1959–2016年中国阿尔泰山冰川长度数据集

2019-06-24靳惠安姚晓军张大弘

中国科学数据(中英文网络版) 2019年4期

关键词：阿尔泰山编目流线

靳惠安，姚晓军，张大弘

1. 西北师范大学地理与环境科学学院，兰州 730070

2. 甘肃林业职业技术学院林业工程学院，甘肃天水 741020

数据库（集）基本信息简介

引言

冰川作为冰冻圈的重要组成部分[1]，对气候变化具有强烈的指示和预警作用[2-4]。在冰川编目中，冰川长度一般指冰川轴线的最大距离，是表征冰川几何形态的重要参数[5]，也是气候变化重构、冰川冰储量评估、冰川动力学模型构建和冰川未来变化预测的关键参数，在冰川变化研究中具有重要地位[6]。传统的人工提取冰川长度信息方法存在工作效率低、验证难度大等缺点。随着GIS技术的发展，利用自动或半自动方法提取冰川长度信息成为可能[7]。目前，冰川长度的提取方法主要有冰川主流线提取法[8-9]和冰川中流线提取法[5,7,10]。其中主流线法是通过水文分析方法提取汇水线来获取冰川长度[11]；中流线法则是基于冰川边界，由冰川最高点至冰川末端提取中心线来表示冰川长度。

阿尔泰山位于亚洲中部和新疆维吾尔自治区最北端，呈西北–东南走向，斜跨中国、哈萨克斯坦、俄罗斯、蒙古边境，绵亘约 2000 km。中国境内的阿尔泰山为其中部山脊以南山地，哈巴河、布尔津、阿勒泰、富蕴、青河一线以北，地理范围为 45○47′N–49○10′N、85○27′E–91○01′E，长达 500 km。主峰友谊峰（4374 m）位于布尔津河上游喀纳斯河源中蒙交界处[12]，与其北侧的奎屯峰（4101 m）构成高大的山结，为我国阿尔泰山现代冰川集中发育的地区[13]。该区域冬、春季受北冰洋气流影响，夏季主要由西风环流补给，降水较丰沛，降水量由西北向东南递减[12,14]。阿尔泰山区冰川融水，尤其季节性积雪在河流补给比例中高达45%–50%，是该地区河流的主要补给来源[13]。因此，开展阿尔泰山地区的冰川变化研究不仅对认识该区域气候变化具有重要意义，而且对下游地区的水资源合理利用具有实际价值。已有研究表明，1959–2009年我国阿尔泰山地区冰川面积呈减少趋势[14-16]，但对冰川退缩幅度，尤其是冰川末端变化仍缺乏系统性认识。本文基于中国阿尔泰山第一、二次冰川编目数据及2016年冰川矢量数据，通过提取冰川中流线[6]，获得该区域1959–2016年冰川长度数据，从而为区域冰川、气候变化及水资源研究等研究提供基础数据支持。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据源

本数据集所采用的数据包括中国阿尔泰山地区第一、二次冰川编目数据，Landsat OLI遥感影像及数字高程模型（DEM）数据。其中，第一次冰川编目所用数据源为基于 1959年航空摄影测量技术制作的1∶10万地形图；第二次冰川编目数据源为Landsat TM/ETM+遥感影像和1∶10万地形图；2016年冰川矢量数据所用数据源为3景Landsat OLI遥感影像，均由美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS）网站（http://glovis.usgs.gov/）提供；所采用的DEM数据为SRTM DEM，空间分辨率90 m，该数据从地理空间数据云下载获取（http://www.gscloud.cn/）（表1）。

表1 数据集所用数据列表

1.2 数据处理过程

2016年中国阿尔泰山冰川矢量数据的采集与处理采用中国第二次冰川编目方法[17]，基于Landsat OLI遥感影像，通过波段比值与人工交互方法提取冰川边界，同时参考地形图、Google Earth对冰川矢量边界进行检查与修订，最后根据山脊线自动提取方法，对修订后的冰川边界进行分割，得到各条冰川矢量数据[18-19]。冰川长度信息的获取采用姚晓军等[6]提出的冰川中流线提取方法。首先获取各条冰川轮廓上的海拔最高点与海拔最低点，基于提取的冰川轮廓线上海拔最高点与最低点将冰川轮廓线分割为独立且相连的线段，然后采用欧式距离将平面划分多个区域，划分区域所得公共边即视为冰川中流线。基于获取的冰川中流线计算各条冰川长度，同时获取冰川轮廓上最高点与最低点海拔高度。数据处理流程如图1所示。为提高工作效率，利用ArcPy站点包编写程序脚本，并将其转换为可在ArcGIS软件下运行的tbx文件。

