廖靜娟，趙云，陳嘉明

1.中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所數(shù)字地球重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094

2.海南省地球觀測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海南三亞 572029

3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

引 言

高亞洲（High Mountain Asia）地區(qū)位于亞洲中部，由喜馬拉雅山、興都庫什山、岡底斯山、昆侖山、橫斷山、祁連山和天山等山脈及帕米爾等高原的高海拔山地與高原地區(qū)構(gòu)成；范圍西起興都庫什山脈和天山山脈西端，東至祁連山脈東南緣—邛崍山東麓—橫斷山脈，橫跨約45個經(jīng)度；南自蘇萊曼山脈南麓—喜馬拉雅山脈南緣—橫斷山脈南端，北迄天山山脈北側(cè)阿爾金山和祁連山北緣，縱貫約 22 個緯度；海拔 2000-8844 m，平均海拔 4046 m；分布在 61°57′23′′E-105°29′38″E，24°40′48″N-45°46′18′′N，面積約為3804.98×103 km2，約占亞洲陸地總面積的9.34%。在高亞洲地區(qū)，分布有面積大于1 km2的湖泊1000多個，這些湖泊受人類活動影響較少，其變化主要受自然因素的驅(qū)動，而湖泊水位是開展全球變化研究和評價湖泊水量的重要指標(biāo)。因此在該區(qū)域開展湖泊水位變化監(jiān)測對研究該區(qū)域的氣候變化和生態(tài)環(huán)境變化具有重要意義。

然而，由于該區(qū)域地處偏遠(yuǎn)，環(huán)境惡劣，在地表布設(shè)水文站點(diǎn)進(jìn)行湖泊監(jiān)測較為困難。衛(wèi)星測高技術(shù)經(jīng)過 20余年的應(yīng)用，在湖泊水位監(jiān)測中取得了重要的成果[1-6]。針對高亞洲地區(qū)的湖泊，前人曾利用激光雷達(dá)測高衛(wèi)星ICESat-1監(jiān)測了青藏高原湖泊2003-2009年的水位變化[7-9]，Gao等[3]融合ENVISAT、Jason-1、Jason-2和Cryosat-2雷達(dá)高度計數(shù)據(jù)獲取到51個青藏高原湖泊2002-2012年的水位變化，Hwang等[10]利用T/P系列雷達(dá)高度計數(shù)據(jù)監(jiān)測了23個青藏高原湖泊1993-2014年間的水位變化，Kleinherenbrink等[11]和Jiang等[6]則利用Cryosat-2 SARIn數(shù)據(jù)分別監(jiān)測了青藏高原湖泊2012-2014年和2010-2014年的水位變化。此外，還有學(xué)者專門針對青藏高原的單個湖泊（如青海湖、納木措和扎日南木措等）進(jìn)行了長時序的水位變化監(jiān)測[5,12-17]。因此，已有的研究主要針對青藏高原湖泊，而對于整個高亞洲地區(qū)湖泊，目前還未有完全監(jiān)測數(shù)據(jù)，為此，我們利用ENVISAT/RA-2、Jason-2和Cryosat-2/SIRAL等多源雷達(dá)高度計的GDR（Geophysical Data Record）數(shù)據(jù)，獲取了87個高亞洲湖泊2002-2017年的水位變化，構(gòu)成了基于多源雷達(dá)高度計數(shù)據(jù)的高亞洲湖泊水位變化數(shù)據(jù)集，為開展高亞洲地區(qū)的區(qū)域環(huán)境變化和水資源管理提供數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

2002-2017年高亞洲湖泊水位變化數(shù)據(jù)集主要基于多源雷達(dá)高度計數(shù)據(jù)融合生成。使用的數(shù)據(jù)資料包括：

（1）MODIS植被指數(shù)產(chǎn)品（MOD13Q1）。該產(chǎn)品是美國國家宇航局（NASA）提供的空間分辨率為250米、時間間隔16天的高時相大尺度數(shù)據(jù)，包括EVI、red_reflectance 12等12個波段，本文采用了歸一化植被指數(shù)（NDVI）波段。利用該產(chǎn)品影像，提取湖泊的邊界。

（2）ENVISAT/RA-2高度計數(shù)據(jù)。ENVISAT是歐空局（ESA）于2002年3月發(fā)射的極軌對地觀測衛(wèi)星，其上攜帶的RA-2是監(jiān)測內(nèi)陸水域水位方面應(yīng)用較廣泛的一種高度計數(shù)據(jù)，其GDR產(chǎn)品采用了Ocean、Ice-1、Ice-2和Sea-Ice共4種重跟蹤算法。前人研究表明，基于Ice-1算法的數(shù)據(jù)最適用于陸地水文應(yīng)用研究[18-19]，故本文將采用此數(shù)據(jù)來提取高亞洲湖泊的水位，時間跨度為 2002-2010年。

