冰川和常年積雪常態化地理國情監測開展模式初探

賈濤濤,王清麗,馬　泉,湯　豪,雷　蕾,曹子榮

(國家測繪地理信息局第一航測遙感院，陜西 西安 710054)

?

冰川和常年積雪常態化地理國情監測開展模式初探

賈濤濤,王清麗,馬泉,湯豪,雷蕾,曹子榮

(國家測繪地理信息局第一航測遙感院，陜西 西安 710054)

應“十三五”開展常態化地理國情監測之需求，以冰川和常年積雪為監測對象，對冰雪常態化地理國情監測的開展模式進行了初步探索。主要內容有：冰雪監測內容、監測周期和監測方法，冰雪統計分析與評價。對于冰雪統計分析與評價，主要結合相關行業需求，重點在于指標構建。

冰川和常年積雪(冰雪)；常態化地理國情監測；統計分析；指標；冰雪旅游；冰雪災害

第一次地理國情普查成果已于2015年年底完成匯交。該成果實現了全面查清目前我國陸地國土范圍內地表自然和人文地理要素現狀、空間分布情況的地理國情普查目標。然而，地理國情作為我國基本國情的重要組成部分[1]，應能實時反映我國自然、人文地理要素現狀、空間分布；再者，對于普查成果進行數據挖掘是延伸該成果在各行各業應用廣度、實現測繪地理信息服務性質必要的應用模式探索。綜合這兩方面，開展地理國情常態化監測勢在必行。

冰雪常態化地理國情監測開展模式初探是確定監測內容、監測周期和監測方法，并就監測成果確定基本統計分析指標方法；對于綜合統計分析與評價主要關注冰雪時空變化，以及迎合水利、旅游和災害應用領域確定評價指標和方法；最后初步形成冰雪常態化地理國情監測的指導性文件。

一、常態化監測內容與方法

1. 監測內容

冰川由常年積雪經過一定物理作用形成，在地理上二者基本相伴而生，而且從遙感角度，冰川和積雪具有相似的光譜響應特征[2]，學科上一般將二者放在一起研究冰雪監測方法。但是根據地理國情地表覆蓋立體覆蓋優先和所見即所得表達原則[3]，將冰川和常年積雪作為兩個三級類分開采集。三級類冰川和常年積雪隸屬于二級類冰雪，隸屬于一級類水域，采集指標為圖面最小圖斑對應實地面積10 000 m2。

2. 監測周期

研究表明[4-7]：①冰雪逐年退縮為大背景；②30年以上冰雪退縮面積大于10%，年退縮率可達13 m；③冰雪洪水、冰川泥石流災害給人類生命和財產帶來重大損失，發生時間隨機。綜合這幾個方面，冰雪監測周期分為定期監測和動態監測兩種：

1) 據冰川和常年積雪常態化地理國情監測需求及其退縮趨勢，實行定期監測，監測周期為1年。

2) 據冰雪洪水、冰川泥石流災害性質，實行實時動態監測。

3. 解譯提取

冰雪信息解譯提取可采用人工采集和人機交互半自動解譯法。其中，人工解譯采集精度高，但工作量相對大。因此，人工解譯可結合一定計算機自動解譯,同時輔以必要的專題數據，如第二次冰川編目數據，也可作必要的實地調查驗證。計算機自動解譯是基于冰雪在可見光波段(450～900 nm)高反射、在紅外波段(1550～1750 nm)強吸收的光譜響應特征，常用的比較有效的方法有波段比值閾值法和雪蓋指數(NDSI)閾值法[8-10]。人機交互半自動冰雪解譯流程如圖1所示。

二、統計分析

冰雪統計分析時首先劃分統計單元，然后構建統計指標，最后對統計單元內地理國情普查成果進行統計、分析與預測等數據挖掘處理。定量與定性分析相結合揭示冰雪信息空間分布特征和變化趨勢，以及結合生態、旅游和災害監測3個領域探索冰雪信息應用方式，形成豐富的冰雪信息統計分析成果。

