基于GF-1光谱数据的青藏地区冰川资源现状遥感调查

安国英，韩 磊，黄树春，谷延群，支瑞荣，郭兆成，童立强

(1.中国国土资源航空物探遥感中心, 北京 100083；2.四川省地质调查院，四川 成都 610081；3.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074；4.湖南省遥感中心，湖南 长沙 410007；5.河北省地矿局水文工程地质勘查院，河北 石家庄 050021)

0 引 言

中国是世界上中低纬度山岳冰川最发育的国家。2012年完成的第二次冰川编目中代表21世纪初期中国冰川的分布状况，显示中国共有冰川48 571条，总面积约5.18×104km2，冰储量4.3×104～4.7×104km3[1]，与代表20世纪60—80年代第一次冰川编目结果(中国有冰川46 377条，总面积约5.94×104km2，冰储量5 600 km3[2])相比，已经发生较大变化。第二次冰川编目统计显示，青海和西藏两省区的冰川数量、冰川面积和冰储量约占全国冰川总数量、面积及冰储量的1/2以上，其中西藏的冰川数量和面积均列第一，而冰储量略低于新疆；青海的冰川数量和规模仅次于西藏和新疆而位居第3。冰川作为重要的固体水资源，主要的大江、大河都有冰川融水补给，尤其是西北干旱区的水资源很大程度上依赖于冰川融水，因此冰川与冰冻圈的研究一直以来备受中国政府和学术界关注[2-5]。

从20世纪70年代以来，随着航空摄影、遥感光学影像、雷达、激光测高、数字高程模型等技术的进步和发展，采用遥感和地理信息相结合的技术已成为冰川研究的重要方法。例如，对于现代冰川的考察研究，由过去的单条冰川深入到区域性全面的编目与冰川的变化监测，从冰川雪线变化、冰心、冰川能量平衡等到冰川变化与水文、气象关系等多个方面观测[6-11]；对冰川变化的研究，从单体冰川定位监测、区域考察到不同时相的遥感影像或航片资料对比；对冰川资源的评价由定性、半定量到定量，从面积变化到高程变化进而确定厚度变化及冰储量等[12-13]。冰川研究所使用的遥感信息，由航摄的黑白航片到彩色航片，及Landsat MSS、TM/ETM+、ASTER、SPOT、IKONOS、ALOS PALSAR、SRTM、GDEM、InSAR等多种数据类型[6,12-18]，目前国内外的多家机构免费共享的光学和微波遥感数据，如TM/ETM+，ASTER、HJ-1A/B、ERS-1/2、ENVISAT、PALSAR等，为冰川变化监测提供了重要的数据基础[16-17]。而美国2013年2月11日发射的Land-Sad 8 OLI卫星数据，弥补自2003年5月31日LandSat 7机载扫描校正仪发生故障而中断的大面积冰川卫星监测共享数据。中国同年4 月 26 日发射的GF-1卫星，除用于精细探测局部的环境污染状况，还可用于水、大气环境和生态环境质量等大范围的宏观监测与评价[19]，截至目前还没见使用该数据对冰冻圈进行调查分析的成果发表。

在全球气候变暖，高海拔地区特别是热带高海拔地区变暖趋势更为明显的背景下，冰川普遍退缩，由冰川变化引发的灾害事件增多，冰湖溃决造成突发性洪水和泥石流等灾害也成为高海拔地区危害严重的地质灾害类型之一[4,20-21]。为落实防灾、减灾和生态环境文明建设，2016年，中国地质调查局实施“青藏冰川变化与冰湖溃决灾害遥感综合调查”项目，旨在充分认识青藏地区冰川与冰湖分布及变化状况，为国土空间管控提供基础数据支持，项目任务之一就是完成三期青藏地区冰川与冰湖编目，以认清青藏地区冰川、冰湖动态变化。本文基于上述项目工作成果，选用国产卫星GF-1光谱数据开展遥感调查，以青海和西藏的冰川分布为例，对该区最新冰川分布情况进行分析和总结，提供国产卫星在冰川学领域的应用实例，可以为同行和其他研究者提供参考。

