2000-2014年祁连山西段老虎沟12号冰川高程变化
【类型】期刊
【作者】张其兵，康世昌，王晶（湖南文理学院资源环境与旅游学院；中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室；中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心；湖南文理学院土木建筑工程学院）
【作者单位】湖南文理学院资源环境与旅游学院；中国科学院西北生态环境资源研究院冰冻圈科学国家重点实验室；中国科学院青藏高原地球科学卓越创新中心；湖南文理学院土木建筑工程学院
【刊名】冰川冻土
【关键词】 冰川高程变化；老虎沟12号冰川；遥感；TerraSAR-X/TanDEM-X
【资助项】国家自然科学基金(41671065)；湖南文理学院博士启动项目(2015BSQD)；冰冻圈科学国家重点实验室开放基金(SKLCSOP-2016-11)；洞庭湖生态经济区建设与发展湖...
【ISSN号】1000-0240
【页码】P733-740
【年份】2019
【期号】第4期
【期刊卷】1;|7;|8;|2
【摘要】祁连山冰川自1990s以来持续萎缩,冰川融水径流变化对邻近的干旱区水资源产生重要影响。以往遥感与实测研究显示祁连山西段老虎沟12号冰川面积减少、末端退缩、运动速度降低及平衡线高度升高。为了进一步验证老虎沟12号冰川变化规律,利用高分辨率Terra SAR-X/Tan DEM-X微波影像数据,与SRTM-C DEM进行差分干涉,得出老虎沟12号冰川2000-2014年高程年平均变化值为(-0.29±0.09)m·a-1。为了验证遥感观测结果,利用RTK-GPS对老虎沟12号冰川表面进行测高,并与SRTM-C DEM上相应点的高程值进行比较,计算测量点的高程年变化值,结果显示两种方法获得的年平均变化值之间具有很好的正相关性,表明利用Terra SAR-X/Tan DEM-X微波影像数据及差分干涉技术监测祁连山冰川高程变化具有较好的可行性。
【全文】 文献传递
2000-2014年祁连山西段老虎沟12号冰川高程变化
摘 要： 祁连山冰川自1990s以来持续萎缩， 冰川融水径流变化对邻近的干旱区水资源产生重要影响。以往遥感与实测研究显示祁连山西段老虎沟12号冰川面积减少、 末端退缩、 运动速度降低及平衡线高度升高。为了进一步验证老虎沟12号冰川变化规律， 利用高分辨率TerraSAR-X/TanDEM-X微波影像数据， 与SRTM-C DEM进行差分干涉， 得出老虎沟12号冰川2000-2014年高程年平均变化值为(-0.29±0.09) m·a-1。为了验证遥感观测结果， 利用RTK-GPS对老虎沟12号冰川表面进行测高， 并与SRTM-C DEM上相应点的高程值进行比较， 计算测量点的高程年变化值， 结果显示两种方法获得的年平均变化值之间具有很好的正相关性， 表明利用TerraSAR-X/TanDEM-X微波影像数据及差分干涉技术监测祁连山冰川高程变化具有较好的可行性。
关键词： 冰川高程变化； 老虎沟12号冰川； 遥感； TerraSAR-X/TanDEM-X
0 引言
冰川变化是全球气候变化的良好指示器[1-2]。全球和区域气候变化对冰川面积、 长度、 高程、 平衡线高度(ELA， Equilibrium Line Altitude)、 运动速度及表面反照率等产生影响， 冰川变化又影响区域和全球气候， 形成正反馈机制[3-4]。冰川物质平衡对气候变化具有高度敏感性。冰川物质的增加与损失直接导致冰川高程变化， 引起冰川融水径流量的变化， 对水资源与海平面变化产生影响[5]。
位于祁连山西段的老虎沟12号冰川是祁连山最大的冰川， 许多科研工作者在此展开研究。Zhang等[6]、 Jing等[7]利用RTK-GPS测量与ICESat激光测高数据分析得出该冰川高程降低， 冰川运动速度减小。刘时银等[8]、 刘宇硕等[9]、 王玉哲等[10]利用光学遥感影像和地形图资料分析得到该冰川面积持续减少。杜文涛等[11]研究表明该冰川末端退缩、 平衡线高度升高。陈记祖等[12]、 孙维君等[13-14]基于物质能量平衡模型模拟及花杆实测数据研究得出该冰川经历较大的负物质平衡。武震等[15]利用GPR探测技术揭示出老虎沟12号冰川冰体温度较高， 表明冰川处于消融与退缩状态。另外， 以往的研究表明， 气温升高是造成老虎沟12号冰川消融减薄和负物质平衡的主要原因[16-17]， 并能够引起冰川萎缩和冰川径流增加。老虎沟12号冰川融水是昌马河重要的径流补给来源， 最后注入疏勒河。高精度定量化研究该冰川及其所在区域冰储量的变化， 对河西走廊西段生态环境保护、 旅游资源开发及生产生活用水规划等均具有重要意义。
