1959–2016年中國阿爾泰山冰川長度數據集

1959–2016年中國阿爾泰山冰川長度數據集
作者：靳惠安　姚曉軍　張大弘
2019年10月22日

本作品收錄於《中國科學數據》

靳惠安, 姚曉軍, 張大弘. 1959–2016年中國阿爾泰山冰川長度數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2019, 4(4). (2019-09-10). DOI: 10.11922/csdata.2019.0013.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：阿爾泰山位於亞洲中部和新疆最北端，是我國冰川發育緯度最高的地區。阿爾泰山地區冰川屬亞大陸型，受全球氣候變暖影響，該區域冰川退縮劇烈。本數據集基於中國阿爾泰山地區兩次冰川編目數據、2016年Landsat OLI遙感影像及數字高程模型（DEM）等相關數據，提取不同時期該地區冰川中流線，繼而獲得逐條冰川長度信息。數據集包含兩個文件：1）基於Landsat OLI遙感影像及數字高程模型提取的2016年中國阿爾泰山冰川編目矢量數據；2）基於中流線方法提取的1959年、2006年、2016年中國阿爾泰山冰川中流線矢量數據。本數據集反映了1959–2016年中國阿爾泰山地區冰川長度變化信息，可作為區域冰川變化、氣候變化等研究的基礎數據。

關鍵詞：冰川長度；冰川中流線；冰川編目；阿爾泰山

Abstract & Keywords

Abstract: The Altay Mountains is situated in the northernmost part of Xinjiang Uygur Autonomous Region and has numerous glaciers in the highest latitude in China. Glaciers in this region had been experiencing dramatic recessions due to global warming. Based on the First Chinese Glacier Inventory (FCGI), the Second Chinese Glacier Inventory (SCGI), Landsat OLI images and SRTM DEM (V4.1), the centerlines of glaciers in different periods were extracted using GIS technology, then their main geometrical parameters (e.g., the maximum of lengths or the mean of lengths) were obtained. This dataset includes two parts: 1) glacier boundary vector files in 2016 in Chinese Altay Mountains; 2) glacier centerlines vector files in 1959, 2006 and 2016 in Chinese Altay Mountains. This dataset can reflect the changes of glaciers in Chinese Altay Mountains from 1959 to 2016 and has important values for some studies such as regional glacier changes, climate changes, etc.

Keywords: glacier length; glacier centerline; glacier inventory; Altay Mountains

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	1959–2016年中國阿爾泰山冰川長度數據集
數據作者	靳惠安、姚曉軍、張大弘
數據通信作者	姚曉軍（yaoxj_nwnu@163.com）
數據時間範圍	1959–2016年
地理區域	地理範圍包括北緯45°47′–49°10′，東經85°27′–91°01′
數據量	866 KB
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/753
基金項目	國家自然科學基金（41561016，41861013，41801052）；西北師範大學青年教師科研能力提升計劃項目（NWNU-LKQN-14-4）。
數據庫（集）組成	數據集共包括2個數據文件：Altay_glacier_inventory.zip是2016年冰川邊界矢量數據；Altay_glacier_centerline.zip是1959、2006、2016年冰川長度矢量數據。

Dataset Profile

Title	A dataset of glacier length in Chinese Altay Mountains from 1959 to 2016
Data corresponding author	Yao Xiaojun (yaoxj_nwnu@163.com)
Data authors	Jin Huian, Yao Xiaojun, Zhang Dahong
Time range	1959–2016
Geographical scope	45°47′N-49°10′N, 85°27′E-91°01′E
Data volume	866 KB
Data format	ESRI Shapefile file (compressed in *.zip)
Data service system	<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/753>
Sources of funding	National Natural Science Foundation of China (41561016, 41861013, 41801052); Earlier Career Research Promotion Program of Northwest Normal University (NWNU-LKQN-14-4).
Dataset composition	The dataset consists of 2 subsets: Altay_glacier_inventory.zip is the glacier outline of Altay mountain in 2016; Altay_glacier_centerline.zip is the glacier centerlines in 1959, 2006 and 2016.

引 言

冰川作為冰凍圈的重要組成部分^[1]，對氣候變化具有強烈的指示和預警作用^[2][3][4]。在冰川編目中，冰川長度一般指冰川軸線的最大距離，是表徵冰川幾何形態的重要參數^[5]，也是氣候變化重構、冰川冰儲量評估、冰川動力學模型構建和冰川未來變化預測的關鍵參數，在冰川變化研究中具有重要地位^[6]。傳統的人工提取冰川長度信息方法存在工作效率低、驗證難度大等缺點。隨着GIS技術的發展，利用自動或半自動方法提取冰川長度信息成為可能^[7]。目前，冰川長度的提取方法主要有冰川主流線提取法^[8][9]和冰川中流線提取法^[10][7][5]。其中主流線法是通過水文分析方法提取匯水線來獲取冰川長度^[11]；中流線法則是基於冰川邊界，由冰川最高點至冰川末端提取中心線來表示冰川長度。

