張大弘，宮鵬，姚曉軍*，劉娟

1. 西北師范大學地理與環(huán)境科學學院，蘭州 730070

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱 1967–2014 年科西河流域面積≥0.05 km2 冰湖輪廓數據集 數據作者 張大弘，宮鵬，姚曉軍，劉娟 數據通信作者 姚曉軍（yaoxj_nwnu@163.com） 數據時間范圍 1967–2014年 地理區(qū)域 空間分辨率 地理范圍包括26.86°–29.14°N，85.39°–88.95°E，北至雅魯藏布江南部，南到尼泊爾與印度交界處，西臨加德滿都，東達中、尼、印三國接壤地區(qū)。 全色影像1.8 m(Corona) / 15 m(Landsat ETM+/OLI)，多光譜影像78 m(Landsat MSS) / 30 m(Landsat TM/ETM+/OLI)；地理坐標系為WGS1984，投影坐標系為UTM。 數據量 143.94 MB 數據格式 ESRI Shapefile文件（壓縮為.zip格式） 數據服務系統(tǒng)網址 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/885 基金項目 國家自然科學基金（41561016、41861013、41801052）；西北師范大學青年教師科研能力提升計劃（NWNU-LKQN-14-4）。 數據庫（集）組成 數據集共包括2個數據文件：（1）Basin_Koshi.zip是科西河流域邊界數據，數據量0.1 MB；（2）Glacial_lake_Koshi.zip是1967–2014年科西河流域面積≥0.05 km2的冰湖輪廓數據，數據量143.84 MB。

引 言

冰湖潰決洪水（Glacial Lake Outburst Flood，GLOF）是高山冰川作用區(qū)常見自然災害之一[1-2]，主要由冰川阻塞湖和冰磧阻塞湖潰決所引發(fā)。就中國西藏自治區(qū)而言，20 世紀以來發(fā)生的冰湖潰決洪水（泥石流）事件超過30 次[3]；歐洲的阿爾卑斯山、南美洲的安第斯山、中亞的天山以及青藏高原周邊高山地區(qū)也是冰川潰決洪水的主要分布區(qū)[4]。冰湖潰決洪水有可能造成人員傷亡、牲畜死亡、淹沒草場或農作物以及毀壞道路橋梁等損失，因此防治冰湖潰決洪水災害是當前這些區(qū)域的重要任務之一，而冰湖分布及變化正是預測冰湖潰決洪水災害的最基礎數據。冰湖擴張或萎縮可以靈敏地反映氣候變化[5]，其面積或水量的變化能從一定程度上反映區(qū)域水資源分布的變化。因此，構建較長時間序列的冰湖數據集對于研究冰湖分布與變化、預測冰湖潰決洪水災害、合理利用水資源及探討氣候–冰川–冰湖間耦合關系具有重要意義。

關于冰湖的概念，學者們給出的定義不盡相同[6-12]，但都強調冰湖是冰川作用所形成的，區(qū)別主要是冰川作用時期與湖泊物質來源。例如，在《冰凍圈科學辭典》[6]中，冰湖被定義為由冰川作用形成的湖泊；姚治君等[12]認為冰湖是末次冰期以來冰川運動或退縮產生的融水在冰川表面、前部或側部匯集形成的湖泊，此定義強調冰湖與冰川間的地理位置關系；姚曉軍等[9]從冰湖編目和冰湖潰決洪水角度提出冰湖是以現代冰川融水為主要補給源或在冰磧壟洼地內積水形成的天然水體，并給出了冰湖類型及遙感判識指標。考慮冰湖識別的易判別性、可操作性及一致性，本文采用姚曉軍等[9]提出的冰湖定義及其分類體系。