1 调查区概况

调查区位于西藏和青海2省区，地理坐标为78°24′—103°55′E，26°48′—39°12′N，面积约192万km2。其地势总体是西高东低，由北西向南东倾斜，西藏自治区平均海拔在4 000 m以上[22]，青海省平均海拔在3 000 m以上[23]。区内主体为高原山地地形，在高原山地中夹有宽谷盆地和山间谷地，山地包括昆仑山山系、祁连山山系、唐古拉山山系、念青唐古拉山山系、冈底斯山山系、喜马拉雅山山系等多条长度在1 000 km以上的山脉，其海拔在5 000 m以上大都终年积雪，冰川广布，是中国主要的冰川分布区。中国三类冰川，海洋型、亚大陆型和极大陆型冰川[2]，从调查区南部、东南部向北部、西北部均有发育。

2 使用数据与方法

2.1 数据源简介

GF-1卫星搭载了具有60 km幅宽的两台2 m分辨率全色/8 m分辨率多光谱相机以及800 km幅宽的四台16 m分辨率多光谱相机，是典型的高时间分辨率(宽覆盖)遥感卫星[19]，其中16 m分辨率的数据有4个波段，覆盖周期4天，可用于大范围内的冰川监测(图1(a))。

Landsat-8卫星，是美国陆地探测卫星系列的后续卫星。装备有陆地成像仪(Operational Land Imager，简称“OLI”)和热红外传感器(Thermal Infrared Sensor，简称“TIRS”)。OLI有9个波段的感应器，覆盖了从红外到可见光的波长范围。与Landsat-7卫星的ETM+传感器相比，OLI增加的蓝色波段(0.433～0.453 μm)和短波红外波段(band 9，1.360～1.390 μm)，还用于海岸带观测和云检测[24]。Landsat 系列卫星数据，曾是全球冰冻圈冰川监测的主要数据[14-20](图1(b))。

图1 不同遥感影像对比(局部)图Fig.1 Comparison of GF-1 image and OLI image of glaciers (in part)(a)GF-1影像图(由波段4、3、2合成);(b)OLI影像图 (由波段7、4、1合成)

获取时间数量/景获取时间数量/景获取时间数量/景获取时间数量/景获取时间数量/景2014-01142014-0442014-0752014-11122015-0112014-0222014-05162014-0832014-12232015-0312014-0322014-06222014-09102015-111

2.2 使用数据

本次调查工作使用的数据有卫星影像、数字高程模型数据及“中国第二次冰川编目”矢量数据等。其中GF-1和OLI卫星遥感影像，用于提取冰川边界；SRTM V4数据作为DEM模型数据，用于复合冰川面积的分割与冰川几何参数提取；冰川编码依据“中国第二次冰川编目”。而本次调查使用GF-1影像114景、OLI影像3景，包括2014年114景，2015年3景。数据选取原则：(1)以空间分辨率为16 m的GF-1影像为主，以OLI影像为补充，并以在线的Google Earth影像、OLI影像等作为参考；(2)数据时相，首选夏秋时节，由于工作区范围大，实际使用影像各季节均有(表1)；(3)总体数据云、雾覆盖率<10%，阴影较少、色调层次分明，经处理后满足工作需要。本次数据，总体上可解译程度较高， GF-1影像质量尚好，可清晰识别冰川，色彩层次丰富，但细节较OLI模糊，藏东南个别地区积雪覆盖率<15%；OLI数据质量较好，纹理清晰，云、雪覆盖少，积雪覆盖普遍<10%(图1)。

2.3 研究方法

首先，使用软件系统对卫星影像数据进行自动化处理，输出用于解译的数字高程模型、正射影像等产品，并将投影设定为Albers正轴等积双标准纬线割圆锥投影，WGS84 坐标系，以便准确计算各条冰川面积参数。其次，提取冰川边界，采用人工目视解译，勾绘冰川分布区边界(图2)；对于含有表碛覆盖的冰川，在有经验的冰川专家指导下，消除内部岛状冰碛物，辨别冰川末端和侧碛垄位置。再其次，借助GIS技术利用流域边界水文地质特征和坡向差自动提取山脊线，并经过人工修正获取冰川区山脊线矢量作为分冰岭(图3)，划分出单条冰川(图4)，完成冰川矢量边界提取。

