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基于MODIS MOD09Q1的青海、西藏湖泊水面数据集(2000~2012年)

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  1. 在论文“数据集(库)基本信息简介”里面“数据格式”只有shp,但是数据集中还有dbf,prj,shx等格式,建议作者修改。
  2. 摘要有一处疑似有误,请确认。
  3. 第3章中的7景影像建议按时间顺序排列。
  4. 是否考虑增加专门的章节简述下数据价值或者数据的使用方法和建议?
  5. 参考文献8的文献类型不详,格式可能有误,如为书名,补充l符号[M]。文献9末尾的字符如为页码,页码前面需加冒号。
【2016-12-01】 评论来自:版本 2
作者: 已按要求进行了修改。 【2016-12-06】 评论来自:版本 2
责编:

同评专家评审如下,请针对意见逐一回应,并相应修改。

同评专家一:

该套数据集是我国青海和西藏地区比较详细的高时间分辨率湖泊水体面积数据,其特点在于可以获得湖泊水体面积的年内和年季变化信息,是一套不可多得的数据集。其主要的创新意义在于其时间分辨率是以前多次历史数据不可比拟的。但是在论文的写作方面,建议作者:

1)对论文的题目加以修改,青藏高原是否可以修改为中国青海和西藏(可以考虑),然后把MODIS作为题目元素之一。

2)水面作为专业词语,是否湖泊水体比较合适。

3)增加详细的技术制作性描述,使得数据的制作过程透明,增强阅读性。

4)增加对数据应用专业领域的描述(第四节部分均可增加),摘要部分增加1-2句,对数据本身的描述(可以实数据时空分辨率、精度情况),数据应用潜力等。

5)增加对湖泊分布的展示图鉴,或者简略的分析和展示图件等建议。

6)最后‘’首次‘描述,可以做一下定义,以此更加明确地表达第一次发布时间分辨率为8天的湖泊水体面积数据。

同评专家二

1、该数据集论文方法正确,数据质量可靠,精度评估结果可信;

2、该成果可为LUCC研究提供比较有用的数据信息;
3、由于MODIS数据产品分辨率低,在计算小型湖泊面积时会产生较大的误差,建议研究由于低分辨率数据引起的误差原因,以及提升精度的方法。
【2017-01-05】 评论来自:版本 2
作者:

同评专家一:

1)回复:已将题目改为“基于MODIS MOD09Q1的青海、西藏湖泊水体数据集(2000~2012)”。

2)回复:因本数据集主体信息是湖泊水体的边界,而湖泊水体则指的是面积、水位和储量等信息,为了更精确表明数据集的含义,修改版中保留了湖泊水面的表述方法。

3)回复:关于数据集制作的方法及详细流程,因作者已经发表过专门文章(参考文献[12]和[13]),为了避免不同文章文字雷同问题,在本修改稿中,只增加了参考文献出处的描述。

4)回复:已在第四节和摘要部分做出了相应修改。

5)回复:已在第2节数据样本部分增加了2000~2012年每8天的高原湖泊面积变化图,用以反映湖泊水体年际和年内变化规律。

6)回复:已在文章最后一段对首次做了定义,即首套高时间分辨率湖泊水面数据集。

同评专家二:

回复:本文只是对拟发表的数据集做出较为全面的说明,让用户能清楚知道数据集的情况及如何使用。关于评审人提到的因MODIS影像空间分辨率相对较低引起的对小型湖泊面积提取误差问题,我们将会在未来的数据集改进和发展过程中重点考虑。

【2017-01-19】 评论来自:版本 2
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经编委会投票,同意录用本文。

【2017-03-07】 评论来自:版本 2

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基于MODIS MOD09Q1的青海、西藏湖泊水面数据集(2000~2012年)

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基于MODIS MOD09Q1的青海、西藏湖泊水面数据集(2000~2012年)

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            数据来源:CSCD中国科学引文数据库

基于MODIS MOD09Q1的青海、西藏湖泊水面数据集(2000~2012年)

卢善龙1*,金继明2,贾立1,张磊1,马津1,3

1. 中国科学院遥感与数字地球研究所,遥感科学国家重点实验室、数字地球重点实验室,北京 100101;

2. 西北农林科技大学,水利与建筑工程学院,杨凌 712100;

3. 山东农业大学,信息科学与工程学院,泰安 271018

* 通讯作者(Email: lusl@radi.ac.cn)

