郝美玉，罗泽

1.中国科学院计算机网络信息中心，北京 100190

引 言

青海湖是我国最大的内陆微咸水湖泊，位于青藏高原的东北部，地处东亚季风、印度季风和西风带的交汇处，，是维系青藏高原东北部生态安全的重要水体，也是控制西部荒漠化向东蔓延的天然屏障[1]。其独特的地理位置对气候变化非常敏感，湖泊水位的波动及周边环境的演变更是青藏高原气候变化的指示器和调解器[2]。近30 多年来，随着气候变暖及人类活动影响的加剧，青海湖及其流域内生态环境、青海湖水位发生了显著变化[3-4]，引起了人们的高度重视[5]。青海湖巨大的湖体不仅通过“湖泊效应”调节周边小区域气候，而且湖体边界变化也直接影响到湖周的湿地和沙地变迁，因此青海湖水体边界提取及其变化监测对湖周湿地保护和沙漠化防治具有重要的理论和现实意义[6]。

随着遥感技术的发展，遥感影像被广泛用于水体识别和监测研究。研究方法主要有光谱波段分析[7]、水体指数[8-9]和分类算法[10]等，水体识别精度较高，可满足不同科研需求。传统的遥感研究多采用小规模的数据进行分析，大范围长时间序列的遥感影像使用较少[11]。近年来，拥有庞大的遥感影像数据集和高性能计算能力的地理空间数据分析云平台Google Earth Engine（GEE）[12]改变了传统的遥感数据处理方法，为长时间序列大规模的遥感影像分析提供了新的途径。本研究基于GEE 平台，使用多时相Landsat 系列遥感影像数据，利用像元级最小云量影像合成方法构建目标年份季节合成影像，分析获取长时间序列的青海湖水体边界数据集，可为分析该地区水资源变化、气候变化与湖泊响应关系等研究提供基础数据支撑和科学依据。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据来源

本研究基于GEE 平台，2014 年后使用Landsat-8 OLI 影像，2014 年前使用Landsat-5 TM 影像进行分析运算。在GEE 平台中，使用Landsat 云量计算算法对输入的符合时间和空间范围的原始影像集进行计算，得到输入数据集的大气表观反射率数据（Top-of-atmosphere Reflectance）和每个像元的云量得分，以云量得分最低的像元重构目标年份的最小云量合成影像。本研究中，每隔3 年选取6-9 月30 m 分辨率Tier1 等级Landsat 卫星的最小云量合成影像数据进行拼接，得到一幅青海湖区域的最小云量影像。

1.2 数据处理方法

本研究使用了美国航空航天局（NASA）的陆地卫星Landsat-5 Thematic Mapper (TM)和Landsat-8 Operational Land Imager (OLI)卫星遥感影像监测青海湖面积变化。归一化水体指数（Normalized Difference Water Index，NDWI）广泛应用于水体识别和湖泊监测的研究中，准确度高达98%[13-14]。6-9 月是青海湖的丰水期，每年采用6-9 月的最小云量合成影像进行波段运算。Landsat-5 TM 影像采用公式(1)计算NDWI，Landsat-8 OLI 影像采用公式(2)计算NDWI。

Band 代表Landsat-5 TM/Landsat-8 OLI 影像中各波段的大气表观反射率，其中2、3 波段是绿波段，5、6 波段是近红外波段。

运算完成后获得了青海湖目标年份的NDWI 栅格影像集，对NDWI 阈值取大于0 提取出青海湖区域的河流和湖泊等水域范围，然后把栅格格式数据集（tif）转为矢量格式（shp）。

通过水体矢量数据与原始影像进行叠加，采用人工目视检验的方式进行修正，对错分、漏分的情况通过数字矢量化进行修改，并去除河流和湖泊周边的微小湖泊，只保留了青海湖主湖体以及耳海、尕海、新尕海和金沙湾等青海湖子湖，完成了11 期青海湖水体边界数据集的绘制。