通过测量不同时期冰川表面的高程数据， 得到冰川高程和冰储量变化， 最后转化成物质平衡水当量(w.e.)。冰川高程测量可以监测长时间累积的物质平衡， 由于遥感影像的覆盖范围大， 可以评估区域范围的物质平衡[18]。冰川高程测量可以分为三类： GPS、 雷达和光学/激光高程测量[18]。雷达高程测量技术包括雷达影像干涉以及雷达高度计技术[19-20]。光学/激光高程测量包括航空与航天遥感获取沿轨或者交轨的立体像对来提取DEM， 或者激光高度计测高。不同的方法有不同的优势和劣势， GPS测量精度可以达到毫米级， 但难获取大范围的数据， 只能进行有限点的测量。光学摄影测量需要无云的天气， 影像对比度要高， 而雪冰表面缺少具有明显对比度的匹配点， 且高分辨率影像购买费用昂贵。星载激光高度计如ICESat/GLAS在平坦区域， 以每隔170 m的轨道， 取70 m半径内的平均表面高度作为该区域的点高程[21]， 空间分辨率低且地面覆盖不连续。雷达高度计空间分辨率低， 不适用于山地冰川监测。雷达干涉技术受限于地物表面物理特征的稳定性。TerraSAR-X/TanDEM-X两景干涉影像同时获取， 克服了由于冰川表面物理性状变化快带来的干涉失相干。此类高分辨率数据被成功地应用在天山、 青藏高原中部和东南部、 喀喇昆仑山中段、 喜玛拉雅山西段及念青唐古拉山西段的冰川高程变化研究中[20,22-26]。
本文选取2014年获取的TerraSAR-X/TanDEM-X双站雷达影像， 利用其干涉相位与2000年获取的SRTM-C DEM模拟相位进行差分， 高精度评估老虎沟12号冰川2000-2014年期间高程变化值， 同时利用RTK-GPS高程测量变化值对其结果进行验证。
1 研究区概况
祁连山所处的西北地区年平均降水量一般都低于400 mm， 该区域冰川融水成为重要的水资源[27-28]。1990s以来祁连山东、 中段冰川大规模萎缩是气温快速上升的结果， 而祁连山西段由于降水的增加在一定程度上弥补了气温上升造成的冰川物质亏损， 且冰川规模较大， 退缩速率低于祁连山东、 中段地区[11,27,29-33]。就整个祁连山而言， 降水量的增加远不能弥补气温升高导致的冰川物质损失， 且夏季降水多是降雨形式， 不利于冰川的积累， 从而导致冰川普遍退缩[33]。
老虎沟12号冰川(冰川编目5Y448D0012， 39°26.4′ N， 96°32.5′ E)， 位于祁连山西段大雪山， 长度为10.8 km， 面积为21.9 km2[12]。老虎沟区域主要受西伯利亚反气旋和西风气流的影响， 呈大陆性干旱气候， 气候由暖干向暖湿转型[34-35]。年平均气温为-12 ℃， 超过70%的年降水量集中于5-9月。最低海拔4 260 m， 最高海拔5 483 m， 具有3°～6°的坡度， 属于典型的极大陆型冰川[11-12]。在5 000 m处冰川分成两支， 在4 550 m处冰川又汇合[6]。
2 数据与方法
2.1 数据资料
TerraSAR-X卫星于2007年6月发射， 它的姊妹星TanDEM-X(TerraSAR-X add-on for Digital Elevation Measurement)于2010年6月发射， 两颗卫星以单过双站模式获取一对短基线强相干性的影像， 条带式模式下距离向与方位向分辨率均在2 m以内[36]。本研究中选取一对2014年1月15日获取的有效基线长度为238 m的条带式HH单极化影像， 该对影像是经过地理配准的单视斜距复影像(CoSSC， Co-registered Single look Slant range Complex)， 入射角为34.86°， 轨道方向为降轨(Descending)， 视向为右视。30 m分辨率的C波段SRTM DEM， 从美国地质调查局 (USGS) 处获取。选取1999年9月14日获取的Landsat 7 ETM L1T影像， 用比值法提取冰川分布图， 并手工添加冰碛覆盖下的冰川， 去除错误划分为冰川的水体。利用ArcGIS 10.1软件中的水文分析工具和SRTM DEM数据提取老虎沟12号冰川所在的流域分界线， 结合提取出的山脊线及阴影图， 手工修改流域分界线， 然后用它去切割冰川分布图， 得到老虎沟12号冰川分布(图1)。
图1 老虎沟12号冰川位置及RTK-GPS测量点空间分布
Fig.1 Map showing the location of the Laohugou Glacier No.12 and the spatial distribution of the points for RTK-GPS survey
2.2 基于差分干涉计算冰川高程变化方法
