基于GIS的冰川动力学模型部分参数自动提取研究
【类型】期刊
【作者】谢遵义，张世强，张小文，谯程俊，杨晓红（中国科学院寒区旱区环境与工程研究所；兰州商学院农林经济管理学院；西安测绘总站）
【作者单位】中国科学院寒区旱区环境与工程研究所；兰州商学院农林经济管理学院；西安测绘总站
【刊名】冰川冻土
【关键词】 冰川动力学模型参数；AML；VBA；自动提取
【资助项】科技部国际合作项目 （2008DFA20400）；水利部公益性行业科研专项项目 （200701046）；中国科学院“百人计划”项目 （40871036）
【ISSN号】1000-0240
【页码】P519-523
【年份】2019
【期号】第3期
【期刊卷】1;|7;|8;|2
【摘要】对冰川进行动力学模拟,对于理解和预测冰川对气候变化的响应具有非常重要的意义.每条冰川主流线上各节点间的面积-高程分布、坡度等是冰川动力学模拟中必需的参数,采用人工方法提取冰川的这些参数需要耗费大量时间和人力.因此,在GIS技术支持下提高获取参数的自动化程度对于获取参数的效率十分重要.以叶尔羌河流域为例,以冰川分布矢量、冰川主流线、流域的数字高程模型为基础,开展了冰川动力学模型参数自动提取流程的试验研究.研究参考了人工提取的流程,先自动提取冰川主流线上各节点处的高程,进而获取主流线上各节点之间的分带面积,最后计算出其他参数,如冰川作用差、长度、坡度等.整个过程基本实现了提取流程的自动化,为流域冰川动力学模拟提供了有效工具.
【全文】 文献传递
基于GIS的冰川动力学模型部分参数自动提取研究
摘 要：对冰川进行动力学模拟，对于理解和预测冰川对气候变化的响应具有非常重要的意义.每条冰川主流线上各节点间的面积－高程分布、坡度等是冰川动力学模拟中必需的参数，采用人工方法提取冰川的这些参数需要耗费大量时间和人力.因此，在GIS技术支持下提高获取参数的自动化程度对于获取参数的效率十分重要.以叶尔羌河流域为例，以冰川分布矢量、冰川主流线、流域的数字高程模型为基础，开展了冰川动力学模型参数自动提取流程的试验研究.研究参考了人工提取的流程，先自动提取冰川主流线上各节点处的高程，进而获取主流线上各节点之间的分带面积，最后计算出其他参数，如冰川作用差、长度、坡度等.整个过程基本实现了提取流程的自动化，为流域冰川动力学模拟提供了有效工具.
关键词：冰川动力学模型参数；AML；VBA；自动提取
0 引言
冰川是全球气候变化的敏感指示器［1］，对于海平面和区域水资源具有重要影响.同时，冰川变化对于生态和经济的影响以及人类对冰川变化的适应研究也日益受到重视.其中，冰川监测以及其影响研究一直是全球变化和区域环境变化研究中的重要内容［2－7］.为了研究冰川及冰川融水对气候变化的响应过程，特别是预测冰川及冰川融水在未来情景下的变化趋势，冰川动力学模型从20世纪中期就开始建立，并不断发展［8］.冰川动力学模型是基于物质和能量守恒原理而建立的物理模型，将冰川作为准塑性体，从力学和热学范畴来描述和模拟冰川本身特征随气候的变化过程［9］.由于冰川动力学模型所需参数众多，全球能够满足所有这些参数的监测的冰川非常有限，长期以来，冰川动力学模型的应用主要局限于单条冰川，近年来开始扩展到流域尺度［10］.要利用冰川动力学模型对流域内的逐条冰川进行模拟研究，流域内各条冰川的参数提取是首要的一步.冰川动力学模型主要包括两个部分：其一是冰川的物质平衡；另一个是冰川在物质平衡驱动下的形态变化.冰川沿主流线方向上不同节点处的表面运动速度、冰川厚度及冰川表面坡度以及各节点间的面积是计算物质平衡和冰川运动非常重要的物理参数［9］.其中每一条冰川沿主流线上各节点间的面积、高程、坡度、长度等可以通过室内分析获取.
手工提取参数的流程如下：先通过经验公式计算该条冰川的合理步长，根据该步长确定冰川主流线上各节点的位置，结合冰川矢量及DEM（数字高程模型），获得主流线节点处的坡度、海拔高度、冰川作用差.各节点间的分带面积的计算较为复杂，先利用等高线切割冰川，进而计算出各节点间的分带面积，并与主流线上各节点编号相对应.由于一个流域内往往包含成百上千条冰川，要手工提取这些参数需要大量的时间和人力，地理信息系统技术（GIS）的发展能够通过建立合理的流程提高提取参数的自动化程度，从而提高提取参数的效率.本研究以叶尔羌河流域为例，以人工提取流程为参考，开展了部分参数的自动提取试验，结果表明，基于ArcGIS的ARC Macro language（AML）和Excel中的Visual Basic for Application（VBA）［11－12］可以基本实现冰川动力学模型部分参数提取流程的自动化.
