inspection and accuracy evaluation after it. The dataset consists of vector files of glacial lake distribution region derived from glacier inventory data and the glacial lake inventory of West China in 2015. It can not only be the reference data for the study of the coupling relationship between glacial lake and glacier, water resource usage and management in West China, but also be used as the basic data of regional climate and cryosphere change.

Keywords: glacial lake inventory; West China; 2015

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	2015年中國西部冰湖編目數據集
數據作者	楊成德，王欣，魏俊鋒，劉時銀
數據通信作者	王欣（xinwang_hn@163.com）
數據時間範圍	2015
地理區域	以青藏高原為中心的中國西部地區，地理範圍約為26°N–55°N，65°E–105°E；包括青藏高原、喜馬拉雅山、橫斷山及天山等。
空間分辨率	30 m
數據量	14.2 MB
數據格式	Shapefile（*.shp, *.shx, *.sbx, *.sbn, *.dbf, *.prj, *.CPG, *.xml）
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/615
基金項目	國家自然科學基金（41771075、41701061、41271091）；科技部基礎性工作專項（2013FY111400）；冰凍圈科學國家重點科學實驗室科研項目（SKLCS-OP-2017-05）。
數據庫(集)組成	數據集由兩部分數據構成，一為冰湖分布範圍的邊界數據，二為2015年冰湖編目數據集合。兩個數據文件分別為：1. West_China_glacial_lake_inventory_extent；2. West_China_glacial_lake_inventory_2015。

Dataset Profile

Title	A dataset of glacial lake inventory in the West China in 2015
Data authors	Yang Chengde, Wang Xin, Wei Junfeng, Liu Shiyin
Data corresponding author	Wang Xin (xinwang_hn@163.com)
Time range	2015
Geographical scope	The West China region with the Tibetan Plateau as its core, has a geographical range of 26°N–55°N，65°E–105°E, with Tibetan Plateau, Himalayas, Hengduan mountain, Tienshan mountain and other regions involved.
Spatial resolution	30 m
Data volume	14.2 MB
Data format	Shapefile（*.shp, *.shx, *.sbx, *.sbn, *.dbf, *.prj, *.CPG, *.xml）
Data service system	<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/615>
Sources of funding	National Science Foundation of China, No.41771075, No.41701061, No.41271091; Groundwork Program of the Ministry of Science and Technology of China, No. 2013FY111400; Fund of State Key Laboratory of Cryosphere Science, No. SKLCS-OP-2017-05.
Dataset composition	This dataset consists of two components. The first one is vector files of glacial lake distribution extent in West China. The second one is dataset of glacial lake inventory of West China in 2015. They are: 1. West_China_glacial_lake_inventory_extent；2. West_China_glacial_lake_inventory_2015.

引 言

中國西部地區以青藏高原為主體，山地冰川廣布、地形條件複雜，湖泊分布密集^[1]。冰湖作為聯結水圈與冰凍圈的紐帶，參與區域能量循環和水汽循環等多種自然過程^[2]，對氣候變化十分敏感^[3]，能夠真實記錄湖泊所處區域的氣候變化信息^[4][5]。在當前氣候條件的影響下，我國西部地區的山地冰川普遍呈現出退縮減薄及物質負平衡加劇的特徵^[6]，更多的冰川融水注入冰湖，致使區域內的冰湖呈現出數量增加與面積擴張的態勢^[7][8]。眾多的冰湖滯留冰川融水，一方面能夠延緩區域內因氣候變暖而引起的水資源虧損，進而調整和改變區域水資源的循環過程；另一方面，隨着冰湖水量的增加與水位的抬升、冰湖湖盆及壩體水熱條件的改變，冰湖潰決風險逐漸增大，不僅會威脅下游地區居民的生產生活，而且會對區域生態環境安全產生負面的影響^[9][4]。