利用GAMMA软件进行差分干涉处理， 处理流程为： 读取数据、 干涉处理、 地理编码、 平地相位及地形相位模拟与去除、 解缠与地理编码。具体的数据处理流程如图2所示。由于SRTM-C DEM高程是正高， 需要加上大地水准面差距(geoidal height)才能与TerraSAR-X/TanDEM-X数据的WGS84椭球高进行比较。在进行差分干涉之前， 需要把SRTM-C DEM和 TerraSAR-X/TanDEM-X进行配准。利用TerraSAR-X/TanDEM-X的轨道信息， 模拟SRTM-C DEM在雷达坐标系下SAR影像， 同时生成雷达坐标系与地理坐标系下数据查找表(look-up table)。利用TanDEM-X与SRTM DEM模拟强度图及互相关(cross correlation)算法精化查找表， 利用精化后的查找表把SRTM DEM转化为SAR坐标系下的地形数据， 从而实现了两者之间的精确配准。借助TerraSAR-X/TanDEM-X的轨道基线模型把SAR坐标系下的地形数据模拟成含有平地与地形相位的干涉相位， 并从TerraSAR-X/TanDEM-X干涉相位中扣除它， 结果只含有地形相位变化值。为了消除噪音的影响， 对差分干涉的结果进行自适应滤波， 并掩膜掉由于顶底叠置和阴影造成的低相干性区域， 采用最小费用流法(MCF， Minimum Cost Flow)进行解缠。最后利用双线性多项式拟合非冰川区高程不变点的相位变化值， 在差分干涉结果图中扣除该双线性项， 消除相位梯度。把校正后的相位转化成高程差， 利用精化查找表把12 m水平分辨率的高程差值图从SAR坐标系转化到地理坐标系下。
图2 冰川高程变化数据处理流程
Fig.2 Glacial elevation change data processing flow
由于TanDEM-X与SRTM DEM配准精度及其差分干涉受地形因素影响， 给冰川高程变化结果带来不确定性， 本研究中利用Bolch等[37]给出的式(1)求高程变化误差：
式中： e为高程变化误差； σ为非冰川区高程差的标准差； n为非冰川区像元的个数；
为非冰川区高程差的平均值。
为了验证遥感观测结果， 2016年8月27日， 利用南方S86-2013版GNSS接收机对老虎沟12号冰川进行高程测量， 把其中的一台接收机作为基准站， 架设在地势较高的开阔区域， 另一台接收机作为移动站。用手薄新建一个项目， 设置坐标系为WGS-84， 投影为UTM北半球47带和杆高， 移动站与流动站的差分格式统一设为RTCA。把流动站放在有绝对经纬度和高程的地面控制点处， 在移动站中输入该控制点经纬度和高程并启动基准站。然后用移动站在冰舌处测量高程， 测点分布如图1所示。RTK-GPS测量值平面精度为±1 cm， 高程精度为±2 cm， 移动站与基准站的距离每增加1 km， 误差增加1 mm。
由于SRTM-C DEM高程为正高， 而RTK-GPS测量值为WGS84椭球高， RTK-GPS测量值需要减去大地水准面差距。在该冰川观测站附近， 计算GPS控制点高程与相应点的SRTM-C DEM高程差为-54 m， RTK-GPS测量值需要减去该值才能与SRTM-C DEM上相应点的高程进行比较。
3 结果与讨论
3.1 冰川高程变化分析
利用差分干涉技术得到祁连山老虎沟12号冰川高程变化如图3所示， 在冰川消融区高程呈降低的趋势， 在部分积累区冰川高程呈升高的趋势。积累区高达50 m及以上正高程差的区域集中于山脊线附近， 主要是由于TerraSAR-X/TanDEM-X影像与SRTM-C DEM配准误差所致。老虎沟12号冰川从4 260到4 400 m处， 冰川高程平均降低了26 m。从4 440 m到4 560 m处， 冰川高程平均降低了13 m。从4 560 m到4 880 m， 冰川高程平均降低了3.6 m。4 900 m以上冰川高程呈升高趋势， 并且升高了2.4 m。
图3 祁连山老虎沟12号冰川2000-2014年冰川高程变化
Fig.3 Elevation change of the Laohugou Glacier No.12 in the Qilian Mountains from 2000 to 2014 according to the difference interfering technology
对老虎沟12号冰川右支中流线高程变化作进一步分析如图4所示， 在冰川消融区有明显的减薄趋势； 随着海拔的升高， 降水量增加， 消融量减少， 减薄的强度降低， 冰面高程呈增高的趋势开始于海拔4 880 m， 高于早期的平衡线高度4 830 m[6]， 显示该冰川呈退缩状态。
图4 老虎沟12号冰川2000-2014年中流线高程变化
Fig.4 Elevation change along the centre line on the Laohugou Glacier No.12 from 2000 to 2014