图2 影像图上勾绘冰川边界Fig.2 Glacial boundaries delineated on remote sensing image

在提取单条冰川后，参考“中国第二次冰川编目”中的冰川编码，逐条进行属性信息的编录，包括冰川编码、山系、流域编码、行政区域信息及由GIS软件提取的几何参数和计算结果，如面积、冰储量、周长、朝向、坡度、平均高程、最大高程、最小高程、中值面积高程等数据，还填写了数据源、影像采集时间和提取人、审核人等字段信息。其中，冰储量计算方法采用“中国第二次冰川编目”使用的由Radi和Hock[25]、Grinsted[26]提出的计算方法，本文中冰储量为上述两种算法的统计结果。

V=0.0365A1.375

(1)

V=0.0433A1.29

(2)

式中：V为冰川冰储量，km3；A为冰川面积，km2。

图3 分冰岭自动提取与人工修正结果比对Fig.3 Comparison between the ice ridge via automatic extraction and the artificial revision(a)自动提取分冰岭；(b)经人工修正分冰岭

图4 分冰岭分割单条冰川过程Fig.4 Images of a single glacier divided by ice ridges(a)复合冰川边界；(b)以山脊线作为分冰岭；(c)划分成单条冰川

最后，完成冰川边界提取与分割、属性信息录入后，经过外业查证后，修订疑似的侧碛垄冰川边界，完善冰川遥感调查工作。本次调查工作采用的最小面积基于影像数据分辨率16 m/像元计算，提取最小冰川面积为0.000 2 km2。

3 结果与讨论

3.1 青藏地区冰川分布与规模

据本次调查统计，青藏地区冰川条数共24 796条，面积26 238.25 km2，冰储量(2 074.13±47.07) km3。其中，青海有冰川3 738条，冰川总面积为3 957.92 km2，冰储量为(276.19±0.31) km3；西藏有冰川21 058条，冰川总面积为22 280.33 km2，冰储量为(1 797.94±46.76) km3；青海冰川数量和面积占总数量的15.08%，而冰储量占总数的13.32%，略低于冰川数量、面积占比。就单体冰川而言，这两个地区的平均面积接近，最小面积也接近，最大面积的冰川出现在西藏的昆仑山。与第二次冰川编目相比，两地区冰川总量呈减少趋势；所占比例上，西藏的冰川总体上有所减少，青海略有增加(表2)。

从调查区冰川面积规模等级组成(表3)可以看出，随着冰川面积等级的增大，冰川数量、面积和冰储量呈先增加后减少趋势。青藏地区冰川数量以面积<1.0 km2的冰川为主，共19 983条，约占冰川总数的80.59%，其面积占总面积的19.88%，冰储量不足总储量的8%，其中面积<0.1 km2的冰川数量占总数的26.19%，冰川面积占总面积的1.27%，冰储量仅占总储量的0.26%；面积介于1.0～10.0 km2的冰川面积最大，占总面积的45.59%，冰储量占总储量的34.95%，位列第二；面积介于10～100 km2冰川数量有366条，仅占总数的1.48%，面积和冰储量分别占总面积的30.43%和总冰储量的46.22%；冰川面积≥100 km2的冰川数量只有7条，占总面积的4.10%，其冰储量占到总冰储量的11.28%。与“中国第二次冰川编目”结果相比，各等级面积的冰川数量所占比例近似；从各等级的冰川面积所占比例得知，面积≥100 km2的冰川显著减少，面积介于1.0～10.0 km2之间的冰川比例有所增加，其他等级冰川占比近似；而冰储量方面，面积≥100 km2冰川的冰储量比例在减少，面积<100 km2冰川的冰储量比例却在增加。

表2 青藏地区现代冰川信息统计

注：“*”数据根据“中国第二次冰川编目”数据库信息统计。

表3 青藏地区不同规模冰川信息统计

注：“占比*”的数据引自刘时银等[1]，不同冰川面积分级的数据所占百分比合并计算。

表4 青藏地区面积大于86 km2的现代冰川信息对比

如表4所示，调查区内面积最大的10条冰川，单条冰川面积≥86.0 km2，总面积为1 345.04 km2，占区内冰川总面积的5.13%；冰储量为(282.08±35.61) km3，占总冰储量的13.60%。这几条巨大的冰川集中分布在昆仑山、念青唐古拉山，其中分布在昆仑山南坡的中峰冰川是调查区中面积最大的冰川，面积为237.37 km2。这10条冰川中有7条冰川面积超过100 km2，与“中国第二次冰川编目”成果中调查区内面积≥100 km2的8条冰川相比[1]，已经减少了1条，即那龙冰川面积发生巨大的变化，已经小于100 km2。

