2000–2013年黃河源區阿尼瑪卿山冰川區數字高程模型及表面高程變化數據集
| 2000–2013年黃河源區阿尼瑪卿山冰川區數字高程模型及表面高程變化數據集 作者：蔣宗立 劉時銀 郭萬欽 2018年11月26日 |
 蔣宗立, 劉時銀, 郭萬欽. 2000–2013年黃河源區阿尼瑪卿山冰川區數字高程模型及表面高程變化數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2018, 3(4). (2018-09-10). DOI: 10.11922/csdata.2018.0046.zh. |
摘要&關鍵詞[編輯]
摘要：阿尼瑪卿山集中分布了黃河源區81.3%的冰川，該區域冰川變化對黃河源區氣候變化指示及冰川水資源評估具有重要參考意義。應用2013年10月31日的TanDEM-X/TerraSAR-X雙基站合成孔徑雷達數據與SRTM（ Shuttle Radar Topographical Mission）DEM（Digital elevation Model）進行差分干涉獲得了阿尼瑪卿山冰川的數字高程模型及近13年冰川表面高程平均變化數據。本數據集覆蓋黃河源區阿尼瑪卿山全部冰川，TanDEM數字高程模型的水平方向像素大小10 m、高程相對誤差小於2 m，冰川表面高程變化數據集水平方向像素大小為30 m、高程精度為3.7 m。因雷達圖像的陰影與疊掩區域干涉相干度很低，高程值存在很大的不確定性，高程及變化數據集剔除了陰影和疊掩等不可靠區域。本數據集是黃河源區冰川變化及冰川水資高程源評估的重要基礎數據，是後續該區域冰川表面高程變化研究的基礎。
關鍵詞：阿尼瑪卿山；TanDEM-X/TerraSAR-X；數字高程模型；冰面高程變化
Abstract & Keywords[編輯]
Abstract: Glacier surface elevation changes on Ányêmaqên Mountains(2000–2013) and a digital elevation model (DEM) were obtained by performing differential interferometry on bistatic satellite data TanDEM-X/TerraSAR-X and Shuttle Radar Topographical Mission digital elevation model (SRTM dem). The pixel size of the TanDEM dem is 10 m in horizontal direction, with a relative error of less than 2 m. The pixel size of the of the elevation change dataset is30 m in horizontal direction, with a relative error of 3.7 m. Unreliable regions in the radar images, which resulted from shadows and layovers, have been removed. The dataset can be a baseline for glacier elevation and volume change studies, and glacier water resources appraisal.
Keywords: Anyemaqen Mountains; TanDEM-X/TerraSAR-X; digital elevation model; glacier surface elevation change
數據庫（集）基本信息簡介[編輯]
| 數據庫（集）名稱 | 2000–2013年阿尼瑪卿山冰川表面高程變化數據集 |
| 數據通信作者 | 劉時銀（liusy@ynu.edu..cn） |
| 數據作者 | 蔣宗立、劉時銀、郭萬欽 |
| 數據時間範圍 | 2000–2013年 |
| 地理區域 | 地理範圍包括北緯34°25′50″–34°59′27″，東經99°17′2″–99°46′37″。 |
| 空間分辨率 | 30 m（高程變化），10 m（DEM） |
| 數據量 | 9.75 MB（高程變化），124 MB（DEM），462 KB（非疊掩-陰影區域） |
| 數據格式 | *.tif，SHAPE |
| 數據服務系統網址 | http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/626 |
| 基金項目 | 國家自然科學基金(41471067），科技部專項項目（2013FY111400）。 |
| 數據庫（集）組成 | 數據集由2部分數據組成，其一為數字高程模型數據，其二是冰川表面高程變化數據。數據集共包括3個數據文件，其中：1. DEM.zip是數字高程模型數據，數據量124 MB；2. DDEM.zip是冰川表面高程變化數據數據，數據量9.75 MB，包含tif文件；3. RT.zip是非疊掩–陰影區域，裡面包含shapefile文件。 |
Dataset Profile[編輯]
| Title | A dataset of glacier surface elevation changes in Anyemaqen mountains, source region of Yellow River during 2000 – 2013 |
| Data corresponding author | Liu Shiyin (Shiyin.liu@ynu.edu.cn) |
| Data authors | Jiang Zongli, Liu Shiyin, Guo Wanqin |
| Time range | 2000–2013 |
| Geographical scope | Longitude& latitude; geographical scope (34°25′50″–34°59′27″N，99°17′2″–99°46′37″E; Located in the Eastern Tibetan Plateau |