圖1　人機交互半自動冰雪解譯流程

冰雪不同于地理國情地表覆蓋其他類型，分布具有地域性，在我國，主要分布在新疆、西藏、青海、甘肅、四川和云南6個省區。冰雪統計單元按照監測區的行政級別，行政區劃單元主要包括：省級行政單元，地、市、州、盟行政單元(簡稱地區)，縣級行政單元。

1. 基本統計分析

冰雪基礎性地理國情監測數據基本統計包括冰雪監測數據基本統計分析和冰雪變化監測數據基本統計分析兩種，對象為冰雪二級類及冰川和常年積雪三級類?；窘y計分析結果以各種圖表為主。

(1) 冰雪年度監測數據基本統計分析

冰雪基礎性地理國情統計對象為冰雪二級類、冰川和常年積雪三級類，指標有數量、面積、占比、構成比、變化量、變化率[11]。

(2) 冰雪變化監測數據基本統計

冰雪變化監測數據基本統計分析關注二級類冰雪和其他地類之間相互轉化關系，統計指標有轉入量、轉入率、轉入構成比、轉出量、轉出率、轉出構成比。

2. 綜合統計分析

冰雪綜合統計是在其二級類基本統計分析的基礎上，對冰雪分布時間變化、冰雪分布海拔時空變化和冰雪坡向時空變化特性3方面進行綜合分析。

(1) 冰雪分布時間變化監測

冰雪進退與區域氣象條件息息相關[12-13]，通過監測區域冰雪分布隨時間的變化趨勢，為氣象研究提供依據。監測成果為冰雪時間變化圖表。

(2) 冰雪分布海拔時空變化監測

海拔不同，氣象條件也有差異[14]。通過監測區域冰雪隨不同海拔分布情況及同一海拔范圍內冰雪分布隨時間變化規律，有助于反推各海拔的氣象特征及氣象條件隨時間變化趨勢。監測成果為冰雪海拔時空變化圖表。

(3) 冰雪分布坡向時空變化監測

坡向不同，日照、風向和溫度也不同[14]。冰雪分布坡向時空變化監測是通過監測冰雪不同坡向面積差異及每個坡向冰雪分布面積隨時間變化特征，從而反映坡向對冰川常年積雪物質平衡的影響。

冰雪坡向時空變化監測指標包括：北、東北、東、東南、南、西南、西、西北8個坡向冰雪坡向面積、坡向分布變化速率。坡向由DEM求得，冰雪在不同方向面積變化速率通過數據擬合求得。

監測成果為冰雪坡向時空變化圖表。

3. 專題分析評價

冰雪專題分析評價是在其二級類基本統計分析的基礎上，探索冰雪在生態、旅游和災害監測方面的應用方式。

(1) 冰雪生態功能服務價值評價

《國務院關于加快推進生態文明建設的意見》提出要全面促進資源節約利用[15]，我國山岳冰川發育良好，是很重要的固體水資源，主要江河均有冰川融水補給，特別是西北干旱區水資源很大程度上依賴于冰川融水[4]。因此，對冰雪水資源調節方面的生態服務功能價值探索意義重大。

冰雪對水資源調節價值采用替代工程法，根據水庫庫容，以水庫造價成本進行價值量評估[16]。評價指標包括：監測區域冰雪面積S、冰雪儲量V、冰雪對水資源調節價值R。V的計算采用體積-面積經驗公式[8]，如下

V=cSλ

(1)

式中，V為冰雪儲量，單位km3；S為冰雪面積，單位km2；c和λ為經驗系數。

冰雪對水資源調節價值R的計算式如下

R=Vr

(2)

式中，V為冰雪儲量；r為監測期水庫按庫容造價成本。

(2)冰雪旅游潛力挖掘

國家旅游局貫徹“絲綢之路經濟帶”建設構想，提出打造絲綢之路旅游黃金帶理念。學者們也積極參與絲綢之路旅游帶構建的研究[18-19]。中國冰雪資源豐富，旅游開發潛力大[20-22]，是絲綢之路旅游帶構建的重要方向。

地理國情普查數據綜合表達了交通、水系、構筑物、地理單元的位置及屬性信息。挖掘冰雪旅游價值，主要立足于地理國情普查數據，輔以必要的民政統計數據、旅游部門數據和政府政策資料，構建評價指標，并確定各指標在冰雪旅游潛力中的權重，最后通過加權算法得出監測區域旅游開發潛力指數。將已經開發的冰雪旅游區域旅游開發潛力指數值作為參考，評價監測區域旅游開發適宜性。

