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                    其他數據論文 II 區論文(已發表) ? 版本 ZH3 Vol 6 (1) 2021
                    下載
                    1987–2017年青海湖水體邊界數據集
                    A dataset of Qinghai Lake water body periphery during 1987–2017
                    ?>>
                    : 2020 - 08 - 25
                    : 2020 - 11 - 19
                    : 2020 - 10 - 14
                    : 2021 - 03 - 29
                    极速快三
                    1411 14 0
                    摘要&關鍵詞
                    摘要:本研究基于地理空間數據分析云平臺Google Earth Engine(GEE),使用Landsat 影像進行像元級融合,重構目標年份最小云量影像集?;谒w指數方法,經過人工修正和精度驗證,獲得了1987–2017年11期青海湖水體邊界數據集。數據集時間序列較長且包含湖泊面積等屬性信息,可作為湖泊時空變化、湖泊水量變化評估的基礎數據,也可作為水資源變化、湖泊與氣候變化相應等研究的重要依據。
                    關鍵詞:青海湖;水體邊界;面積變化
                    Abstract & Keywords
                    Abstract:?In terms of Google Earth Engine (GEE) platform, we adopted the method of image composite and use Landsat historical images to generate seasonal images with lowest cloud composite at the pixel level. Based on a water index method and correctness procedure, we obtained 11 series of Qinghai Lake water body periphery during 1987–2017 in this research through manual modification and validation by making use of generated seasonal image data. The dataset has a long time series and geometric properties of the lake, which can be used as the basic data for assessing the temporal-spatial changes of the lake and the changes in water capacity of the lake. In addition, it can also be used as an important reference for the research on changes of water resource, the relationship between climate change and lakes.
                    Keywords:?Qinghai Lake;?lake body periphery;?area changes
                    數據庫(集)基本信息簡介
                    數據庫(集)名稱1987–2017年青海湖水體邊界數據集
                    數據作者郝美玉,羅澤
                    數據通信作者郝美玉(hmy@cnic.cn)
                    數據時間范圍19872017年
                    地理區域36.53° 37.25°N, 99.52°100.80°E,青海湖湖體的空間分布
                    空間分辨率30 m
                    數據量2.25 MB
                    數據格式*.shp
                    數據服務系統網址http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00113
                    基金項目中國科學院信息化專項(XXH13505-03-205);國家科技部國家科技基礎條件平臺項目(DKA2019-12-02-18)。
                    數據庫(集)組成本數據集主要包括19872017年間每隔3年一期共11期的青海湖水體邊界數據,這些數據保存為1個壓縮文件(19872017年青海湖水體邊界數據集.rar)。
                    Dataset Profile
                    TitleA dataset of the Qinghai Lake water body periphery during 1987 – 2017
                    Data corresponding authorHAO Meiyu (hmy@cnic.cn)
                    Data authorsHAO Meiyu, LUO Ze
                    Time range19872017
                    Geographical scope36.53°37.25°N, 99.52°100.80°E, Water body of Qinghai Lake
                    Spatial resolution30 m
                    Data volume2.25 MB
                    Data format*.shp
                    Data service system<http://www.dx.doi.org/10.11922/sciencedb.j00001.00113>
                    Sources of fundingThe Special Project of Informatization of Chinese Academy of Sciences (XXH13505-03-205); Fundamental Science Data Sharing Platform, The National R&D Infrastructure and Facility Development Program of the Ministry of Science and Technology of China (DKA2019-12-02-18).
                    Dataset compositionThis dataset mainly includes 11 periods (one period every 3 years) of Qinghai Lake water periphery data from 1987 to 2017, stored as a compressed file named “A dataset of Qinghai Lake water body periphery during 1987–2017.rar”.