| Data volume | 9.75 MB（Elevation change），124 MB（DEM），462 KB（non-shadow-layover region） |
| Data format | *.tif, SHAPE |
| Data service system | <http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/626> |
| Sources of funding | NSFC, grant number (41471067); Special Basic Research Project of the Ministry of Science and Technology (2013FY111400). |
| Datasetcomposition | The dataset consists of 2 subsets in total. It comprises digital elevation models data and glacier elevation change data, totaling 8 data documents. The subsets are recorded as DEM.zip and DDEM.zip: DEM.zip is made up of digital elevation model data, with a data volume of 124 MB; DDEM.zip is made up of glacier elevation change data, with a data volume of 9.75 MB; RT.zip is made up of non-shadow-layover region data, with a data volume of 462 KB. |
引 言[編輯]
冰川因其對氣候的敏感性而被廣泛作為氣候變化的指示器[1][2]，同時冰川所儲存的淡水資源是區域尤其是乾旱區不可或缺的固體淡水資源[3]。二十世紀後半葉以來的全球變暖導致世界各地的冰川大多數處於快速萎縮和劇烈的冰量損失狀態，對乾旱半乾旱區域水資源造成了巨大的威脅，對冰川物質損失的研究成為了解區域水資源可持續發展的重要手段。由於冰川所在位置的特殊性，以及野外地面實測工作對人力、物力、財力等條件的嚴苛要求，較難採用傳統冰川觀測方法進行冰川物質損失的研究，因此採用遙感的方法研究冰川物質平衡的變化成為近年來冰川變化研究的主要手段。
阿尼瑪卿山是黃河源區冰川分布集中的區域。根據中國第二次冰川編目[4]，阿尼瑪卿山地區分布有現代冰川74條，總面積為102.68 km2，分別占整個黃河流域冰川條數和面積的50%和81.3%。根據前人的研究，阿尼瑪卿山地區的冰川在過去幾十年間也經歷了劇烈的變化，1966-2009年間，冰川面積總體萎縮了20%。阿尼瑪卿山地區的冰川還有一定的特殊性，及部分冰川數據躍動冰川類型，近幾十年間出現過躍動現象[5]。因此，對該區域冰川變化的研究是了解該區域氣候變化及冰川水資源研究的重要基礎，同時也為該區域冰川災害（躍動）後續研究提供基礎數據。
本數據集包括2000年1弧秒(30m) SRTM數據和2013年採用德國宇航局雙基站TerraSAR-X/TanDEM-X合成孔徑雷達干涉測量技術所提取數字高程模型（DEM）進行阿尼瑪卿山地區2000–2013年間冰量變化研究所獲得的成果數據集。相對於基於傳統航空攝影測量以及衛星光學大地測量方法獲得的DEM及其冰量變化數據成果，雷達干涉測量方法精度相對較高，所提取的冰量變化成果也更加可靠，能夠為阿尼瑪卿山地區冰量變化研究提供精確的參考數據。
1 數據採集和處理方法[編輯]
1.1 數據源[編輯]
本數據集包括2種類型的數據成果：①阿尼瑪卿山地區2000年和2013年的冰面高程數據；②利用差分干涉方法生成的2000–2013年間阿尼瑪卿山地區的冰量變化數據集。其中，2000年阿尼瑪卿山地區冰面高程數據來源於美國航空航天局National Aeronautics and Space Administration（NASA）於2000年2月發射的SRTM（Shuttle Radar Topographic Mission），其1弧秒版本（空間分辨率為30 m）於2015年面向公眾正式發布，可免費獲取。2013年冰面高程數據採用德國空間局提供的雙基站TanDEM-X/TerraSAR-X合成孔徑雷達單視複數據（https://tandemx-science.dlr.de/），经过差分干涉处理之后获得。2013年TanDEM-X/TerraSAR-X数据的相关信息见表1。
表1 TerraSAR-X/TanDEM-X數據
| 日期 | 主影像 | 從影像 | 基線/m | 軌道 |
| 2013.10.31 | TerraSAR-X（TSX） | TanDEM-X（TDX） | −182.59 | 降軌 |
2000–2013年間阿尼瑪卿山地區冰面高程變化數據是利用2013年SAR數據與2000年C波段SRTM DEM間的差分干涉方法進行提取，冰川邊界採用中國第二次冰川編目提供的矢量邊界[4]。
1.2 處理方法[編輯]
數據處理採用GAMMA 合成孔徑雷達干涉測量軟件[6]，使用差分干涉測量方法提取數字高程模型及表面高程變化圖。可靠區域的冰川變化需要使用冰川編目邊界文件及雷達陰影–疊掩文件進行提取。
主要步驟（見圖1）為：採用2013年10月31日的TerraSAR-X/TanDEM-X雙基站合成孔徑雷達數據與2000年2月的SRTM DEM進行差分干涉測量，對差分相位進行解纏，轉換為高程差，對高程差進行整體改正，主要是去除基線誤差導致的整體趨勢誤差，得到優化的高程差，使用冰川邊界提取冰川區域的表面高程變化圖（2000–2013）；把優化的高程差再加到配準的SRTM DEM上，得到初始TanDEM，可再次以得到的TanDEM作為參考DEM，重複進行差分干涉，直到差分的高程差足夠小，迭代停止，一般迭代2次即可，即得到最終優化的數字高程模型（TanDEM）。
圖1 DEM及冰川表面高程變化提取流程
2 數據樣本描述[編輯]