图1 中国阿尔泰山冰川编目与冰川中流线提取流程

受地形因素影响，阿尔泰山冰川多属规模较小的单一盆地、单一出口类型。据第二次冰川编目，中国阿尔泰山面积小于2.0 km2的冰川数量占冰川总数量的94%[14]。复式盆地、单一出口类型的大规模冰川数量较少，如喀纳斯冰川。对于此类冰川，处理时将各支流冰川长度汇总计算其最大长度与平均长度。

2 数据样本描述

2.1 数据图形样本

2.1.1 单一盆地、单一出口型冰川

图2为单一盆地、单一出口类型冰川（GLIMS编码为G087717E49104N）不同时期中流线提取结果。1959–2016年，该冰川面积由0.41 km2减少至0.35 km2，冰川长度分别为1262 m、1224 m、1219 m，共退缩43 m（−3.41%），冰川末端海拔上升。

图2 单一盆地、单一出口型冰川的海拔最高点、最低点及中流线

2.1.2 复式盆地、单一出口型冰川

图 3为阿尔泰山喀纳斯冰川 1959年、2006年和 2016年的冰川中流线提取结果。该冰川在1959–2016年呈退缩趋势，面积减少6.31 km2，冰川末端海拔由2409 m上升至2547 m，各支流冰川长度均缩减，最大冰川长度（5号支流）减少1663 m，平均长度由9326 m缩减至7947 m，减少约14.8%。

图3 喀纳斯冰川各支流海拔最高点、最低点及中流线

2.2 数据属性表

中国阿尔泰山地区冰川长度数据属性表由12个字段构成（表2），反映了各条冰川的坐标参数、几何参数和辅助信息。其中，标识码（ID）为提取冰川长度、连接冰川编目与冰川中流线数据属性表时所用的唯一值字段；冰川编码（GLIMS_ID）由14个数字和字符组成，编码方法同中国第二次冰川编目格式；流域编码（CGI_ID）继承自中国第一次冰川编目，代表冰川所在流域内从出水口顺时针方向旋转的顺序；平均长度（Mean_Len）与最大长度（Max_Len）为冰川中流线的平均长度和最大长度，对于单一盆地、单一出口型冰川而言，二者相同；中流线数量（Count）给出了各条冰川提取的中流线数量，其中单一盆地、单一出口型冰川中流线数量为 1，复式盆地、单一出口型冰川中流线数量由其支流数量确定；最高点海拔（Max_Elev）与最低点海拔（Min_Elev）分别记录了提取的冰川中流线最高、最低海拔值；其他属性信息详见表2。

表2 1959–2016年中国阿尔泰山冰川长度数据集属性表说明

3 数据质量控制和评估

2016年中国阿尔泰山冰川数据提取采用波段比值与人工目视解译相结合方法，解译精度控制在1个像元以内。冰川长度提取基于姚晓军等[6]提出的冰川中流线法，对于单一盆地、单一出口型冰川该方法可自动提取，不需人工干预且效果良好；对于复式盆地、单一出口型冰川，当冰川积累区较宽或支流较多时，自动提取的中流线存在局部与冰川物质流动方向不一致现象，此时采用辅助参考线法[6,17-18]对其进行修正。

4 数据价值

基于第一、二次冰川编目数据，2016年冰川矢量数据和SRTM DEM获取了1959–2016年中国阿尔泰山冰川长度数据集。与其他冰川数据集相比较，本数据集更侧重于冰川长度这一基本要素的提取，分别获得该区域1959年（395条）至2016年（273条）冰川的长度数据。此外，自动提取中流线方法与人工修订方法相结合在一定程度上保证了冰川长度数据的可靠性。本数据集可作为分析中国阿尔泰山冰川时空变化特征及其对气候变化的响应过程的基础数据，亦揭示了该区域冰川面积–长度变化之间的定量关系，从而深化区域尺度冰川变化对气候变化的响应机制及规律的科学认知。