在老虎沟12号冰川附近非冰川稳定区均匀选取407个点， 其高程差的标准差为4.45， 高程差的平均值为0.65， 经计算高程变化误差e为0.69 m， 考虑到SRTM-C DEM穿透深度的误差为0.5 m[38]，得到每年冰川变化的误差为±0.09 m。选取C波段穿透深度为2.7 m[38]， 得到老虎沟12号冰川高程变化值为(-0.29±0.09) m·a-1， 老虎沟12号冰川高程年均变化值与RTK-GPS实测1957-2007年期间高程变化值(-0.37±0.01) m·a-1[6]相比偏小。假定冰的密度为0.85 g·cm-3[39]， 2000-2014年期间， 老虎沟12号冰川高程变化值为每年(-0.25±0.08) m w.e.， 14 a间共损失7.26×107 t 水量。同时也计算了包括老虎沟12号冰川所在的祁连山西段部分区域2000-2014年冰川高程变化(图5)， 由于冰川规模、 坡度和坡向的不同， 每条冰川的高程变化值不一致， 但整体上年平均变化值为(-0.29±0.09) m·a-1， 与老虎沟12号冰川相同， 由此可见， 老虎沟12号冰川变化在祁连山西段冰川变化中具有代表性和指示意义。
图5 祁连山西段2000-2014年冰川高程变化
Fig.5 Glacier elevation changes in the western Qilian Mountains from 2000 to 2014 according to the difference interfering technology
3.2 结果验证分析
把RTK-GPS测量值与相应点的SRTM DEM值进行比较， 得到33个点的2000-2016年高程差及年平均变化值。相应点的差分干涉高程差及年平均变化值可以从图3中提取。把两种年平均变化值作一次线性回归分析， 如图6所示， 从冰川末端到海拔4 490 m处， RTK-GPS测算出的冰川高程变化绝对值比遥感观测值偏大， 可能是由于测量在夏季进行， 遥感影像的获取日期在冬季， 夏季冰川末端积雪厚度比冬季值小所致。两种观测方法测算出的冰川高程变化具有显著的正相关(r=0.6， P=0.0003)， 遥感观测值与实测值有较好的一致性。
图6 老虎沟12号冰川RTK-GPS测量点高程年变化值与相应点差分干涉年变化值比较
Fig.6 Comparison of the annual elevation changes for the Laohugou Glacier No.12, calculated using by the RTK-GPS and differential interferogram
3.3 讨论
ICESat/GLAS数据观测显示， 2003-2008年祁连山冰川平均高程变化值为-0.34 m·a-1[10]。模型模拟显示， 2012年6月1月-9月30日， 老虎沟12号冰川表面物质平衡为-0.51 m w.e.， 与花杆网阵观测值接近， 且4 550 m处的花杆网阵监测数据显示， 7月28日-8月28日该处总物质平衡为0.93 m w.e.[12]。以上研究与本文结果均显示老虎沟12号冰川表现出较大的负物质平衡。
1957-2013年重建气温序列数据显示， 老虎沟经历了显著增温趋势， 趋势强度随着海拔的升高而增加， 积累区5 040 m表面气温升高率为0.37 ℃·(10a)-1， 4 180 m处为0.31 ℃·(10a)-1， 不同海拔正积温显著增加[16]。虽然降水有所增加， 但是不能弥补由于气温升高带来的冰量损失， 老虎沟12号冰川高程自2000年以来处于降低状态， 与其面积和长度减小以及末端退缩一致。祁连山中段“七一”冰川2005-2010年物质平衡为每年 -0.46 m w.e.[40]， 雪线高度在1990-2010年期间呈缓慢上升趋势， 夏季气温与年降水量呈升高趋势[41]。祁连山东段1970-2010年降水变化不明显， 气温呈明显的升高趋势， 导致了宁缠河与水管河流域9条冰川冰面高程平均降低了0.64 m·a-1[42]。祁连山西段老虎沟12号冰川退缩速率小于中段“七一”冰川， 而“七一”冰川的退缩速率又小于东段宁缠河水管河冰川退缩速率。总体上， 祁连山西段冰川高程降低速率低于祁连山中段和东段， 主要是由于西部的降水增加率高于中东部， 并且西部冰川规模普遍大于中东部， 规模较大的极大陆型冰川对气候变化的响应较弱。
本研究在RTK-GPS测量过程中， 受天气影响， 测点数较少， 在后续的研究中需要进行补测。自2010年以来， 随着TerraSAR-X/TanDEM-X数据积累的增多， 可以在TerraSAR-X/TanDEM-X数据之间进行差分干涉， 降低不同波段对雪冰穿透深度差异带来的误差， 并且可以进行较短时间间隔的冰川高程变化遥感监测， 及时评估冰川变化对当地水资源的影响。
4 结论
本研究利用TerraSAR-X/TanDEM-X影像资料， 与SRTM-C DEM进行差分干涉， 获得了2000-2014年祁连山西段及老虎沟12号冰川高程变化值， 结果显示祁连山西段及老虎沟12号冰川高程平均减薄值均为0.29 m·a-1， 利用RTK-GPS对该冰川表面高程进行测量并计算年平均变化值， 两种观测方法测算出的冰川高程变化具有显著的正相关， 遥感观测值与实测值有较好的一致性。自19世纪50年代以来， 该地区气温持续上升， 导致冰川退缩。利用高分辨率TerraSAR-X/TanDEM-X影像监测该地区冰川物质平衡变化可对合理利用祁连山冰川水资源提供科学依据。