喜馬拉雅山中段是冰湖潰決最頻繁的地區(qū)之一[13]，其中科西河流域上游歷史上發(fā)生此類事件數量最多[14-15]。作為恒河水系的重要支流，科西河流經中國、尼泊爾和印度3 國，流域內具有世界上最大的高差，最為完整的氣候、土壤和植被帶譜。在科西河流域，分布有多座8000 m 以上山峰，現代冰川發(fā)育，冰川覆蓋率達9.78%。據統(tǒng)計，科西河流域歷史上發(fā)生過17 次較大規(guī)模的冰湖潰決事件，其中中國境內高達12 次[16]。2015 年尼泊爾博克拉地區(qū)發(fā)生8.1 級地震，Kargel 等[17]對震后災區(qū)分析時指出，未來當該區(qū)域發(fā)生更大震級的地震或震源靠近冰湖分布區(qū)時，發(fā)生嚴重冰湖潰決洪水災害的可能性依然存在。除地震外，雪（冰）崩、強降水、冰川強烈消融、冰磧壩內死冰消融等亦是引發(fā)冰湖潰決的誘因[15,18]。因此，建立科西河流域長時間序列的冰湖數據集可為分析該地區(qū)冰湖時空變化特征、冰湖危險性評估及冰湖潰決洪水（泥石流）災害等研究提供基礎數據支撐和科學依據。

1 數據采集和處理方法

1.1 數據來源與預處理

為獲取科西河流域不同年代的冰湖數據，本研究選用的遙感影像數據源主要包括USGS/NASA（http://earthexplorer.usgs.gov）提供的14 景Corona 衛(wèi)星影像和56 景Landsat MSS/TM/ETM+/OLI 遙感影像（表1）。其中，Corona 衛(wèi)星影像成像時間集中在1960s，是該時段可獲得的質量較好的遙感影像；Landsat MSS/TM/ETM+遙感影像時間為1970s、1980s、1990s、2000s，Landsat OLI 遙感影像則反映了2013 年以來該流域冰湖狀況。以Landsat MSS/TM/OLI 數據作為主要數據源，可以免費獲取大量的數據，且回訪周期短，利用成像時間接近的影像通過交叉驗證解譯方法可以避免云和山體陰影等因素的干擾，提高冰湖解譯精度。為保證數據的準確性，本研究同時選用了該流域1966–1980年的83 幅地形圖，其中包括4 幅1:50 萬、22 幅1:10 萬、48 幅1:5 萬和7 幅1:2.5 萬地形圖。受遙感影像空間分辨率限制，按Landsat MSS 影像空間分辨率（78 m）計算，0.006 km2是像元解譯的理論閾值，考慮歷史上該流域已潰決的冰湖面積普遍較大及冰湖面積擴張時長，本研究僅解譯面積≥0.05 km2的冰湖。此外，冰川輪廓矢量數據可以輔助識別或確定冰湖位置，研究區(qū)所用的冰川輪廓數據由科技部科技基礎性工作專項“中國冰川資源及其變化調查”項目組和國際山地中心（ICIMOD）提供[19]。

表1 數據集所采用的遙感影像列表

影像編號/軌道號 衛(wèi)星/傳感器 空間分辨率/m 影像獲取時間 Landsat MSS 78 1976-12-19; 1977-03-19 140/041 Landsat TM 30 1989-01-17; 1992-09-22; 1999-10-28; 2000-10-30; 2009-10-15 Landsat OLI 30 2014-01-05; 2014-05-22 Landsat MSS 78 1976-12-02 141/040 Landsat TM 30 1991-11-30; 1993-03-08; 1999-12-06; 2000-10-05;2000-11-22; 2009-06-08; 2009-10-30; 2010-10-01 Landsat OLI 30 2013-12-04 Landsat MSS 78 1976-12-02 141/041 Landsat TM 30 1991-11-30; 2001-02-26; 2001-12-27; 2009-05-07; 2010-11-02 Landsat OLI 30 2014-04-11; 2014-05-13

基于光學遙感影像提取冰湖輪廓時易受云、雪及山體陰影的影響，因此在選取遙感影像時遵循少云多期原則，以達到多時段多角度的交叉解譯目的，從而盡量避免漏畫、錯畫問題。除Corona 遙感影像需進行幾何校正和圖幅拼接外，獲取的Landsat 衛(wèi)星系列遙感影像在數據生產時已經過初步預處理（系統(tǒng)輻射校正、地面控制點幾何校正及基于DEM 的地形校正），經檢查同一目標地物在不同影像中無明顯錯位、變形的情況，而目視解譯又屬于定性判別地類，故這些遙感影像未做其他預處理。

