段群滔 ，羅立輝 ＊

1.中國科學(xué)院 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，蘭州 730000

2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

數(shù)據(jù)庫（集）基本信息簡介

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引 言

自20世紀(jì)以來，隨著全球人口和經(jīng)濟(jì)的快速增長，人類活動(dòng)對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)顯著增強(qiáng)[1-2]，且該擾動(dòng)對(duì)陸地表層生態(tài)環(huán)境的影響尤為突出[3-5]。青藏高原作為地球“第三極”，同時(shí)也是具有鮮明特色的文化景觀地域單元，生態(tài)環(huán)境較為脆弱[6-7]。近幾十年來，該地區(qū)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，特別是青藏鐵路開通以來，人類活動(dòng)顯著增加，有關(guān)人類活動(dòng)對(duì)青藏高原生態(tài)系統(tǒng)的影響一直是研究的熱點(diǎn)[8-11]。其中，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)人類活動(dòng)強(qiáng)度是探究青藏高原人類活動(dòng)生態(tài)環(huán)境效應(yīng)的基礎(chǔ)，對(duì)促進(jìn)該地區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

目前，人類活動(dòng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)主要以統(tǒng)計(jì)分析方法為主[12-15]，難以生成高質(zhì)量的人類活動(dòng)強(qiáng)度空間數(shù)據(jù)。相較于近幾十年來氣候變化研究相關(guān)的空間數(shù)據(jù)在研究方法、制備速度、時(shí)空分辨率和數(shù)據(jù)質(zhì)量等方面的快速發(fā)展，人類活動(dòng)相關(guān)的空間數(shù)據(jù)還處于探索發(fā)展階段。其中，人類足跡指數(shù)方法作為制備人類活動(dòng)強(qiáng)度空間數(shù)據(jù)的一類方法，自Sanderson等[16]2002年提出以來，已在全球不同尺度得到應(yīng)用和發(fā)展[17-19]。Sanderson等提出此方法時(shí)，首先選擇代表人口密度、土地利用轉(zhuǎn)變、通達(dá)性和電力基礎(chǔ)設(shè)施4類人類活動(dòng)的9個(gè)空間數(shù)據(jù)圖層，然后將各圖層進(jìn)行緩沖區(qū)分析和重新賦值，賦值范圍為0-10，最后將賦值后的圖層進(jìn)行疊加分析和分區(qū)歸一化處理，得到表征全球陸地人類活動(dòng)強(qiáng)度的人類足跡數(shù)據(jù)。該方法自提出后就得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展，如Venter等[20]運(yùn)用此方法制備1993年和2009年的全球人類足跡數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)人口密度和道路圖層進(jìn)行了更細(xì)化的賦值，Gonzalez-Abraham等[21]利用此方法制備墨西哥人類足跡數(shù)據(jù)時(shí)，沒有計(jì)算鐵路和通航河流的影響。此外，Etter等[22]應(yīng)用此方法在哥倫比亞開展研究時(shí)，增加了代表人類影響時(shí)間和生物物理脆弱性的數(shù)據(jù)來完成人類足跡數(shù)據(jù)的制備，Correa Ayram等[23]則在Etter等的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步增加表示生境喪失和破碎化程度的指標(biāo)來制備墨西哥火山帶地區(qū)的人類足跡數(shù)據(jù)?？偟膩砜?，當(dāng)前人類足跡指數(shù)方法的發(fā)展主要集中在指標(biāo)數(shù)據(jù)的選擇和細(xì)化賦值兩個(gè)方面。