儘管當前已有眾多針對中國局部地區如青藏高原、天山、喜馬拉雅山等地的冰湖編目研究^{[10][11][12][13]}，但由於區域差異顯著，不同學者使用的基礎數據、研究方法與編目規範等各異，因此當前對於我國西部地區冰湖的整體分布與變化特徵仍缺乏深入的理解。隨着遙感技術在地理研究中的普遍應用與計算機技術的快速發展，使得大區域、多尺度的冰湖編目研究成為可能。但我國西部地區地形地貌及氣候條件複雜，且光學遙感影像易受冰雪、雲層覆蓋與山體陰影等的影響，因此對於諸如我國西部地區這類大區域連續時段內的冰湖分布及變化特徵研究仍難以實現。本文結合國內外不同學者提取冰湖邊界和編目的方法^{[14][15][16][17][18][19][20]}，為最大限度地保證數據精度，基於2015–2016年的Landsat OLI影像，採用人工目視解譯的方法提取冰湖邊界，並結合Google Earth判別冰湖類型，經過對編目中錄入屬性的統一規範和精度評價，最終形成了2015年中國西部地區冰湖編目數據集。

1 數據採集和處理方法

1.1 數據源

本文採用的數據主要包括空間分辨率為30 m的Landsat系列光學影像數據、第二次中國冰川編目數據（v1.0）^[21]及空間分辨率為1″的SRTM數字高程數據（http://imagico.de/map/demsearch.php）等。其中包括159景覆盖2015年中国西部地区冰川边界10 km範圍內的冰湖分布區的Landsat OLI遙感影像（圖1），將其作為對中國西部冰湖邊界目視解譯的基準數據。同時為保證冰湖邊界提取的準確性，多選用夏、秋季節（6–11月）雲層覆蓋度低於10％的晴朗天氣的遙感影像數據（約占總體影像數量的86.8％）；冰川編目數據用於確定冰湖編目範圍、並輔助判別冰湖類型及所屬山脈、省域、流域等空間位置屬性。

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圖1 中國西部冰湖編目範圍與遙感影像覆蓋區域示意圖

1.2 數據處理步驟

文中主要包括數據預處理與冰湖邊界矢量化、冰湖編碼及屬性錄入及數據檢查與精度驗證等多個環節（圖2）。首先根據冰川邊界數據建立10 km的緩衝區作為冰湖編目的最大範圍，其次選用5、4、3波段對所有遙感影像進行彩色合成處理。其中，為保證冰湖面積計算的準確性，所有數據均統一採用GCS_WGS_1984地理坐標系統和Asia_North_Albers_Equal_Area_Conic投影系統。之後採用人工目視解譯的方法在ArcGIS中基於遙感影像逐景提取冰湖邊界，其中綜合國內外學者在不同區域的冰湖編目方法，以0.0036 km²（約4個純像元）作為中國西部冰湖編目的最小面積。另外，儘管鄰近純像元的混合像元同樣包含一部分水體，但由於難以確定準確的水體邊界，考慮到基於30 m分辨率遙感影像提取冰湖邊界的誤差約為±0.5個像元^[22]，因此認為最終得到的冰湖矢量化邊界大致處於最鄰近純像元的混合像元的一半附近是較為合理的。

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圖2 1990–2015年中國西部冰湖編目主要流程

為便於探討不同時期冰湖的變化特徵，需要為不同的冰湖賦予唯一的特徵編碼，並且應當保證同一冰湖在不同時期編碼的一致性。因此取各冰湖質心點的經緯度坐標對其編碼，基本格式為「GLmmmmmmEnnnnnN」，其中mmmmmm表示經度值乘1000後的6位數字，整數位小於3位時在千分位補零，nnnnn為緯度乘1000後的5位數字，E、N分別代表東經與北緯。其中，冰湖所屬的空間位置屬性如流域、山脈等與冰川編目數據聯結獲取，所屬分區來源於全球冰川地面網絡（Global Terrestrial Network for Glaciers，https://www.gtn-g.ch/glacreg/），经纬度坐标使用ArcGIS计算得出；冰湖表征属性如面积（km2）、周长（m）等由ArcGIS计算得出，使用SRTM数据提取冰湖质心点对应的高程，并结合ArcGIS、Google Earth平台、遙感影像及冰川編目數據按照是否有冰川融水的補給將其劃分為冰川補給湖和非冰川補給湖兩類，並在此基礎上按照冰川與冰湖距離的遠近將冰川補給湖細分為冰面湖、冰前湖及非接觸型冰川補給湖三個亞類；此外還錄入了各個冰湖對應的遙感影像編碼及其時間、母冰川編碼等屬性。