摘要:青藏高原分布有地球上海拔最高、数量最多和面积最大的内陆湖群。在全球变暖背景下,这些数量和面积巨大的湖泊水体的时空变化过程成为了高原区气候与环境变化研究中关注的热点问题。长期以来,因缺乏时空过程连续的湖泊变化数据集,制约了人们对高原区湖泊水体的年际间和年内变化规律的进一步认识和理解。本文介绍并发布了以MODIS MOD09Q1产品为基础,采用多级分割和逐个湖泊阈值自动确定方法提取的青藏高原(青海省和西藏自治区范围)2000~2012年每8天的250 m分辨率湖泊水面数据产品。本数据集整体精度为93.98%,与其他类似产品和研究成果交叉比较精度均高于86%,精确反映了近10多年来高原区湖泊水面的年际和年内变化特征。本数据集可直接用来做高原湖泊水体动态变化研究,也可作为陆面过程模型或区域气候模型的输入,研究湖泊水体动态变化在区域水文气候系统中的作用。

关键词湖泊水面;MOD09Q1;青藏高原;遥感

MODIS (MOD09Q1)-derived lake water surface dataset for the Tibetan Plateau (2000 – 2012)

Lu Shanlong1*, Jin Jiming2, Jia Li1, Zhang Lei1, Ma Jin1,3

1. Key Laboratory of Digital Earth Science, State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100094, P. R. China;

2. College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, P. R. China;

3. College of Information Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, P. R. China

*Email: lusl@radi.ac.cn

Abstract: The Tibetan Plateau has the largest inland lakes, both in terms of number and size, at the highest elevation on Earth. In the background of global warming, the spatio-temporal processes of these lakes become a hot topic for researches on climate and environment changes in the plateau. However, for lack of dataset recording continuous spatio-temporal lake dynamics, past studies did not clearly characterize the inter-annual and annual lake variation. This study introduces and presents a lake water surface dataset (8-day at 250 m spatial resolution) for the Tibetan Plateau (Qinghai province and Tibet autonomous region) during 2000 – 2012, derived from the MODIS (MOD09Q1) products using the multistage segmentation and lake-by-lake automatic threshold determining extraction method. The dataset has an accuracy rate of 93.98%. Cross comparison with other similar products and research results demonstrates an accuracy rate of higher than 86%. The dataset accurately reflects the inter-annual and annual variation characteristics of the lake water surface in the plateau over the past 10 years. The dataset can be used to study the dynamic changes of the lake water in the plateau, or as an input for the land surface process model or the regional climate model to study the role of lake water dynamics in the regional hydrological and climate system.

Keywords: lake water surface; MOD09Q1; Tibetan Plateau; remote sensing

数据集(库)基本信息简介

数据库(集)中文名称

基于MODIS MOD09Q1的青海、西藏湖泊水面数据集(2000~2012年)

数据库(集)英文名称

MODIS (MOD09Q1)-derived lake water surface dataset for the Qinghai-Tibet Plateau (2000 – 2012)

数据作者

卢善龙、金继明、贾立、张磊、马津

通讯作者

卢善龙(lusl@radi.ac.cn)

数据时间范围

2000~2012年

地理区域

青海省、西藏自治区

空间分辨率

250 m

数据量

690 MB

数据格式

*.dbf,*.prj,*.shp,*.shx

数据服务系统网址

http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/329

基 金

国家自然科学基金应急管理和青年基金项目(41440010、41101401)、国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目(91637209)、遥感科学国家重点实验室重大研究计划项目(Y4Y00200KZ)

数据库(集)组成

本数据集包括青藏高原2000~2012年间每8天1期(共计591期)的湖泊水面数据,最小图斑面积为1 km2。每期数据包含*.dbf,*.prj,*.shp,*.shx 4个文件,示例如下:

a20000218_qz_1km.dbf为2000年2月18日矢量数据dBASE表文件;

a20000218_qz_1km.prj为2000年2月18日矢量数据坐标投影文件;

a20000218_qz_1km.shp为2000年2月18日矢量数据主文件;