1 数据源
本研究中所利用的数据包括：1）叶尔羌河流域冰川分布矢量数据（图1）.由第一次冰川编目数字化的成果结合地形图等进一步检查和修正获取；2）叶尔羌河流域1∶25万数字高程模型（DEM）栅格数据.为了尽可能精确的利用等高线来计算不同节点间的面积，生成了10m等高线间距的矢量数据.需要指出的是，1∶25万的DEM产生的10m矢量数据具有一定的误差，但仍能够满足提取参数的要求；3）冰川主流线矢量数据.由于冰川主流线在绘制时需要冰川学的诸多经验来辅助判断，主流线由人工前期获得.
图1 叶尔羌河流域冰川分布图
Fig.1 Map showing the glaciers in the Yarkant River basin
2 处理流程
整个自动化的提取流程可以分为3个阶段，即数据准备，数据处理和数据结果整合阶段（图2）.
2.1 数据准备
图2 冰川动力学模型部分参数自动提取流程图
Fig.2 Schematic flowchart showing how to extract some parameters for glacier dynamics model
数据准备过程利用ESRI公司的ArcGIS中的Visual Basic for Applications（VBA）完成，包括将所有数据均转换为统一参考坐标系下以及计算冰川主流线上的合理步长［13］.根据经验，冰川的步长与冰川面积紧密相关.这一过程的VBA代码如下：
式中：L为步长；AREA为冰川面积，直接从冰川矢量数据的属性表中获得.计算合理步长后，便可在主流线上依据步长自动生成节点文件，并进行目视检查.该部分目前还没有完全实现自动化.
2.2 数据处理
（1）主流线上各节点处高程参数的获取.通过栅格计算，利用主流线上二值化后的点栅格数据与冰川的数字高程模型栅格数据相乘自动获得.
（2）主流线上各节点间的面积.通过分带统计替代了手动切割冰川，考虑到冰川上的高程沿主流线方向逐步降低，对于单条冰川，自动产生的冰川分带理论上不会产生交叉，从而可以用相邻两个节点的对应高程之间的冰川面积来自动计算节点间的面积.由于该部分在手工提取时需要花费大部分的时间，所以在对流域内的冰川逐条自动提取很有效率优势.需要指出的是，由于DEM分辨率的影响，即使在冰川主流线上，有时也存在局部平坦地形，两个相邻节点的高程非常接近，从而导致计算的面积有误.因此，在程序中增加了自动检查部分，当两个相邻节点的高程非常接近时，将读取下一节点的高程，考虑相邻3个节点的高程差，从而解决这个问题.图3是一个分面积带后的冰川栅格数据示例，可知各条冰川都按照主流线上的节点被分割成条带，从而提取了各节点间的面积.
图3 沿冰川主流线节点划分的面积分带
Fig.3 Area bands separated by nodes along the glacier mainstream
该部分流程的具体实现由ContourLine和ZonalArea两个AML文件中的一系列命令完成［14］，这是自动提取参数的核心部分，主要流程步骤如图4.
2.3 数据结果后处理
图4 冰川主流线上点高程和分带面积自动提取流程图
Fig.4 Schematic flowchart showing how to extract the elevation and band area of each node along the glacier mainstream
冰川动力学模型要求一个流域的所有冰川参数应该存在于一个Excel表中，因此，需要将排好序的逐条冰川的高程和分带面积按照编号导入到Excel表中.由于本实验流程获取的冰川主流线节点高程文件和节点间分带面积文件均为dbf文件，所以需将所有dbf文件用EXCEL文件打开合并，然后在合并好的Excel表中利用VBA进一步实现了流域中所有冰川的坡度，作用差，冰川长度等参数的获取.最后，得到冰川动力学模型所需的部分参数如表1.
2.4 结果评价
将本研究所得的冰川动力学模型参数值与手动人工获取的相同实验区的参数值做比较，两者的误差为1.86%，满足模型要求.考虑到人工操作利用等高线手动估算点的高程和手动切割冰川进行分带时难免会产生一定误差，而用栅格相乘来提取点的高程和利用高程分带命令求取分带面积可以避免这些人工误差.因此，对比表明本流程具有很强的实用性.