採用人工目視修正的方式對編目屬性與矢量邊界兩個方面進行了一系列的核查，其中針對冰湖編目屬性的檢查主要為冰湖編碼唯一性的檢查和冰湖類型的檢查。此外，為保證冰湖面積的準確性，對每個冰湖的矢量邊界開展進一步的拓撲檢查與邊界修正。

2 數據樣本描述

本數據集中的中國西部冰湖編目矢量文件可以分為兩個部分，命名規則為：West_China_glacial_lake_inventory_2015和West_China_glacial_lake_inventory_extent，其中前者為2015年我國西部地區的冰湖編目數據矢量文件，後者為我國西部地區的冰湖分布範圍。將數據以點狀形式表示如圖3。

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圖3 中國西部冰湖分布範圍及冰湖分布

3 數據質量控制和評估

基於遙感影像通過人工目視解譯冰湖邊界時產生的誤差一般同遙感影像的質量（時空分辨率、雲層覆蓋度、陰影等）、提取人員的經驗與主觀意識及閾值面積的選取等因素相關。相關研究表明，基於空間分辨率為30 m的Landsat遙感影像提取的冰湖邊界時，由於遙感影像質量造成的面積誤差約為±0.5個像元^[23][22]。根據Hanshaw等^[24]提出的估算冰湖面積誤差的方法，假設解譯造成的面積誤差符合高斯分布，首先用冰湖周長（P）除以影像分辨率（G）得出冰湖邊緣的像元數量；之後將邊緣像元數量乘以0.6872，即假設約有69％（1σ）的像元符合該誤差分布；最後由於冰湖邊界提取的不確定面積為邊界像元面積的一半，公式如下：

\(\mathrm{E}\mathrm{r}\mathrm{r}\mathrm{o}\mathrm{r}\left(1\mathrm{\sigma }\right)=\frac{P}{G}×\frac{{G}^{2}}{2}×0.6872\) (1)

其中Error為最大面積誤差，P為冰湖周長（m），G為遙感影像的空間分辨率（30 m），σ為方差。結果顯示，此數據集中的冰湖面積誤差約為±147.49 km2，占2015年中國西部地區冰湖總面積的±13.0％。

4 數據使用方法和建議

2015年中國西部地區冰湖編目數據集通過SDB（Science Data Bank）提供數據共享服務。數據文件採用Shapefile矢量數據格式存儲，可在ArcMap、ArcCatalog等GIS平台的軟件進行查詢、編輯等操作。本數據集基於人工目視解譯的方式提取冰湖邊界，能夠與中國第二次冰川編目數據結合使用，數據可靠性高，能夠作為中國西部冰湖–冰川耦合關係、水資源利用與管理等相關研究的參考數據，可以為區域氣候變化與冰凍圈等相關研究提供基礎數據支撐。

致 謝

感謝地理空間數據云和美國地質調查局（USGS）等網站提供Landsat影像數據與DEM數字高程數據，感謝中國科學院寒區旱區研究所科學數據中心提供第二次中國冰川編目數據集，感謝谷歌地球（Google Earth）提供高分辨率影像數據。

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數據引用格式

楊成德, 王欣, 魏俊鋒, 劉時銀. 2015年中國西部冰湖編目數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-06-10). DOI: 10.11922/sciencedb.615.