a20000218_qz_1km.shx为2000年2月18日矢量数据索引文件。

引 言

青藏高原上分布有地球上海拔最高、数量最多和面积最大的内陆湖群,是中国湖泊分布最密集的地区之一,湖泊面积占全国湖泊总面积的51.4%。其中,面积大于1 km2的湖泊1055个,总面积约为42 000 km2[1],占高原区总面积的2.2%。高原湖泊分布区人烟稀少,自然条件恶劣,受自然和物质因素的约束,很难采用实测方法全面地获取湖泊动态变化数据。近20年来,国内外研究机构利用不同卫星遥感数据源解译和制作的全球和区域地表水相关数据集中包含了高原区部分关键年份的湖泊水面分布数据。如美国波斯顿大学2004年基于MODIS数据制作的全球1 km分辨率水面掩膜数据集,世界自然基金会和德国卡塞尔大学制作的1 km分辨率全球湖泊湿地数据集(GLWD)[2],美国美国宇航局喷气推进实验室(NASA-JPL)基于SRTM数据制作的90 m分辨率全球水面矢量数据集(SWBD),马里兰大学利用SWBD数据集和MODIS 250 m分辨率数据制作的全球250 m分辨率地表水面栅格数据集[3],中国科学院南京地理与湖泊研究所制作的中国1:10万湖泊数据集[4],以及中国科学院遥感与数字地球研究所制作的30 m分辨率湿地数据集[5]等。这些数据集虽已公开共享,但因使用的源数据不同,不同产品数据一同使用时存在空间位置匹配不准、空间不连续等问题。为了获取空间分辨率一致、时间周期长的湖泊变化基础数据,研究人员通过综合利用早期地形图、CBERS、Landsat MSS/TM/ETM+等数据,解译和制作了高原区年代际(1970s、1980s、1990s、2000s、2010s)湖泊分布数据集[1, 6-7]。这些数据集具有相对较高的空间分辨率(30 m),但这些分散的成果因缺乏统一的研究目标且掌握在不同科研人员手中,未能形成公开共享的标准化数据产品。

为了满足空间分辨率一致和时间过程连续的数据应用需求,直接以中等空间分辨率单一传感器遥感影像为数据源进行水面提取成为当前研究的理想选择。全球环境与安全监测计划GEOLAND2工作组以MODIS和SPOT Vegetation地表反射率影像为基础,制作了1 km分辨率非洲大陆1998~2012年每10天水面数据集(Water Bodies V1.3)[8];美国马里兰大学利用250 m MODIS植被指数产品(MOD13)提取了加拿大2000~2009年每16天的水面数据集[9];Huang等利用MODIS MOD09A1产品数据,提取了澳大利亚墨累–达令河流域2000~2010年每8天的500 m分辨率水面数据集[10]。在青藏高原地区,Song等虽利用MODIS MOD09A1产品提取了青藏高原2000~2011年每8天的250 m分辨率水面数据集[11],但其成果并未公开。本数据集是作者以MODIS MOD09Q1产品为基础,采用多级分割和逐个湖泊阈值自动确定方法提取的青藏高原(青海省和西藏自治区)2000~2012年每8天的250 m分辨率湖泊水面数据集[12-13]。本数据集的发布将在一定程度上解决青藏高原近几十年时空过程连续湖泊水面动态变化数据集缺乏的问题。

1 数据采集和处理方法

1.1 基础数据准备

本数据集提取使用的主要数据源是2000年2月24日至2012年12月26日的MODIS MOD09Q1产品。精度评价使用了2002年9月8日(轨道号:134,036)、2006年10月9日(轨道号:138,038)、2009年9月29日(轨道号:140,036)、2010年6月25日(轨道号:135,034)、2011年8月5日(轨道号:145,036)、2011年8月21日(轨道号:139,038)和2011年9月5日(轨道号:138,040)7景分布在不同区域的Landsat TM影像(图 1中背景为2010年7月28日500 m空间分辨率MODIS波段2,1,3假彩色合成影像)。此外,90 m空间分辨率的SRTM DEM数据被用来提取研究区地形坡度专题产品,以消除山区山体阴影对水面信息提取的影响。

1 数据集覆盖区域地理位置

MOD09Q1数据在使用前分别进行了解压、转投影、拼接、裁剪等预处理;Landsat影像使用的是30 m空间分辨率多光谱波段,其预处理包括解压、波段组合、转投影。SRTM DEM则利用ArcGIS的空间分析工具处理成地形坡度数据。

1.2 数据处理

湖泊水面的提取采用作者团队专门针对MOD09Q1产品设计的一种结合湖泊水面缓冲区边界分析和逐个湖泊确定分割阈值的湖泊水面信息提取方法,包括山体阴影去除、水体边界初步提取、不同时期云及其阴影覆盖区水面数据恢复、最大水面边界合成和不同时期湖泊水面信息提取等步骤[12-13]

2 数据样本描述

2.1 命名格式

所有数据文件采用“标志符_年月日_地名简写_图斑面积”格式进行命名。例如文件名a20000218_qz_1km.shp,a为标志符,20000218表示2000年2月18日,qz表示数据覆盖区域为青海西藏,1 km表示数据集最小图斑面积为1 km2。不同时期数据通过日期来区分。

2.2 数据样本

将数据文件在ArcGIS软件中打开,再将湖泊水面图斑填色后即得到各个时期高原区湖泊水面分布图(图2)。利用ArcGIS软件的空间统计功能,可以得到高原区每8天的湖泊水体面积信息,并制作面积变化过程图来反映高原湖泊年内和年际变化规律(图3)。