阿爾泰山位於亞洲中部和新疆維吾爾自治區最北端，呈西北–東南走向，斜跨中國、哈薩克斯坦、俄羅斯、蒙古邊境，綿亙約2000 km。中國境內的阿爾泰山為其中部山脊以南山地，哈巴河、布爾津、阿勒泰、富蘊、青河一線以北，地理範圍為45°47′N–49°10′N、85°27′E–91°01′E，長達500 km。主峰友誼峰（4374 m）位於布爾津河上游喀納斯河源中蒙交界處^[12]，與其北側的奎屯峰（4101 m）構成高大的山結，為我國阿爾泰山現代冰川集中發育的地區^[13]。該區域冬、春季受北冰洋氣流影響，夏季主要由西風環流補給，降水較豐沛，降水量由西北向東南遞減^[14][12]。阿爾泰山區冰川融水，尤其季節性積雪在河流補給比例中高達45%–50%，是該地區河流的主要補給來源^[13]。因此，開展阿爾泰山地區的冰川變化研究不僅對認識該區域氣候變化具有重要意義，而且對下游地區的水資源合理利用具有實際價值。已有研究表明，1959–2009年我國阿爾泰山地區冰川面積呈減少趨勢^[15][16][14]，但對冰川退縮幅度，尤其是冰川末端變化仍缺乏系統性認識。本文基於中國阿爾泰山第一、二次冰川編目數據及2016年冰川矢量數據，通過提取冰川中流線^[6]，獲得該區域1959–2016年冰川長度數據，從而為區域冰川、氣候變化及水資源研究等研究提供基礎數據支持。

1 數據採集和處理方法

1.1 數據源

本數據集所採用的數據包括中國阿爾泰山地區第一、二次冰川編目數據，Landsat OLI遙感影像及數字高程模型（DEM）數據。其中，第一次冰川編目所用數據源為基於1959年航空攝影測量技術製作的1∶10萬地形圖；第二次冰川編目數據源為Landsat TM/ETM+遙感影像和1∶10萬地形圖；2016年冰川矢量數據所用數據源為3景Landsat OLI遙感影像，均由美國地質調查局（United States Geological Survey，USGS）網站（http://glovis.usgs.gov/）提供；所采用的DEM数据为SRTM DEM，空間分辨率90 m，該數據從地理空間數據云下載獲取（http://www.gscloud.cn/）（表1）。

表1 數據集所用數據列表

序號	數據源	ID	時間	分辨率（m）
1	中國阿爾泰山第一次冰川編目	CGI2_V1_0_0	1959年	/
2	中國阿爾泰山第二次冰川編目	CGI2_V2_0_0	2006年	/
3	SRTM DEM	V4.1	2000年	90
4	Landsat OLI	LC81440262016224LGN00	2016-08-11	30
5	Landsat OLI	LC81420272016226LGN00	2016-08-13	30
6	Landsat OLI	LC81430262016249LGN01	2016-09-05	30

1.2 數據處理過程

2016年中國阿爾泰山冰川矢量數據的採集與處理採用中國第二次冰川編目方法^[17]，基於Landsat OLI遙感影像，通過波段比值與人工交互方法提取冰川邊界，同時參考地形圖、Google Earth對冰川矢量邊界進行檢查與修訂，最後根據山脊線自動提取方法，對修訂後的冰川邊界進行分割，得到各條冰川矢量數據^[18][19]。冰川長度信息的獲取採用姚曉軍等^[6]提出的冰川中流線提取方法。首先獲取各條冰川輪廓上的海拔最高點與海拔最低點，基於提取的冰川輪廓線上海拔最高點與最低點將冰川輪廓線分割為獨立且相連的線段，然後採用歐式距離將平面劃分多個區域，劃分區域所得公共邊即視為冰川中流線。基於獲取的冰川中流線計算各條冰川長度，同時獲取冰川輪廓上最高點與最低點海拔高度。數據處理流程如圖1所示。為提高工作效率，利用ArcPy站點包編寫程序腳本，並將其轉換為可在ArcGIS軟件下運行的tbx文件。

圖片

圖1 中國阿爾泰山冰川編目與冰川中流線提取流程

受地形因素影響，阿爾泰山冰川多屬規模較小的單一盆地、單一出口類型。據第二次冰川編目，中國阿爾泰山面積小於2.0 km2的冰川數量占冰川總數量的94%^[14]。複式盆地、單一出口類型的大規模冰川數量較少，如喀納斯冰川。對於此類冰川，處理時將各支流冰川長度匯總計算其最大長度與平均長度。