3.2 各山系(高原)冰川分布

调查区自北向南依次发育有祁连山、喀喇昆仑山、昆仑山、羌塘高原、唐古拉山、冈底斯山、念青唐古拉山、喜马拉雅山和横断山等9座山系(高原)，这些山脉或山峰的绝对海拔高度及冰川平衡线以上的相对高差，为冰川形成提供了广阔的积累空间和水热条件，从而成为冰川集中分布的区域。以500 m为间距，将冰川平均高程划分为不同的高程区间，分别对冰川数量、面积和冰储量等进行统计(表5和图5(a))，查明5 000～5 500 m海拔区间的冰川数量、面积和冰储量分别占总数的32.48%、33.29%和31.67%；而5 500～6 000 m海拔区间的冰川数量、面积和冰储量分别占总数的45.09%、39.06%和36.72%，冰川规模最大；而6 000～6 500 m海拔区间冰川数量、面积和冰储量分别占12.06%、14.64%和19.21%。这三个海拔区间，冰川数量、面积和冰储量分别占总量的89.63%、86.99%和87.60%。可见，青藏地区5 000～6 500 m之间是冰川集中发育区域，占冰川总量的85%以上。海拔4 000 m以下的地区受气温影响不利于冰川发育，而6 500 m以上由于山地面积较小，冰川面积相应也较少，这两个区域的冰川数量之和占总数量的0.25%，冰川面积总和也仅占冰川总面积的0.10%。从单条冰川看，在4 500～5 000 m的海拔区间，平均面积最大，为1.38 km2；>6 500 m海拔区间，平均面积最小，仅为0.27 km2。以中值面积高程为例，统计各山系(高原)中冰川的分布范围，如图5(b)所示。喜马拉雅山和念青唐古拉山海拔分布范围最大，冰川数量众多；其次是冈底斯山、横断山和昆仑山，羌塘高原和横断山近似；唐古拉山和昆仑山分布范围最小。冰川发育和规模受多重因素制约，山地海拔和高海拔地区的宽展程度是冰川存在的必要条件，热量和水分条件组合是冰川发育的物质基础。低纬度地区山脉的冰川，只能在较高的海拔范围存在，有丰富的降水能维持冰川向较低海拔延伸；纬度高、温度低和较丰富的降水极有利于冰川发育。

表5 青藏地区现代冰川的平均高程分布信息统计

图5 青藏地区不同高程冰川面积分布(a)及山系冰川高程分布范围(b)Fig.5 Distribution of glacial sizes at different altitudes (a) and elevations of modern glaciers in mountain ranges (b) in the Qinghai-Tibet region

行标签数量数量/条占比/%面积面积/km2占比/%冰储量储量/km3 占比/%单条冰川平均值/km2最大值/km2最小值/km2冈底斯山3 86515.591 296.254.9455.85±3.48 2.690.335 421.540.007 4横断山1 1984.83829.663.1641.35±1.941.990.692 515.940.011 2喀喇昆仑山1 7467.041 529.005.83105.25±0.30 5.070.875 747.890.005 2昆仑山2 0598.303 214.3512.25353.67±24.08 17.051.561 1237.370.010 2念青唐古拉山6 36425.678 394.5431.99691.37±19.68 33.331.319 1170.910.010 3祁连山1 1364.58831.293.1746.44±1.45 2.240.731 820.020.004 8羌塘高原1 4685.922 056.137.84162.79±2.63 7.851.400 668.750.010 3唐古拉山1 4886.001 829.416.97139.27±1.636.711.229 454.150.012 4喜马拉雅山5 47222.076 257.6323.85478.15±6.2423.051.143 686.490.009 5总计24 796100.0026 238.25100.00 2 074.13±47.07100.001.058 2237.370.004 8