基于此，本文采用人類足跡指數(shù)方法，綜合考慮青藏高原地區(qū)的自然地理環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展?fàn)顩r，選擇人口密度、土地利用、放牧密度、夜間燈光、鐵路和道路等共6種代表人類活動(dòng)的空間數(shù)據(jù)指標(biāo)，并結(jié)合冰川、湖泊和保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)，完成1990、1995、2000、2005、2010和2015年共6期青藏高原人類足跡數(shù)據(jù)的制備。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本數(shù)據(jù)集采用的數(shù)據(jù)包括人口密度、土地利用、牛羊密度、夜間燈光、鐵路、道路、冰川、湖泊、保護(hù)區(qū)和牛羊肉產(chǎn)量數(shù)據(jù)。其中，人口密度和土地利用數(shù)據(jù)由資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)網(wǎng)站（http://www.resdc.cn/Default.aspx）提供；牛羊肉產(chǎn)量數(shù)據(jù)由國家統(tǒng)計(jì)局網(wǎng)站（http://www.stats.gov.cn/）提供；牛羊密度數(shù)據(jù)由聯(lián)合國糧農(nóng)組織全球地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站（http://www.fao.org/geonetwork/srv/en/main.home）提供；夜間燈光數(shù)據(jù)由美國國家海洋與大氣管理局網(wǎng)站（https://ngdc.noaa.gov/eog/dmsp/downloadV4composites.html）提供；鐵路數(shù)據(jù)由手動(dòng)數(shù)字化獲??；道路數(shù)據(jù)集由美國國家航空航天局地球觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)與信息中心網(wǎng)站（https://sedac.ciesin.columbia.edu/）和聯(lián)合國糧農(nóng)組織全球地理信息系統(tǒng)網(wǎng)站提供；湖泊數(shù)據(jù)由國家青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站（http://data.tpdc.ac.cn/zh-hans/）提供；冰川數(shù)據(jù)由青藏高原科學(xué)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站（http://www.tpedatabase.cn/portal/index.jsp）提供；保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)由聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)網(wǎng)站（https://www.protectedplanet.net/）提供。

由于采用的夜間燈光原始數(shù)據(jù)只包含1992-2013年的數(shù)據(jù)，本文選擇用1992和2013年的燈光數(shù)據(jù)分別代替1990年和2015年的燈光數(shù)據(jù)。牛羊密度數(shù)據(jù)只獲取有2006年的數(shù)據(jù)，其余年份數(shù)據(jù)由趨勢(shì)外推分析法獲得。道路數(shù)據(jù)只獲取了2000年和2010年的兩期數(shù)據(jù)，所以1990、1995和2005年的道路數(shù)據(jù)用2000年的數(shù)據(jù)代替，2015年的利用2010年的數(shù)據(jù)代替。1990-2005年間青藏高原地區(qū)鐵路基本無變化，所以1990-2005年的鐵路數(shù)據(jù)均使用2005年的鐵路數(shù)據(jù)。采用的空間數(shù)據(jù)具體信息及來源見表1。

表1 采用的空間數(shù)據(jù)信息及來源

1.2 數(shù)據(jù)處理過程

1.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于采用的數(shù)據(jù)在投影、分辨率和空間范圍等方面存在不一致，在進(jìn)行數(shù)據(jù)集制作前，需要對(duì)原數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。其中，投影坐標(biāo)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為適合中國區(qū)域的Albers等面積投影，投影坐標(biāo)系參數(shù)中央經(jīng)線設(shè)置為105°E，兩條標(biāo)準(zhǔn)緯線分別為25°N和47°N，空間范圍統(tǒng)一裁剪至青藏高原范圍，柵格數(shù)據(jù)統(tǒng)一重采樣至1 km分辨率。

此外，夜間燈光數(shù)據(jù)存在不連續(xù)和過飽和等問題，在投影和裁剪完成后需進(jìn)行校正。本文選擇應(yīng)用較為廣泛的基于不變目標(biāo)區(qū)域的校正方法[24]，由于黑龍江鶴崗市轄區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)變化較小，且燈光影像的DN值分布較廣，因而選擇此地作為不變目標(biāo)區(qū)域。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理方法

本數(shù)據(jù)集選擇6類代表人類活動(dòng)的空間數(shù)據(jù)，并依據(jù)不同的評(píng)價(jià)方法將各類數(shù)據(jù)的柵格重新賦值為0-10分，分值越大表示人類活動(dòng)影響強(qiáng)度越大。每一類數(shù)據(jù)具體賦值方法如下：