冰雪旅游潛力評價指標體系構建見表1。

表1　冰雪旅游潛力指標評價體系

冰雪區域旅游開發潛力指數P的計算采用多目標線性加權函數法，公式為

(3)

權重Q的確定一般采用層次分析法，結合必要的專家打分。層次分析法AHP關鍵在于構建判斷矩陣X及其一致性檢驗。

判斷矩陣X為

(4)

通過兩兩比較Ci的重要性，得到Cij，構建判斷矩陣X。求出判斷矩陣X的最大特征值λmax和對應的特征向量Q，其中Q即為指標層相對于總目標層的權重向量。

一次性檢驗指標為

CI=(λmax-n)/(n-1)

(5)

一次性檢驗率為

CR=CI/RI

(6)

式中，RI為平均隨機一致性指標。一般認為當CR<0.1時，判斷矩陣X滿足一致性要求，這時特征向量Q可以作為權重；若CR≥0.1，需要重新調整判斷矩陣，直至CR<0.1時，所得的特征向量Q方可作為權重。

(7)

式中，Cimax為參與評價的所有檢測區域監測周期最大統計值；Cimin為監測周期最小統計值。

(3) 冰雪災害性監測

大量研究表明，我國冰雪逐年縮減，隨著退縮加劇，融水量增大，最直接的災害效應是誘發更多冰雪洪水、冰湖洪水和冰川泥石流災害[7]。冰川和常年積雪災害性監測包括災害性預測和災害性評價。

冰雪災害預測是根據各種誘發因子來推斷其發生的可能性。冰雪洪水、冰川泥石流災害的誘發因子有冰雪總面積坡度大于25°的冰雪面積、坡向、日最高溫度、泥石流歷史最大沖出量、流域最大高差、流域面積、最大24 h雨強、松散物源總量等[24-26]。對于誘發冰川洪水、泥石流主要影響因子的確定可采用主成分分析法，對于主要影響因子權重的確定應在專家參與下采用層次分析法。最后得出評價冰雪洪水、冰川泥石流災害指數值，將該指標值和已發生過冰雪災害的區域指數比較，得出監測區域冰雪發生可能性。具體操作參照冰雪旅游價值挖掘方法。

災害性評價是冰雪洪水、冰川泥石流發生后，以地理國情普查數據為基礎數據之一，通過GIS空間分析，并建立一系列災害統計表[27]，估算一定范圍內居民地(可細化為非城區和城區居民地房屋)、農業、畜牧業、工礦企業、重要交通干線等基礎設施的災害影響。

三、結束語

通過大量學術研究及行業應用調研，形成了本文關于冰雪常態化地理國情開展模式的闡述。為了提高冰雪信息提取效率，本文詳細闡述了半自動解譯方法。綜合統計和專題評價以基本統計為基礎，是冰雪常態化地理國情監測內容的重點，而相關指標的構建更是重中之重。專題評價方面，主要對冰雪生態服務功能價值評估、冰雪旅游價值挖掘和冰雪災害監測方面作了嘗試。鑒于個人認識和其他條件的局限性，除了本文提到的冰雪旅游價值指標層外可追加，冰雪災害影響因子因監測區地質條件的不同也應有所增減，因此在綜合統計指標和專題評價指標構建時建議深化與行業相關部門的合作。

[1]陳俊勇. 地理國情監測的學習札記[J].測繪學報，2012，41(5)：633-635.

[2]龔劍明，楊曉梅，張濤，等. 基于遙感多特征組合的冰川及其相關地表類型信息提取[J].地球信息科學學報，2009，11(6)：765-772.

[3]國務院第一次全國地理國情普查領導小組辦公室.地理國情普查內容與指標：GDPJ 01—2013[S].北京：國家測繪地理信息局，2014.

[4]劉時銀，姚曉軍，郭萬欽，等. 基于第二次冰川編目的中國冰川現狀[J].地理學報，2015，70(1)：3-16.