调查区各山系的冰川统计(表6)显示，喜马拉雅山和念青唐古拉山冰川数量均在5 000条以上，这2座山系共分布冰川11 836条，面积总计14 652.17 km2，分别占调查区冰川数量、面积相应总量的47.74%和55.84%，冰储量占总量的56.39%。冈底斯山中的冰川数量为3 865条，占总数量的15.59%，居第三位，但是冰川面积不足总面积的5%，平均面积最小，仅有0.34 km2，是冰川平均面积最小的山系；昆仑山冰川面积居第三位，占总面积的18.92%，且平均面积最大可达1.56 km2。羌塘高原冰川数量和面积不如前几者，但深居青藏高原腹地，该区域分布若干海拔6 000 m以上的较为平坦的山峰，致使冰川平均面积达1.40 km2，位居第二。喜马拉雅山虽然非常高峻，但山脊较狭窄而限制了冰川扩展，冰川平均面积只有1.14 km2，比总体平均规模略高。冰川数量或面积最少的3座山系分别为冈底斯山、横断山和祁连山，没有冰川面积大于25 km2的冰川，且冰川平均规模均在0.75 km2以下。

3.3 各流域冰川数量与分布

调查区覆盖了8个一级流域(表7)，分属内流区和外流区。根据统计，外流区和内流区的冰川数量分别为17 225条和7 571条，相应的面积为17 876.92 km2和8 361.33 km2，分别占冰川总面积的68.13%和31.87%，相应的冰储量为(1 358.10±22.28) km3和(716.03±24.79) km3，分别占总储量的65.48%和34.52%。中国境内的恒河流域，冰川数量最多，面积、冰储量亦最大，分别占冰川总量的47.87%、52.75%和52.29%。其次是内流区的青藏高原内陆冰川数量、面积和冰储量，分别占冰川总量的21.89%、24.75%和28.81%；冰川分布数量最少和冰川规模最小的黄河流域，仅有冰川 161条，面积128.24 km2，冰储量(8.67±0.03) km3。从冰川平均面积来看，长江流域平均面积1.27 km2，为最大；其次是青藏高原内流区，平均面积约1.20 km2，与恒河流域平均面积1.17 km2接近；中国境内印度河上游冰川平均面积最小，分别为0.44 km2，其他流域介于1.17～0.44 km2之间。

从一级流域冰川规模等级组成(表8)得知，除印度河流域冰川数量以面积<0.1 km2居多之外，其他流域均以面积为0.1～1.0 km2的冰川数量最多；除黄河流域冰川面积以10.0～100.0 km2最多外，其他流域冰川面积以1.0～10.0 km2为最多；冰川面积≥100 km2的7条冰川，其中青藏高原内流区分布有4条，均分布在阿克赛钦湖二级流域，恒河流域分布有3条，也是集中分布在雅鲁藏布江二级流域内(表4)。黄河、湄公河和印度河3个流域，没有面积≥50.0 km2的冰川分布，其中湄公河流域仅有3条冰川的面积>10 km2，单条冰川面积均小于16.0 km2，共森龙巴冰川最大，面积仅为15.94 km2；黄河流域有3条面积≥10.0 km2的冰川，哈龙冰川最大，面积为20.74 km2。萨尔温江流域有2条面积>50 km2的冰川，即若果冰川，其面积为57.38 km2，以及麻果龙冰川，其面积为51.76 km2；恒河流域的冰川，有5条面积>86 km2，15条面积>50 km2；印度河流域有3条面积>50 km2的冰川。

表7 青藏地区现代冰川在不同流域的分布信息统计

表8 青藏地区一级流域冰川规模分布信息统计

3.4 各行政区中冰川数量与分布

本次调查显示(表9)，西藏7个市(地区)均有冰川分布，阿里、林芝、日喀则地区是冰川主要分布区域，占青藏地区冰川规模的50%以上，其中阿里地区冰川数量最多，为5 964条，冰川面积为5 274.38 km2，冰储量为(479.30±21.80) km3，但冰川面积略小于林芝地区的5 640.47 km2；其次为日喀则，冰川数量为4 135条，冰川面积为3 855.64 km2，冰储量(287.54±3.24) km3，略少于林芝地区的面积和冰储量；拉萨有754条冰川，冰川面积为466.53 km2，冰储量为(24.90±0.87) km3，是西藏境内最小的冰川发育区。就单体冰川而言，林芝地区的平均面积最大，约为1.42 km2；其次为昌都地区，为1.28 km2；拉萨的平均面积最小，仅为0.62 km2。