（1）人口密度

人口密度是反映人類活動(dòng)與生態(tài)系統(tǒng)相互作用強(qiáng)度的重要指標(biāo)[25]，且對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響呈對(duì)數(shù)變化規(guī)律，所以將人口密度數(shù)據(jù)按對(duì)數(shù)方程進(jìn)行計(jì)算賦值，值域范圍為0-10分。由于人口密度的最大值為32866人/平方公里，具體計(jì)算方程如下：

式中，popscore表示該柵格重新賦值的分?jǐn)?shù)，popdensity表示該柵格的人口密度值。

（2）土地利用

土地利用變化是反映人類活動(dòng)程度的重要因子[26]，本文將所有建筑用地賦值為10分，水田和旱地賦值為7分，草地賦值為4分，其余土地利用類型均賦值為0分。

（3）放牧密度

畜牧業(yè)作為青藏高原地區(qū)重要的產(chǎn)業(yè)之一，放牧是該地區(qū)重要的一類人類活動(dòng)。本文用牛羊密度之和來表征放牧密度，由于只獲取了2006年的牛羊密度圖層，在重新賦值前，需要先對(duì)這兩個(gè)圖層進(jìn)行趨勢(shì)外推分析，獲得各年份的放牧密度圖層。

本文采用基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)外推方法，首先統(tǒng)計(jì)青海西藏兩省/區(qū) 1990、1995、2000、2005、2010和2015年的牛肉和羊肉產(chǎn)量，然后分別計(jì)算牛肉和羊肉不同年份產(chǎn)量相對(duì)于2005年產(chǎn)量的變化率，接著利用2006年的牛羊密度圖層分別乘以各年份的變化率來得到不同年份的牛羊密度圖層，其中2005年的數(shù)據(jù)直接使用2006年的代替，最后將同一年份的牛羊密度圖層相疊加得到放牧密度圖層。由于放牧密度的影響也呈對(duì)數(shù)變化規(guī)律，且最大值為9454頭/平方公里，所以將放牧密度數(shù)據(jù)也按對(duì)數(shù)方程進(jìn)行計(jì)算賦值，值域?yàn)?-10分，具體計(jì)算方程如下：

式中，grazingscore表示該柵格重新賦值的分?jǐn)?shù)，grazingdensity表示該柵格的放牧密度值。

（4）夜間燈光

夜間燈光數(shù)據(jù)經(jīng)校正后，不同年份數(shù)據(jù)之間具有了可比較性。為了使夜間燈光影響的評(píng)價(jià)也具有連續(xù)性，本文以2015年燈光數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，首先，將2015年數(shù)據(jù)中DN值等于0的柵格賦值為0分，再將DN值大于0的柵格，利用分位數(shù)方法等分為10份，從小到大依次賦值為1-10分。其余各年份的數(shù)據(jù)依照2015年的十分位數(shù)將DN值大于0的柵格賦值為1-10分，DN值等于0的賦值為0分。

（5）鐵路

鐵路作為青藏高原地區(qū)最為重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，對(duì)于該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義。由于火車在鐵路沿線上運(yùn)行時(shí)具有封閉性，對(duì)兩旁的影響范圍較小，因此在進(jìn)行評(píng)價(jià)賦值時(shí)，僅將鐵路兩旁500 m范圍內(nèi)的區(qū)域賦值為8分。

此外，由于鐵路在建設(shè)時(shí)也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生較大影響，青藏鐵路二期工程（格爾木—拉薩）雖然2006年才正式通車，但在2001年就已開始動(dòng)工建設(shè)，所以本文從2005年開始計(jì)算此段鐵路的影響。

（6）道路

青藏高原地區(qū)道路的封閉性比鐵路差，因此其對(duì)兩旁影響的范圍也更大，在進(jìn)行評(píng)價(jià)賦值時(shí)，將道路兩側(cè)500 m范圍內(nèi)的區(qū)域賦值為10分；500-1500 m范圍內(nèi)賦值為8分；1500-2500 m范圍內(nèi)賦值為4分（表2）。

各類數(shù)據(jù)完成重新賦值后，將同一年份的圖層相疊加，即得到6期青藏高原人類足跡數(shù)據(jù)（圖1）。數(shù)據(jù)集的值域范圍為0-51，柵格內(nèi)的分值越高，代表該空間上人類活動(dòng)強(qiáng)度越大。