[5]懷保娟，李忠勤，孫美平，等. 近50年黑河流域的冰川變化遙感分析[J].地理學報，2014，69(3)：365-377.

[6]懷保娟，李忠勤，孫美平，等. 近40a來天山臺蘭河流域冰川資源變化分析[J].地理科學，2014，34(2)：229-235.

[7]沈永平，蘇宏超，王國亞，等. 新疆冰川、積雪對氣候變化的響應(Ⅱ)：災害效應[J].冰川凍土，2013，35(6)：1355-1370.

[8]郭萬欽，姚曉軍，許君利，等. 中國第二次冰川編目——數據說明[C]∥科技部科技基礎性專項《中國冰川資源及其變化調查》項目成果數據集.蘭州：中國科學院寒區旱區環境與工程研究所，2014.

[9]中國氣象局. 積雪遙感監測技術導則：QXT 96—2008[S]. 北京：氣象出版社，2008.

[10]都偉冰，李均力，包安明，等. 高山冰川多時相多角度遙感信息提取方法[J].測繪學報，2015,44(1)：59-66.

[11]國務院第一次全國地理國情普查領導小組辦公室.地理國情普查基本統計技術規定：GDPJ 02—2013[S].北京：[s.n.]，2013.

[12]除多，拉巴卓瑪，拉巴，等. 珠峰地區積雪變化與氣候變化的關系[J].高原氣象，2011，30(3)：576-582.

[13]王圣杰，張明軍，李忠勤，等. 近50年來中國天山冰川面積變化對氣候的響應[J].地理學報，2011，66(1)：38-46.

[14]田洪陣. 祁連山區現代冰川面積變化研究[D]. 蘭州：蘭州大學，2013.

[15]王宏澤. 中共中央國務院關于加快推進生態文明建設的意見[N].光明日報，2015-04-25.

[16]張宏鋒，歐陽志云，鄭華，等. 新疆瑪納斯河流域冰川生態系統服務功能價值評估[J].生態學報，2009(11)：5877-5881.

[17]古箭. 國務院關于促進旅游業改革發展的若干意見[N].中國網，2014-08-21.

[18]龔強.黑龍江冰雪絲綢之路[M]． 哈爾濱: 黑龍江人民出版社，2012：2-35．

[19]龔強. 基于地理國情普查對開發冰雪絲綢之路旅游帶的思考[J].測繪與空間地理信息，2014(6)：4-6.

[20]王世金，趙井東. 中國冰川旅游發展潛力評價及其空間開發策略[J].地理研究，2011，30(8)：1528-1542.

[21]王世金，秦大河，任賈文. 中國冰川旅游資源空間開發布局研究[J].地理科學，2012(4)：464-470.

[22]王世金，焦世泰，牛賀文. 中國冰川旅游資源開發模式與對策研究[J].自然資源學報，2012(8)：1276-1285.[23]郭家驥. 民族文化多樣性與云南藏區的和諧發展[J].云南民族大學學報(哲學社會科學版)，2014，31(5)：18-22.

[24]黃偉，唐川，劉洋. 基于灰色關聯度的冰川泥石流危險性評價因子分析[J].災害學，2013，28(2)：172-176.

[25]柳林，江利明，高斌斌，等.山地冰川運動地基InSAR監測試驗[J]測繪通報，2016 (4): 54-57，63.

[26]金姍姍，張永紅，吳宏安.基于Landsat TM影像的冰川提取[J].測繪通報，2014 (2): 76-79.

[27]民政部國家減災中心. 《特別重大自然災害損失統計制度》概況[J].中國減災，2014(8)：32-35.

On the Preliminary Operation Model of Glacier and Snow Normalized Geographic Conditions Monitoring

JIA Taotao,WANG Qingli,MA Quan,TANG Hao,LEI Lei,CAO Zirong

賈濤濤,王清麗,馬泉,等.冰川和常年積雪常態化地理國情監測開展模式初探[J].測繪通報，2016(10)：125-128.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0346.

2016-01-11

2015年重要地理國情監測基礎性地理國情監測項目

賈濤濤(1987—)，女，碩士，助理工程師，主要從事地理信息數據處理工作。E-mail：jtaotao.2008@163.com

P208

B

0494-0911(2016)10-0125-04