（3）Cryosat-2/SIRAL高度計數(shù)據(jù)。Cryosat-2衛(wèi)星工作在Ku波段，主要包括3種測量模式：低分辨率指向星下點(diǎn)的高度計測量模式（LRM）、SAR測量模式和SAR干涉測量模式（SARIn）[20-21]。經(jīng)過高亞洲的數(shù)據(jù)為LRM測量模式，最新更新的GDR產(chǎn)品中，LRM模式數(shù)據(jù)采用了Refined CFI、UCL和Refined OCOG 3種重跟蹤算法。本文采用2010-2017年Cryosat-2/SIRAL LRM的GDR數(shù)據(jù)。

（4）Jason-2高度計數(shù)據(jù)。Jason-2是由美國NASA和法國空間局（CNES）2008年6月發(fā)射的用于海洋表面地形觀測的極軌衛(wèi)星，其上攜帶Poseidon-3雷達(dá)高度計工作在Ku和C波段，重軌周期10天。本文使用的GDR數(shù)據(jù)產(chǎn)品時間跨度為2008-2017年。

（5）青海省下社水位站2001-2012年5-10月的實(shí)測水位數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)用于對所生成的數(shù)據(jù)集進(jìn)行精度驗(yàn)證。

（6）Hydroweb湖泊水位產(chǎn)品數(shù)據(jù)。Hydroweb是由法國和俄羅斯共建的一個可提供全球湖泊水位產(chǎn)品的數(shù)據(jù)中心（http://www.LEGOS.obs-mip.fr/soa/hydrologie/HYDROWEB），可提供全球150個湖泊和水庫的水位數(shù)據(jù)，由T/P、GFO、ERS-2、Jason-1、Jason-2和ENVISAT 6種測高數(shù)據(jù)生成。與本研究對應(yīng)的高亞洲湖泊在Hydroweb數(shù)據(jù)庫中有10個湖泊，本研究對10個湖泊提取的水位產(chǎn)品進(jìn)行了對比（詳見第3.2節(jié)）。

1.2 數(shù)據(jù)處理

對高度計的GDR數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)公式（1），便獲得湖面每個點(diǎn)的高程值。

式中，halt代表衛(wèi)星的高度；hgeoid代表大地水準(zhǔn)面高程；R代表雷達(dá)高度計到水面的距離；ΔR代表各項(xiàng)改正值，這里主要運(yùn)用了干濕對流層改正、電離層改正、海況偏差和潮汐改正。

然后首先利用MODIS MOD13Q1產(chǎn)品的NDVI波段，針對不同湖泊不同時相的影像，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)選取合適的閾值，在ENVI軟件環(huán)境下，經(jīng)過坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換、批量裁剪、密度分割、柵格矢量轉(zhuǎn)換等處理過程，獲得每個湖泊的矢量邊界，提取每個湖泊2002-2016年的湖泊邊界。對于邊界變化較小，即小于高度計兩個測量點(diǎn)間距離的湖泊，采用了統(tǒng)一的邊界；而對于湖泊邊界變化較大的，采用相對實(shí)時的湖泊邊界。其次，對湖面上所有的20 Hz的水位觀測點(diǎn)，先目視解譯，剔除明顯的異常水位，然后與總體水位平均值作差，再次目視解譯剔除明顯異常值。對于每一天的數(shù)據(jù)，用3σ準(zhǔn)則剔除異常值后，將一天中的所有有效水位值取平均作為單天水位。對整體單天水位數(shù)據(jù)采用高斯濾波法去除噪聲，得到較為干凈的單天水位序列，將單天水位按月取平均得到月平均水位，按年取平均得到年平均水位。

分別提取Cryosat-2、Jason-2和ENVISAT/RA-2 3種高度計的水位，然后對提取的水位進(jìn)行融合，得到 2002-2017年湖泊的水位時間序列。由于 Cryosat-2、Jason-2和 ENVISAR/RA-2都是采用了EGM96的重力場模型，因此3種數(shù)據(jù)水位之間不需要進(jìn)行高程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換，但是這3種數(shù)據(jù)之間仍然存在著系統(tǒng)偏差，需要對其進(jìn)行消除。Jason-2數(shù)據(jù)與另外兩種數(shù)據(jù)都有較長時間的重合部分，故以Jason-2數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)分別計算Crysat-2和ENVISAR/RA-2兩種數(shù)據(jù)的結(jié)果與Jason-2所得水位的平均差值。對單天水位，根據(jù)上一步算出的差值，將這兩種水位結(jié)果變換到與Jason-2相同的水平上來，對于有多個水位值的時間點(diǎn)，將這多個水位值（2個或3個）取平均作為該時間點(diǎn)的水位值，這樣便得到由3種高度計數(shù)據(jù)融合而得的單天水位時間序列，進(jìn)而得到融合后的月平均水位序列及年平均水位序列；對獲得的年平均水位序列作簡單線性回歸，得到2002-2017年的平均水位變化趨勢。研究的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 多源高度計數(shù)據(jù)湖泊水位序列提取技術(shù)路線圖