表1 冰川参数提取结果表
Table 1 The extracted glacier parameters
ID 冰川编号 海拔／m 面积／km2 作用差／m 长度／m 坡度／% 冰川条数／条350 5Y656I0016 6 588 13.94 2 001 2 450 3 408 1 6 504 0.53 0.24 2 6 411 0.65 0.27 3 6 144 2.17 0.76 4 5 850 3.14 0.84 5 5 726 1.20 0.35 6 5 687 0.48 0.11 7 5Y656I0016 4 587 0.08 0.03 350 5Y656I0025 5 500 9.77 875 6 300 1 5 461 1.27 0.11 2 5 422 0.990.12
3 几个细节问题
本实验研究时，遇到了需要技巧处理的几个细节问题.
（1）主流线上节点的生成.当流域内冰川数量多时，逐条在主流线上生成点，任务量非常繁重.本研究中采用ArcMap中的“合并”功能将步长相同的主流线先进行合并，从而使步长相同的线可以一起生成点文件.主流线上的点是依据步长生成的，需要利用“链接”将求出的冰川矢量层中的步长合并到对应主流线矢量层中.节点的生成采用ArcMap编辑工具Editor中的“分割”功能，在线上指定距离生成点.需要注意的是，“合并”后的主流线在自动生成点后，除第一条冰川的主流线和最后一条冰川的主流线线在各自端点生成端点外，其他主流线线在端点处均没有生成点，所以还需要将这些线的两个端点生成点.ArcToolbox中提供了Feature Vertices To Points功能，可以在所有线的两端直接生成点［15］.
（2）多余内岛问题的解决.当用AML命令在Workstation中将冰川矢量数据转换为栅格数据时，会出现多余的内岛，这是因为Workstation在处理Coverage格式数据时要求具有拓扑关系，在冰川内部可能存在基岩部分，在生成拓扑关系时会生成多余的“内岛假冰川”.所以，采用ArcToolbox中的polygon to raster的功能预先生成冰川栅格，此功能在将冰川矢量生成栅格数据的同时，会使生成的栅格保持原始多边形的结构不变，这样避免了多余的内岛对后期栅格计算的干扰.
（3）运行速度问题.由于本实验流域冰川区域面积大，冰川数量较多，所以Workstation中处理流域数字高程模型和冰川栅格数据转换时，耗时较多.为了提高运行效率，本研究中采用冰川边界将DEM进行裁剪的方法，去除DEM中无用的部分，而只处理覆盖冰川的有用部分.试验对比表明，由于用于剪切的冰川矢量的shape过于复杂，不适合于进行“栅格裁剪”操作.而需要采用grid模块下的“按模板提取栅格”操作会更稳固且效率更高.在转换裁剪下来的DEM，冰川栅格，及主流线点栅格成Albers投影时，为了提高速度，也做了如下处理：如果转换前后栅格行列数不变，重采样方法可以采用nearest代替bilinear，从而简化运算加快运算速度.
4 结论与展望
本研究在提取冰川动力学模型部分参数的优势主要在于两点：1）利用Workstation中的栅格计算命令提取主流线上点的高程，实现了自动化提取点的高程；2）利用Workstation中的reclass命令和zonalarea命令替代了手动切割冰川区等高线，避免了繁复任务，自动获取了主流线上各节点之间的面积.通过结合Workstation中的AML和Excel中VBA，基本实现了提取部分冰川动力学参数的自动化，有效的提高了为冰川动力学模型准备参数的效率，非常适合一次性处理流域内的多条冰川数据.同时，由于实现整个流程时还没有实现完全的自动化，未来还需要进一步完善.
致谢：感谢郭万钦、余蓬春、许君利等人在本研究中提供的热忱帮助.
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GIS－Based Study of Automatic Extraction of Glacier Dynamics Model Parameters
Abstract：Glacier dynamic model is very important to understand the process of glacier change and forecast its future response to climate change.Some parameters of glacier dynamic model have been manually generated，which is time－consuming.In this paper，a new process，which couples ESRI Arc Micro Language（AML）and Visual Basic for Applications（VBA），is process to semi－auto extract the parameters，such as elevation，slope，and band area of each node along the mainstream of aglacier.As examples，the glaciers in Yarkand River basin are introduced，by using the vector map of glaciers，glacier mainstream lines，Digital Elevation Model（DEM）.The nodes in the mainstream are auto－extracted at first，then the elevation of each node is auto－extracted，and the band area between two nodes is automatically calculated on the basis of“zonalstats”.At last，the results are integrated in one file for the model input.This process greatly enhances the efficiency of preparing the parameters of dynamic glacier model，and will be widely applied.
Key words：parameters of glacier dynamic model；AML；VBA；automatic extraction
中图分类号：P343.6
文献标识码：A
文章编号：1000－0240（2011）03－0519－05
收稿日期：2010－10－06；
修订日期：2011－02－12
基金项目：科技部国际合作项目（2008DFA20400）；水利部公益性行业科研专项项目（200701046）；中国科学院“百人计划”项目（40871036）资助