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(本文编辑： 周成林)
Elevation change of the Laohugou Glacier No.12 in the western Qilian Mountains from 2000 to 2014
Abstract: Glaciers in the Qilian Mountains have retreated since the 1990s, and the glacier ablation has great effect on the water resources in the arid Hexi corridor. The past studies based on remote sensing technology and field investigation has showed that the glacierized area had decreased, with terminus shrink upward, flow velocity slowing down and the equilibrium line altitude rising. In order to investigate the glacier elevation change by remote sensing technology, the interferometric phase of TerraSAR-X/TanDEM-X (TSX/TDX) subtracted the interferometric phase simulated from the co-registered SRTM-C DEM using the satellite geometry and baseline model of the TSX/TDX, the resulted differential interferometric synthetic aperture radar (DInSAR) phase was converted to the height difference. The thinning rate of the Laohugou Glacier No.12 had been (0.29±0.09) m·a-1 from 2000 to 2014. In an expedition in 2016, the elevation of the ablation area was measured using the Real Time Kinematic Global Position System (RTK-GPS), and the change in elevation was calculated via comparisons with the elevation of the matching points on the SRTM-C DEM acquired in 2000. These values were used to validate the DInSAR results and found a correlation coefficient of 0.6. The microwave remote sensing images of TerraSAR-X/TanDEM-X and differential interferometry technology can be applied to study glacier elevation change in the western Qilian Mountains.
Key words: glacier elevation change; Laohugou Glacier No.12; remote sensing; TerraSAR-X/TanDEM-X
DOI:10.7522/j.issn.1000-0240.2017.0083
收稿日期： 2017-08-24;
修订日期: 2017-09-27
基金项目: 国家自然科学基金(41671065)； 湖南文理学院博士启动项目(2015BSQD)； 冰冻圈科学国家重点实验室开放基金(SKLCS-OP-2016-11)； 洞庭湖生态经济区建设与发展湖南省协同创新中心项目资助
E-mail: 2391512238@qq.com.
中图分类号： P343.6
文献标志码： A
文章编号： 1000-0240(2017)04-0733-08