1.2 研究區(qū)概況

科西河流域位于青藏高原南部、喜馬拉雅山中段（26.86°–29.14°N，85.39°–88.95°E），北抵雅魯藏布江，南至尼泊爾與印度交界處，西臨加德滿都附近，東達中、尼、印三國接壤地區(qū)。流域內地勢北高南低，海拔落差極大，主河全長255 km，上游分Arun（中國境內稱為朋曲）、Sun Koshi（中國境內稱為波曲）和Tamor 三個支流（圖1）。流域東西長340 km，南北寬230 km，總面積約5.5×104km2，位于中國和尼泊爾境內的面積分別占流域總面積的51.96%和48.04%[20]。流域內分布有5 座海拔8000 m 以上山峰，圍繞這些山峰發(fā)育了眾多的冰川及冰湖。受地形影響，研究區(qū)氣候類型差異明顯，自北向南依次分布著喜馬拉雅山過渡帶、高山帶、亞高山帶、溫帶、亞熱帶和熱帶等，后三種氣候類型分布在河流中下游，比較適宜農業(yè)發(fā)展，分布著大量人口。據統(tǒng)計，尼泊爾境內總人口434.59萬人，占流域總人口的96.57%[18]。

1.3 數據處理過程

冰湖作為一類自然水體，目前已有一些比較成熟的基于遙感影像的自動提取算法，如水體指數法、波段比值法、監(jiān)督分類法及面向對象分割法等。由于本數據集采用的本底數據存在全色影像、地形圖等多源數據，加之自動提取算法對影像質量要求較高，為保證數據采集精度，本數據集統(tǒng)一采用目視解譯方法，具體步驟如下：

圖1 研究區(qū)概況圖

（1）獲取解譯底圖：下載、收集并整理科西河流域的遙感影像、地形圖等可提供解譯對象信息的資料，按時間、類型、位置等歸類，確保每個時段每個位置至少有一期影像覆蓋。

（2）確定解譯方式：因冰湖具有季節(jié)性變化特征，一年之內最穩(wěn)定的時段為9–12 月，且少量影像（如Landsat ETM+）局部存在壞帶，故以其他相鄰時相的影像作為補充，通過交叉檢驗解譯方式獲取精度較高的冰湖輪廓信息。

（3）冰湖邊界目視解譯：以交叉檢驗解譯的方式逐時期進行，顯示比例尺控制在1:2000 左右，沿水陸、冰陸或者冰雪界線像元中心數字化冰湖邊界，精度控制在一個像元以內。

（4）確定冰湖與非冰湖：采用姚曉軍等[4]提出的冰湖定義、冰湖與非冰湖的界定方法，逐一對不同時期提取到的研究區(qū)湖泊數據進行判定，剔除由大氣降水、地下水等形式補給的非冰湖，包括研究區(qū)內大量存在的古冰蝕湖，最終得到研究區(qū)不同時期的冰湖數據集。

（5）冰湖數據質量檢查：逐一檢查各冰湖輪廓圖形數據、對應的影像數據及屬性數據等，確保無漏畫和錯畫、各數據項無遺漏和錄入正確等。

（6）冰湖類型識別：將最終獲得的冰湖數據導入Google Earth 軟件，根據冰湖分類體系[4]，逐一識別出所有冰湖的類型并寫入屬性表。

2 數據樣本描述

圖2 展示了科西河流域冰湖整體分布情況。冰湖多邊形矢量數據以gl_XXXX 形式命名，其中XXXX 表示年份；冰湖點矢量數據gl_LocationCode 給出了流域內所有的冰湖位置、編碼、類型等信息。至2014 年，流域內共發(fā)育冰湖221 個，其中冰川侵蝕湖83 個（冰斗湖10 個，其他冰川侵蝕湖73 個），冰磧阻塞湖128 個（終磧阻塞湖115 個，側磧阻塞湖13 個），冰面湖4 個，其他冰川湖6個。以面積持續(xù)擴張的冰湖GL085838E28322N 為樣本，圖3 展現了該湖泊在研究時段內的邊界、周長及面積等的變化情況。圖4 給出了數據集中面積先減小后持續(xù)擴張的龍巴薩巴湖不同時期的邊界。