青海境内的冰川相对较少，最大的冰川是发育在布喀达坂峰(又称新青峰)南坡的莫诺马哈冰川，面积为87.07 km2。青海省境内冰川主要分布在海西、玉树、海北、果洛和海南5个自治州，其中海西州冰川数量2 239条，冰川面积2 628.83 km2，冰储量(183.34±0.13) km3，分别占青海冰川总量的59.88%、66.42%和66.38%；其次是玉树州，冰川数量为1 084条，冰川面积1 129.47 km2，冰储量(81.76±0.71) km3，分别占青海冰川总量的29.0%、28.54%和29.60%；海南州冰川规模最小，仅分布有6条小冰川，总面积也仅为0.71 km2。就单条冰川平均面积而言，海西州冰川面积最大，为1.17km2；果洛州次之，为1.15 km2；海南州的平均面积最小，仅为0.12 km2。中国的长江和黄河均发源于青海省的冰川区，冰川融水对于补给江河上游径流具有重要意义，而环绕柴达木盆地山脉上的冰川对于该区农业和石油化工的发展具有重要的经济价值[1]。

表9 青藏地区不同地区现代冰川信息统计

4 结 论

(1)截至2014年底，青藏地区有面积≥0.000 2 km2的冰川24 796条，总面积约2.624×104km2，约占青藏地区总面积的1.37%，冰川储量为2.027～2.121×103km3，其中分布西藏的冰川数量和面积占84.92%、84.92%，冰储量约占86.68%，基本反映了青藏地区的现代冰川现状。

(2)青藏地区冰川数量以面积<1.0 km2的冰川为主，约占冰川总数量的80.59%；面积以介于1.0～10.0 km2的冰川为主，占冰川总面积的45.59%；其次面积为10～100 km2的冰川，所占比例为30.43%，位居第二；面积>100.0 km2的冰川共7条，其中面积最大的中峰冰川面积为237.37 km2，分布在昆仑山峰的南坡。

(3)青藏地区9座山系(高原)均有冰川分布，海拔5 000～6 500 m之间是冰川集中发育区域，占冰川总面积的85%以上。喜马拉雅山和念青唐古拉山2座山系发育了11 836条冰川，面积为14 652.17 km2，冰储量(1 169.52±25.92) km3，分别占冰川相应总量的47.74%、55.84%和56.39%。冰川数量、面积和冰储量最少的山系是横断山和祁连山，分别占调查区冰川数量、面积和冰储量相应总量的9.41%、6.33%和4.23%。昆仑山冰川平均面积最大，为1.56 km2；冈底斯山冰川平均面积最小，仅为0.34 km2。

(4)青藏地区外流区冰川数量和面积均多于内流区，分别约占冰川总面积的68.13%和31.87%。恒河外流区是冰川分布数量最多、面积和冰储量最大的一级流域；其次是青藏高原内流区。这两个区域的冰川数量、面积、冰储量分别占调查区冰川总量的69.76%、77.50%和81.10%。黄河流域是冰川数量最少、规模最小的一级流域，仅有冰川161条，面积128.24 km2。长江流域冰川平均面积最大，为1.27 km2。印度河流域冰川平均面积最小，为0.44 km2。

(5)冰川在西藏的7个地区(市)和青海的5个州中均有分布，西藏阿里、林芝和日喀则地区冰川数量和面积最多，占青藏地区的50%以上，单条冰川平均面积林芝地区最大，其次是昌都地区，青海省海南州的平均冰川面积最小，仅为0.12 km2；青海无论是冰川数量还是冰川面积都远少于西藏。

(6) 本次调查使用的GF-1影像可清晰识别冰川，色彩层次亦丰富，质量尚好但细节较OLI模糊，总体上能够满足冰川调查需要；与国际上冰川监测常用的ETM或者OLI相比，GF-1有4个波段相对较少，4天的覆盖周期时间分辨率较高，可以作为冰川调查的数据源。

致谢：本文是“青藏冰川变化与冰湖溃决灾害遥感综合调查”二级项目中“青藏地区冰川冰川湖动态变化中分辨率遥感调查”子项目的部分调查成果，谨对参与完成该调查工作的其他人员表示感谢。

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