2 數據樣本描述

2.1 數據圖形樣本

2.1.1 單一盆地、單一出口型冰川

圖2為單一盆地、單一出口類型冰川（GLIMS編碼為G087717E49104N）不同時期中流線提取結果。1959–2016年，該冰川面積由0.41 km2減少至0.35 km2，冰川長度分別為1262 m、1224 m、1219 m，共退縮43 m（−3.41%），冰川末端海拔上升。

圖片

圖2 單一盆地、單一出口型冰川的海拔最高點、最低點及中流線

2.1.2 複式盆地、單一出口型冰川

圖3為阿爾泰山喀納斯冰川1959年、2006年和2016年的冰川中流線提取結果。該冰川在1959–2016年呈退縮趨勢，面積減少6.31 km2，冰川末端海拔由2409 m上升至2547 m，各支流冰川長度均縮減，最大冰川長度（5號支流）減少1663 m，平均長度由9326 m縮減至7947 m，減少約14.8%。

[CSD-2019-013R7t2.jpg 圖片]

圖3 喀納斯冰川各支流海拔最高點、最低點及中流線

2.2 數據屬性表

中國阿爾泰山地區冰川長度數據屬性表由12個字段構成（表2），反映了各條冰川的坐標參數、幾何參數和輔助信息。其中，標識碼（ID）為提取冰川長度、連接冰川編目與冰川中流線數據屬性表時所用的唯一值字段；冰川編碼（GLIMS_ID）由14個數字和字符組成，編碼方法同中國第二次冰川編目格式；流域編碼（CGI_ID）繼承自中國第一次冰川編目，代表冰川所在流域內從出水口順時針方向旋轉的順序；平均長度（Mean_Len）與最大長度（Max_Len）為冰川中流線的平均長度和最大長度，對於單一盆地、單一出口型冰川而言，二者相同；中流線數量（Count）給出了各條冰川提取的中流線數量，其中單一盆地、單一出口型冰川中流線數量為1，複式盆地、單一出口型冰川中流線數量由其支流數量確定；最高點海拔（Max_Elev）與最低點海拔（Min_Elev）分別記錄了提取的冰川中流線最高、最低海拔值；其他屬性信息詳見表2。

表2 1959–2016年中國阿爾泰山冰川長度數據集屬性表說明

序號	名稱	數據類型	字符長度	字段描述
1	ID	Double	6	標識碼
2	GLIMS_ID	Text	14	冰川編碼
3	CGI_ID	Text	10	流域編碼
4	Area	Double	10	冰川面積
5	Mean_Len	Double	10	平均長度
6	Max_Len	Double	10	最大長度
7	Count	Short Integer	4	中流線數量
8	Max_Elev	Short Integer	4	最高點海拔
9	Min_Elev	Short Integer	4	最低點海拔
10	DataSource	Text	30	數據源
11	Year	Date	/	年份
12	Author	Text	10	作者

3 數據質量控制和評估

2016年中國阿爾泰山冰川數據提取採用波段比值與人工目視解譯相結合方法，解譯精度控制在1個像元以內。冰川長度提取基於姚曉軍等^[6]提出的冰川中流線法，對於單一盆地、單一出口型冰川該方法可自動提取，不需人工干預且效果良好；對於複式盆地、單一出口型冰川，當冰川積累區較寬或支流較多時，自動提取的中流線存在局部與冰川物質流動方向不一致現象，此時採用輔助參考線法^[19][17][6]對其進行修正。

4 數據價值

基於第一、二次冰川編目數據，2016年冰川矢量數據和SRTM DEM獲取了1959–2016年中國阿爾泰山冰川長度數據集。與其他冰川數據集相比較，本數據集更側重於冰川長度這一基本要素的提取，分別獲得該區域1959年（395條）至2016年（273條）冰川的長度數據。此外，自動提取中流線方法與人工修訂方法相結合在一定程度上保證了冰川長度數據的可靠性。本數據集可作為分析中國阿爾泰山冰川時空變化特徵及其對氣候變化的響應過程的基礎數據，亦揭示了該區域冰川面積–長度變化之間的定量關係，從而深化區域尺度冰川變化對氣候變化的響應機制及規律的科學認知。

5 數據使用方法和建議

本數據集採用的文件格式為ESRI Shapefile矢量數據，地理坐標係為WGS-1984，投影坐標係為Albers等積投影，可以在ArcGIS等GIS軟件或ENVI等遙感軟件下打開、顯示、編輯、查看和統計。

致 謝

感謝美國地質調查局、地理空間數據云提供的Landsat OLI數據和DEM數據，感謝科技部科技基礎性工作專項「中國冰川資源及其變化調查」項目組提供的冰川編目數據。

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數據引用格式

靳惠安, 姚曉軍, 張大弘. 1959–2016年中國阿爾泰山冰川長度數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2019-04-17). DOI: 10.11922/sciencedb.753.