                    引 言
                    青海湖是我國最大的內陸微咸水湖泊,位于青藏高原的東北部,地處東亞季風、印度季風和西風帶的交匯處,,是維系青藏高原東北部生態安全的重要水體,也是控制西部荒漠化向東蔓延的天然屏障[1]。其獨特的地理位置對氣候變化非常敏感,湖泊水位的波動及周邊環境的演變更是青藏高原氣候變化的指示器和調解器[2]。近30多年來,隨著氣候變暖及人類活動影響的加劇,青海湖及其流域內生態環境、青海湖水位發生了顯著變化[3-4],引起了人們的高度重視[5]。青海湖巨大的湖體不僅通過“湖泊效應”調節周邊小區域氣候,而且湖體邊界變化也直接影響到湖周的濕地和沙地變遷,因此青海湖水體邊界提取及其變化監測對湖周濕地保護和沙漠化防治具有重要的理論和現實意義[6]。
                    隨著遙感技術的發展,遙感影像被廣泛用于水體識別和監測研究。研究方法主要有光譜波段分析[7]、水體指數[8-9]和分類算法[10]等,水體識別精度較高,可滿足不同科研需求。傳統的遙感研究多采用小規模的數據進行分析,大范圍長時間序列的遙感影像使用較少[11]。近年來,擁有龐大的遙感影像數據集和高性能計算能力的地理空間數據分析云平臺Google Earth Engine(GEE)[12]改變了傳統的遙感數據處理方法,為長時間序列大規模的遙感影像分析提供了新的途徑。本研究基于GEE平臺,使用多時相Landsat系列遙感影像數據,利用像元級最小云量影像合成方法構建目標年份季節合成影像,分析獲取長時間序列的青海湖水體邊界數據集,可為分析該地區水資源變化、氣候變化與湖泊響應關系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
                    本研究基于GEE平臺,2014年后使用Landsat-8 OLI影像,2014年前使用Landsat-5 TM影像進行分析運算。在GEE平臺中,使用Landsat云量計算算法對輸入的符合時間和空間范圍的原始影像集進行計算,得到輸入數據集的大氣表觀反射率數據(Top-of-atmosphere Reflectance)和每個像元的云量得分,以云量得分最低的像元重構目標年份的最小云量合成影像。本研究中,每隔3年選取6–9月30 m分辨率Tier1等級Landsat衛星的最小云量合成影像數據進行拼接,得到一幅青海湖區域的最小云量影像。
                    1.2 ? 數據處理方法
                    本研究使用了美國航空航天局(NASA)的陸地衛星Landsat-5 Thematic Mapper (TM)和Landsat-8 Operational Land Imager (OLI)衛星遙感影像監測青海湖面積變化。歸一化水體指數(Normalized Difference Water Index,NDWI)廣泛應用于水體識別和湖泊監測的研究中,準確度高達98%[13-14]。6–9月是青海湖的豐水期,每年采用6–9月的最小云量合成影像進行波段運算。Landsat-5 TM影像采用公式(1)計算NDWI,Landsat-8 OLI影像采用公式(2)計算NDWI。
                    \(\mathrm{N}\mathrm{D}\mathrm{W}\mathrm{I}=\frac{B\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}2-\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}5}{\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}2+\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}5}\) (1)
                    \(\mathrm{N}\mathrm{D}\mathrm{W}\mathrm{I}=\frac{B\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}3-\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}6}{\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}3+\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{n}\mathrm{d}6}\) (2)
                    Band代表Landsat-5 TM/Landsat-8 OLI影像中各波段的大氣表觀反射率,其中2、3波段是綠波段,5、6波段是近紅外波段。
                    運算完成后獲得了青海湖目標年份的NDWI柵格影像集,對NDWI閾值取大于0提取出青海湖區域的河流和湖泊等水域范圍,然后把柵格格式數據集(tif)轉為矢量格式(shp)。
                    通過水體矢量數據與原始影像進行疊加,采用人工目視檢驗的方式進行修正,對錯分、漏分的情況通過數字矢量化進行修改,并去除河流和湖泊周邊的微小湖泊,只保留了青海湖主湖體以及耳海、尕海、新尕海和金沙灣等青海湖子湖,完成了11期青海湖水體邊界數據集的繪制。
                    采用同樣方法對2018年的10 m分辨率的哨兵數據進行水域結果提取,并對相應年份同時間段的提取結果進行了精度驗證,結果滿足精度要求。整個流程見圖1。


                    圖1 ? 基于水體指數的水體提取
                    2 ? 數據樣本描述
                    2.1 ? 數據組成
                    本數據集包括1987–2017年間每隔3年一期,共11期青海湖水體的空間分布數據,本數據保存為1個壓縮文件(1987–2017年青海湖水體邊界數據集.rar),總數據量為2.25 MB。數據存儲為shp矢量數據格式,投影系統為WGS-84。