圖2 冰湖分布數據集示意圖

圖3 冰湖（GL085838E28322N）輪廓及其面積與周長變化

圖4 龍巴薩巴湖（GL088075E27946N）輪廓及其面積與周長變化

在本數據集中，每個冰湖對象由圖形數據和屬性數據兩部分組成，其中屬性數據包括要素標識碼（FID）、形狀類型（Shape）、冰湖編碼（Code）、冰湖名稱（Name_gl）、冰湖周長（Perimeter_gl）、冰湖面積（Area_gl）以及冰湖類型（Type_gl）等。其中，冰湖編碼結構為GLnnnnnnEmmmmmN，編碼中的GL 表示冰湖，n 表示冰湖質心經度，m 表示冰湖質心緯度，E、N 分別代表東經和北緯，n 的前三位和m 的前兩位分別表示經度、緯度的整數部分，后三位表示經緯度小數前三位。為保證冰川編碼的一致性，以2010s 時期冰湖質心為準。如冰湖在2010s 時期不存在，則以第一次出現年代對應的冰湖質心進行編碼。

3 數據質量控制和評估

解譯時依據姚曉軍等[4]提出的冰湖定義、冰湖與非冰湖的界定方法，遵循馬榮華[21]、宮鵬[20]等所使用的湖泊邊界遙感判譯原則，精度控制在一個像元以內。由于參與本數據集解譯的長時序多源遙感影像空間分辨率存在差異，如Corona KH-4 影像空間分辨率為1.8 m（全色），Landsat MSS 影像為78 m（多光譜），Landsat TM 影像為30 m（多光譜），Landsat ETM+和OLI 影像為30 m（多光譜）和15 m（全色），因此本數據集的精度雖不及其他高/甚高空間分辨率、單一數據源生產的數據，整體精度僅能保證在最低空間分辨率78 m 左右。但從數據時序長度來看，本數據集可以滿足大多數相關領域的研究要求。

4 數據價值

科西河流域分布有數量眾多的湖泊，因此通過區(qū)分冰湖與非冰湖以及識別各個冰湖的類型所得到的冰湖數據及湖泊類別屬性是本數據集的價值之一，這可以為當地相關部門以及從事冰湖潰決危險性評價工作的學者們提供寶貴的參考。

本數據集是依據不同時期多源遙感影像數據（1967–2014 年）生產的6 期冰湖邊界矢量數據，特點在于較長時間序列，可作為科西河流域冰湖時空變化、冰湖水量變化評估等研究的基礎數據，也可作為該區(qū)域冰湖潰決危險性評估、水資源變化、氣候變化及冰湖與冰川間變化響應關系等研究的重要依據。

5 數據使用方法和建議

本數據集解壓后為ESRI Shapefile 文件，可使用支持該文件格式的GIS 與遙感軟件讀取與編輯。數據集直接反映了1967–2014 年科西河流域的冰湖分布特征，進一步分析處理可獲得流域內冰湖的時空變化特征等信息，結合相關資料，亦可用作冰湖危險性評估及冰湖潰決洪水（或泥石流）災害的基礎數據。另外，如果還有其他來源的數據，可對本數據做更新修改，也可用最新的數據更新2010s數據，以延長數據時序。

數據作者分工職責

張大弘（1993—），男，甘肅平涼人，碩士研究生，主要研究方向為GIS 設計與開發(fā)。主要承擔工作：基礎數據收集、處理及論文撰寫。

宮鵬（1990—），男，甘肅禮縣人，碩士，主要研究方向為GIS 與冰凍圈變化。主要承擔工作：基礎數據處理、目視解譯。

姚曉軍（1980—），男，山西夏縣人，博士，副教授，主要研究方向為地理信息技術與冰凍圈變化。主要承擔工作：總體方案設計、冰湖類型確定。

劉娟（1993—），女，甘肅定西人，碩士研究生，主要研究方向為環(huán)境科學與地理信息系統(tǒng)。主要承擔工作：數據集后期處理、冰湖類型識別。