采用同样方法对2018 年的10 m 分辨率的哨兵数据进行水域结果提取，并对相应年份同时间段的提取结果进行了精度验证，结果满足精度要求。整个流程见图1。

图1 基于水体指数的水体提取

2 数据样本描述

2.1 数据组成

本数据集包括1987-2017 年间每隔3 年一期，共11 期青海湖水体的空间分布数据，本数据保存为1 个压缩文件（1987-2017 年青海湖水体边界数据集.rar），总数据量为2.25 MB。数据存储为shp矢量数据格式，投影系统为WGS-84。

2.2 数据样本

本数据集主要反映丰水期的青海湖水体分布状况及时间序列变化，以时间序列首尾年份和湖水水位相对较低年份作为青海湖水体分布样例，如下图2 所示。

图2 青海湖水体空间分布及水体面积时间序列变化示意图

本研究中青海湖水域范围主要包括青海湖主湖体以及金沙湾、尕海、新尕海和耳海部分。其中，金沙湾、尕海、新尕海和耳海是青海湖的4 个子湖。金沙湾和新尕海部分与主湖区季节性、代际连通，尕海与主湖完全隔离且无明显河流补给，耳海与主湖完全隔离且有河流补给。青海湖水域在过去30 多年里经历了先略有回升，然后持续下降而后又平稳上升的趋势，1987 年水体面积为4352.6平方公里，到1990 年上升为4402.4 平方公里。然后经过多年湖水水位下降，到2002 年水体面积仅为4282.6 平方公里，主要原因为青藏高原暖干气候下长时期的少雨和蒸发量增加[15]。2005 年开始，随着气候变化下暖湿气候影响该区域，降水量和河流径流量增加，湖水水位逐渐上升，水体面积从2005 年的4284.8 平方公里上升到了2017 年的4448.3 平方公里，湖水面积超过了20 世纪80 年代末期的水平。研究结果与前人的监测结果比较一致[15-16]。

3 数据质量控制和评估

为了验证青海湖水体边界数据集提取精度，采用同样的方法获取了2018 年同时段Landsat-8OLI卫星影像和两年期10 m 分辨率的哨兵2 号数据的提取结果，以哨兵2 号数据提取结果为准进行叠加分析，发现基于Landsat 影像数据集的提取精度达99%以上，参见表1。相比较而言，整体来讲Landsat卫星影像数据提取结果偏小，主要分布在湖周特别是湖口湿地区域。鉴于数据处理方法一致，具有一定参考价值，可满足用户对数据集的精度要求。

表1 水体提取结果对比

4 数据价值

青海湖为中国最大的内陆咸水湖泊，是维系青藏高原生态安全的重要水体，也是阻挡西部荒漠化“东进”的天然屏障，其水体面积的变化对区域气候和周边生态环境变化具有重要影响。受气候变化的影响，近百年来青海湖水位经历着萎缩的过程[17]，2005 年以来，青海湖水位增长显著，目前水位已恢复到20 世纪70 年代初的水平。

本数据集是依据不同时期多源遥感影像数据（1987-2017 年）生产的11 期湖泊水体边界矢量数据，特点在于时间序列较长，可作为青海湖湖泊水体时空变化、湖泊水量变化评估等研究的基础数据，也可作为该区域水资源变化、气候变化与湖泊响应关系等研究的重要依据。

5 数据使用方法和建议

1987-2017 年间每隔3 年一期共11 年的青海湖水体边界数据均为shp 格式，可以利用ArcGIS、QGIS 等地理信息系统软件对本数据集进行编辑及后续工作分析。本数据可用于青海湖的水文与水资源变化等方面研究。

数据作者分工职责

郝美玉（1984—），女，内蒙古呼和浩特市人，硕士，高级工程师，研究方向为地学领域科研信息化。主要承担工作：数据处理、论文撰写。

罗泽（1976—），男，云南普洱市人，博士，研究员，研究方向为计算机应用技术。主要承担工作：数据校核、质量控制。