圖1 數(shù)據(jù)集制作技術(shù)路線圖

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)組成

本數(shù)據(jù)集包括青藏高原 1990-2015年共 6期人類足跡數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)保存為一個(gè)壓縮文件（“1990-2015年青藏高原人類足跡數(shù)據(jù)集.zip”），每期數(shù)據(jù)以TIFF格式存儲(chǔ)并以年份來命名每期數(shù)據(jù)，總數(shù)據(jù)量為53.9 MB。

2.2 數(shù)據(jù)樣本

制作的1990、1995、2000、2005、2010和2015年青藏高原人類足跡數(shù)據(jù)樣例如圖2所示。

圖2 1990、1995、2000、2005、2010和2015年青藏高原人類足跡數(shù)據(jù)樣例

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

青藏高原的湖泊和冰川雖然也受到人類活動(dòng)的影響，但其空間位置上幾乎不存在直接的人類活動(dòng)，且自然保護(hù)區(qū)的建立也會(huì)減弱保護(hù)區(qū)內(nèi)的人類活動(dòng)。因此，按上述方法完成數(shù)據(jù)集的初步制作后，還需要進(jìn)一步的處理，以提高數(shù)據(jù)集的質(zhì)量。處理主要包括以下兩個(gè)方面：

（1）湖泊和冰川

在對(duì)湖泊和冰川進(jìn)行處理前，首先獲取青藏高原1990、1995、2000、2005、2010和2015年6個(gè)時(shí)期的冰川和湖泊數(shù)據(jù)。由于冰川幾十年來空間變化相對(duì)較小，因而各時(shí)期的冰川數(shù)據(jù)均用2013年的數(shù)據(jù)代替?？紤]到湖泊和冰川所處的空間位置上幾乎不存在直接的人類活動(dòng)，因此直接將不同時(shí)期湖泊和冰川所處空間位置上的人類足跡分值設(shè)置為0分。

（2）自然保護(hù)區(qū)

依據(jù)《全國自然保護(hù)區(qū)目錄》，首先分別提取青藏高原1985年以前、1986-1990年、1991-1995年、1996-2000年、2001-2005年和2006-2010年6個(gè)時(shí)間段內(nèi)建立的國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)范圍數(shù)據(jù)。保護(hù)區(qū)的設(shè)立能夠減弱保護(hù)區(qū)內(nèi)的人類活動(dòng)強(qiáng)度，但隨著時(shí)間的推移減弱幅度會(huì)逐漸減弱。因此，本文只考慮保護(hù)區(qū)建立后15年內(nèi)的影響，并按照每過5年人類足跡分值分別減弱8%、4%和2%的方法對(duì)每期數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4 數(shù)據(jù)價(jià)值

高質(zhì)量人類活動(dòng)強(qiáng)度空間數(shù)據(jù)的制備和發(fā)展將有助于更好地理解人類活動(dòng)影響的強(qiáng)度和范圍，在當(dāng)前氣候變化背景下，也將有助于分辨人類活動(dòng)和氣候變化對(duì)地球系統(tǒng)的影響，進(jìn)而推動(dòng)對(duì)地球各圈層變化的理解，對(duì)于調(diào)控人類活動(dòng)、促進(jìn)全球和區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展都具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

青藏高原人類活動(dòng)強(qiáng)度空間數(shù)據(jù)集的制備，可為探究青藏高原地區(qū)人類活動(dòng)空間變化特征和規(guī)律提供空間數(shù)據(jù)，也可為探索該地區(qū)人類活動(dòng)與生態(tài)環(huán)境間的相互作用提供支撐，對(duì)于促進(jìn)整個(gè)青藏高原地區(qū)的生態(tài)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展具有指導(dǎo)作用。

5 數(shù)據(jù)使用方法和建議

1990-2015年青藏高原人類足跡數(shù)據(jù)集解壓后均為TIFF格式，可利用ArcGIS、QGIS、ENVI和ERDAS等常用的GIS和RS軟件對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和操作。