第二次冰川編目統計阿尼瑪卿山區有冰川74條，阿尼瑪卿山及周邊DEM見圖2，2000–2013年冰川表面高程變化如圖3。
圖2 2013年10月31日阿尼瑪卿山冰川區及鄰近區域數字高程模型
圖3 2000-2013年阿尼瑪卿山冰川表面高程變化圖
3 數據質量控制和評估[編輯]
DEM覆蓋區域與整個TanDEM-X/TerraSAR-X圖像範圍一致，其水平像素大小為10 m，相對垂直誤差小於2 m，絕對垂直誤差為10 m[7][8]；從美國國家冰雪數據中心(National Snow and Ice Data Center, NSIDC)獲取的ICESat-GLAS激光測高數據，其中GLA14數據產品（Release 633）為全球陸地地面高程數據。由於缺乏地面控制點，將TerraSAR-X/TanDEM-X與SRTM DEM差分干涉方法獲取的數字高程模型與GLA14點相比較，剔除超出±20 m的異常值，在非冰川區的平均值與標準偏差為0.9±11 m，差值的統計標準偏差為±11 m，該值小於1∶50000地形製圖標準允許的中誤差。總體來說，TanDEM的誤差主要來自下墊面的特性例如植被覆蓋、複雜的地形以及處理方法[9][7]。
冰川表面高程變化數據誤差採用對圖像覆蓋區域的整個非冰川區的樣本進行統計，誤差值為標準偏差±3.7 m（圖4）。差分的結果存在誤差主要原因是SRTM DEM本身有誤差，以及於SAR圖像配准精度等使得TanDEM-X/TerraSAR-X與SRTM DEM差分結果存在誤差[10][9][7]。
圖4 非冰川區高程變化
4 數據價值[編輯]
本數據集包括數字高程模型及2013–2000年之間冰川表面高程變化，數字高程模型是高精度高空間分辨率的DEM，是重要的本底數據。冰川表面高程變化數據可為該區域冰川變化及水資源變化研究提供參考。
5 數據使用方法和建議[編輯]
本數據集格式為通用的tif文件，通用地理信息處理軟件均可讀取。坐標系統是WGS84，高程基準是WGS84橢球，後續研究使用本數據集中的數字高程模型，需要與該數字高程模型進行配准。
致 謝[編輯]
感謝德國空間局（DLR）的TerraSAR-X/TanDEM-X數據科學用戶計劃（syl_cas_XTI_LAND6642）提供SAR數據；感謝魏俊鋒、張震、吳坤鵬博士提出的寶貴意見。
參考文獻[編輯]
- ↑ OERLEMANS J. Extracting a Climate Signal from 169 Glacier Records. Science[J]. 2005, 38(29): 674-677.
- ↑ 劉時銀, 魯安新, 丁永建, 等. 黃河上游阿尼瑪卿山區冰川波動與氣候變化[J]. 冰川凍土, 2002, 24(6): 701-707.
- ↑ DING Y J, MU M, ZHANG J Y, et al. Impacts of Climate Change on the Environment, Economy, and Society of China, in Climate and Environmental Change in China: 1951-2012[M]. Berlin: Springer, 2016: 69-92.
- ^ 4.0 4.1 劉時銀, 姚曉軍, 郭萬欽, 等. 基於第二次冰川編目的中國冰川現狀[J]. 地理學報, 2015, 70(1): 3-16.
- ↑ 蔣宗立, 劉時銀,郭萬欽，等. 黃河源區阿尼瑪卿山典型冰川表面高程近期變化[J]. 冰川凍土, 2018, 40(2): 231-237.
- ↑ GAMMA. GAMMA Remote Sensing and Consulting AG (GAMMA). [EB/OL]. [2018-06-30]. http://www.gamma-rs.ch.
- ^ 7.0 7.1 7.2 RIZZOLI P, BRÄUTIGAM B, KRAUS T, et al. Relative height error analysis of TanDEM-X elevation data[J]. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2012, 73: 30-38.
- ↑ MANAS M , VINEE S , MALAY M. Analysis of the accuracy of Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) height models using International Global Navigation Satellite System Service (IGS) Network[J]. Journal of Earth System Science, 2015, 124(6):1343-1357.
- ^ 9.0 9.1 AVTAR R, YUNUS A P, KRAINES S, et al. Evaluation of DEM generation based on Interferometric SAR using TanDEM-X data in Tokyo[J]. Physics and Chemistry of the Earth, 2015, 83: 166-177.
- ↑ NECKEL N, BRAUN A, KROPÁČEK J, et al. Recent mass balance of the Purogangri Ice Cap, central Tibetan Plateau, by means of differential X-band SAR interferometry[J]. The Cryosphere, 2013, 7(5): 1623-1633.
數據引用格式[編輯]
蔣宗立, 劉時銀, 郭萬欽. 2000–2013年阿尼瑪卿山冰川區數字高程模型及表面高程變化數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2018. (2018-06-30). DOI: 10.11922/sciencedb.626.