                    2.2 ? 數據樣本
                    本數據集主要反映豐水期的青海湖水體分布狀況及時間序列變化,以時間序列首尾年份和湖水水位相對較低年份作為青海湖水體分布樣例,如下圖2所示。




                    圖2 ? 青海湖水體空間分布及水體面積時間序列變化示意圖
                    本研究中青海湖水域范圍主要包括青海湖主湖體以及金沙灣、尕海、新尕海和耳海部分。其中,金沙灣、尕海、新尕海和耳海是青海湖的4個子湖。金沙灣和新尕海部分與主湖區季節性、代際連通,尕海與主湖完全隔離且無明顯河流補給,耳海與主湖完全隔離且有河流補給。青海湖水域在過去30多年里經歷了先略有回升,然后持續下降而后又平穩上升的趨勢,1987年水體面積為4352.6平方公里,到1990年上升為4402.4平方公里。然后經過多年湖水水位下降,到2002年水體面積僅為4282.6平方公里,主要原因為青藏高原暖干氣候下長時期的少雨和蒸發量增加[15]。2005年開始,隨著氣候變化下暖濕氣候影響該區域,降水量和河流徑流量增加,湖水水位逐漸上升,水體面積從2005年的4284.8平方公里上升到了2017年的4448.3平方公里,湖水面積超過了20世紀80年代末期的水平。研究結果與前人的監測結果比較一致[15-16]。
                    3 ? 數據質量控制和評估
                    為了驗證青海湖水體邊界數據集提取精度,采用同樣的方法獲取了2018年同時段Landsat-8OLI衛星影像和兩年期10 m分辨率的哨兵2號數據的提取結果,以哨兵2號數據提取結果為準進行疊加分析,發現基于Landsat影像數據集的提取精度達99%以上,參見表1。相比較而言,整體來講Landsat衛星影像數據提取結果偏小,主要分布在湖周特別是湖口濕地區域。鑒于數據處理方法一致,具有一定參考價值,可滿足用戶對數據集的精度要求。
                    表1 ? 水體提取結果對比
                    序號年份數據分辨率面積(km2面積精度
                    12018哨兵2號10 m4541.45100%(以此為標準)
                    22018Landsat-8 OLI30 m4525.3999.64%
                    32017哨兵2號10 m4489.03100%(以此為標準)
                    42017Landsat-8 OLI30 m4448.2599.09%
                    4 ? 數據價值
                    青海湖為中國最大的內陸咸水湖泊,是維系青藏高原生態安全的重要水體,也是阻擋西部荒漠化“東進”的天然屏障,其水體面積的變化對區域氣候和周邊生態環境變化具有重要影響。受氣候變化的影響,近百年來青海湖水位經歷著萎縮的過程[17],2005年以來,青海湖水位增長顯著,目前水位已恢復到20世紀70年代初的水平。
                    本數據集是依據不同時期多源遙感影像數據(1987–2017年)生產的11期湖泊水體邊界矢量數據,特點在于時間序列較長,可作為青海湖湖泊水體時空變化、湖泊水量變化評估等研究的基礎數據,也可作為該區域水資源變化、氣候變化與湖泊響應關系等研究的重要依據。
                    5 ? 數據使用方法和建議
                    1987–2017年間每隔3年一期共11年的青海湖水體邊界數據均為shp格式,可以利用ArcGIS、QGIS等地理信息系統軟件對本數據集進行編輯及后續工作分析。本數據可用于青海湖的水文與水資源變化等方面研究。
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                    數據引用格式
                    郝美玉, 羅澤. 1987–2017年青海湖水體邊界數據集[DB/OL]. Science Data Bank. (2020-10-14). DOI: 10.11922/sciencedb.j00001.00113.
                    稿件與作者信息
                    論文引用格式
                    郝美玉, 羅澤. 1987–2017年青海湖水體邊界數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2021, 6(1). (2020-11-06). DOI: 10.11922/csdata.2020.0082.zh.
                    郝美玉
                    Hao Meiyu
                    主要承擔工作:數據處理、論文撰寫。
                    hmy@cnic.cn
                    (1984—),女,內蒙古呼和浩特市人,碩士,高級工程師,研究方向為地學領域科研信息化。
                    羅澤
                    Luo Ze
                    主要承擔工作:數據校核、質量控制。
                    (1976—),男,云南普洱市人,博士,研究員,研究方向為計算機應用技術。
                    出版歷史
                    I區發布時間:2020年10月14日 ( 版本ZH2
                    II區出版時間:2021年3月29日 ( 版本ZH3
                    參考文獻列表中查看
                    中國科學數據
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