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)集信息

本數(shù)據(jù)集為87個高亞洲湖泊2002-2017年的水位變化序列，每個湖泊水位變化序列數(shù)據(jù)包括湖泊的單天水位、月平均水位和年平均水位，數(shù)據(jù)集存儲在 Excel文件中，命名規(guī)則為“HMA_湖泊ID_湖泊名（英文）”。每個湖泊的2002-2017年水位年平均變化率采用簡單線性回歸計算，和湖泊的分布范圍一起存貯在Shape文件中，全部湖泊的年均變化狀況見圖2及表1。

圖2 高亞洲湖泊2002-2017年水位年均變化狀況圖（圖中藍(lán)色數(shù)字代表湖泊編號）

表1 高亞洲湖泊2002-2017年水位年均變化狀況統(tǒng)計表

編號 湖泊名稱 年變化率（m/y） p值 編號 湖泊名稱 年變化率（m/y） p值36 郭扎措 -0.037 0.024 80 波濤湖 -0.047 0.320 37 拉昂措 -0.065 0.014 81 達(dá)如措 -0.028 0.373 38 巴木措 -0.062 0.381 82 拉雄措 0.238 ＜0.001 39 冬給措納湖 0.066 0.017 83 嘉措 0.231 0.001 40 茲格塘措 0.194 ＜0.001 84 珍措 -0.391 0.045 41 堿水湖 0.340 0.009 85 托克托古爾水庫 -0.377 0.115 42 錯仁德加 0.105 0.004 86 Chatyr-Kol湖 -0.087 0.163 43 許如措 -0.042 0.352 87 Song-Kul湖 -0.032 0.043 44 達(dá)布遜湖 -0.021 0.321

2.2 數(shù)據(jù)樣本

數(shù)據(jù)集中每個數(shù)據(jù)樣本包括了每個湖泊的單天水位（day）、月平均水位（month）和年平均水位（year），每種水位都可單獨(dú)成圖，得到不同的水位序列。圖3展示了青海湖的月平均水位序列。

圖3 多源高度計數(shù)據(jù)提取的青海湖2002-2017年月平均水位變化

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

3.1 數(shù)據(jù)缺失情況說明

由于高度計衛(wèi)星在高亞洲地區(qū)的過境覆蓋的差異，不是所有湖泊都有上述3種高度計數(shù)據(jù)覆蓋，其中除編號12的烏蘭烏拉湖只有Jason-2數(shù)據(jù)覆蓋外，其他86個湖泊均有Cryosat-2數(shù)據(jù)不同程度的覆蓋，ENVISAT/RA-2數(shù)據(jù)覆蓋了大部分的湖泊，而Jason-2數(shù)據(jù)覆蓋的湖泊數(shù)量卻較少，因此得到的 87個湖泊的水位序列時間跨度并不都為 2002-2017年，其中時間跨度最短的為達(dá)如措（編號81）和珍措（編號84），跨度分別為2011-2015年和2010-2014年。對于每個湖泊的時間跨度，在數(shù)據(jù)集中均已清楚顯示。

3.2 數(shù)據(jù)集提取精度驗(yàn)證

利用獲取的青海湖實(shí)測水位數(shù)據(jù)，開展了水位提取精度驗(yàn)證。圖4為高度計提取青海湖的單天水位序列、月平均水位序列、年平均水位序列與實(shí)測水位的對比圖，并計算了它們之間的均方根誤差（RMSE）與相關(guān)系數(shù)（表 2）。結(jié)果顯示，不管是單天水位還是年際水位，兩組水位結(jié)果的整體變化趨勢一致，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.95以上，水位提取精度為0.1 m左右。

表2 高度計提取水位序列與實(shí)測水位的對比

圖4 高度計提取青海湖水位序列與實(shí)測水位對比圖

3.3 與已有數(shù)據(jù)產(chǎn)品的對比

本數(shù)據(jù)集包含的87個高亞洲湖泊中，同時期歐洲Hydroweb數(shù)據(jù)庫監(jiān)測了其中10個湖泊。為此，我們與其進(jìn)行了對比（表3）。結(jié)果顯示，除赤布張措和托克托古爾水庫外，本研究提取的其他湖泊水位與Hydroweb水位產(chǎn)品的誤差均小于1 m，說明本研究提取的湖泊水位產(chǎn)品精度較為可信。

表3 本研究提取的湖泊水位產(chǎn)品與Hydroweb水位產(chǎn)品的對比

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集包含了高亞洲區(qū)域2002-2017年87個湖泊的水位變化序列及水位年均變化率信息。本數(shù)據(jù)集可以單獨(dú)使用，也可結(jié)合湖泊面積變化數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對湖泊水量變化的估算。本數(shù)據(jù)集可服務(wù)于地方或國家水文信息監(jiān)測中心日常監(jiān)測業(yè)務(wù)，也可作為關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用于科學(xué)研究，包括高亞洲地區(qū)湖泊水體動態(tài)變化規(guī)律、氣候和環(huán)境變化研究以及水資源管理等。

致 謝

此研究中用到的高度計數(shù)據(jù)來源于歐洲航空局（ESA），MODIS圖像數(shù)據(jù)來源于美國國家航空航天局（NASA），實(shí)測水位數(shù)據(jù)由青海省下社水文站提供，在此表示衷心感謝！