2 201211日、525日、828日和929日水面分布图

3 20002012年青藏高原大于1km2湖泊每8天的水面面积时间序列图

3 数据质量控制和评估

3.1 本数据集与Landsat TM水面提取精度比较

利用增强型水体指数MNDWI[14]提取覆盖高原区湖泊水体较多区域的7景影像(2002年9月8日、2006年10月9日、2009年9月29日、2010年6月25日、2011年8月5日、2011年8月21日、2011年9月5日)上的水面分布数据,然后以此为基础,评价对应日期(2002年9月6日、2006年10月8日、2009年9月30日、2010年6月26日、2011年8月5日、2011年8月27日、2011年9月6日)MOD09Q1 8天合成影像上提取的湖泊水面精度。精度评价实验区包括特大型(面积大于1000 km2)湖泊1个、大型湖泊3个(面积大于500 km2、小于1000 km2)、中型湖泊18个(面积大于100 km2、小于500 km2)、小型湖泊111个(面积大于10 km2、小于100 km2)。整个区域湖泊水面提取总精度为93.98%,其中特大型湖泊为97.79%,大型湖泊为95.64%,中型湖泊为94.39%,小型湖泊为87.24%(表1)。

1 湖泊水面遥感提取精度评价结果 [12]

3.2 本数据集与全球水面产品精度比较

将2000年9月13日的湖泊水面数据(年最大水面)按湖泊面积大小分成了5类(1~10 km2,10~50 km2,50~100 km2,100~500 km2,> 500 km2)并与美国马里兰大学制作的全球MODIS水面掩膜数据集[3]进行比较,发现两者具有高度的一致性,决定系数R2达 0.9991(图4)。混淆矩阵分析总体精度为86.30%,用户精度和生产者精度分别为92.92% 和92.38%(表2)。

4 本数据集与MODIS水面掩膜产品[3]湖泊面积比较[13]

2 本数据集与MODIS水面掩膜产品[3]混淆矩阵分析结果

3.3 本数据集与全国第二次湿地调查结果比较

根据2006年9月6日水面提取结果(年最大水面),青藏高原湖泊水面面积大于1 km2的湖泊数量为1044个,总的水域面积为39 849 km2。其中,水面面积为1~10 km2的湖泊数量为675个,总面积为2101 km2;水面面积大于10 km2的湖泊数量为369个,总面积为37 748 km2。这一结果与中国科学院南京地理与湖泊研究所基于2005~2006 年CBERS和Landsat ETM+遥感影像开展的第二次全国湖泊调查结果[1]相比,湖泊总数量少11个,总面积小1983 km2,面积误差为4.74%。其中,面积为1~10 km2的湖泊数量多9个,面积误差为2.33%;面积大于10 km2的湖泊数量少20个,面积误差为5.10%(表3)。

3 青藏高原湖泊数量与面积的统计和比较[12]

3.4 数据集与其他研究成果精度比较

将本数据集中的典型湖泊水面面积与近年来其他研究人员遥感监测结果对比,在日、月及年尺度上,均有较好的一致性。其中,与纳木错湖2009年5月19日、6月25日、8月30日、10月17日、11月8日和12月4日等日期的Landsat TM和HJ-CCD影像监测结果[15]相比,精度差都小于1%(表4)。与基于MODIS 250m影像提取的青海湖2001~2010年4、9月平均水面面积监测结果[16]相比,4月份的精度差都小于5%,9月份的精度差都小于10%(表5)。而本数据集结果与基于Landsat TM和CBERS影像提取的2000~2008年色林错湖年平均水面结果[17]相比,年精度差都小于4%(表6)。

4 纳木错湖2009512月部分日期本数据集与Landsat TM/ HJ-CCD影像监测结果[15]对比情况

表5 本数据集与基于MODIS 250 m影像提取的青海湖2001~2010年4、9月结果[16]对比情况

6 色林错湖基于Landsat TM/ CBERS影像的监测结果[17]与本数据集对比情况

4 数据使用方法

本数据集是首套关于青藏高原(青海省和西藏自治区)湖泊分布和面积变化的高时间分辨率(每8天一期)公开共享数据产品,数据集中保留了图斑面积大于1 km2的湖泊水体信息。数据可以在常用地理信息系统软件(如ArcGIS、MapGIS、MapInfo等)或图像处理软件(如ERDAS、ENVI、PCI等)中直接打开使用,也可通过这些软件平台将数据转换成其他交换格式后使用。通过对不同时期数据的统计,可以得到整个区域所有湖泊或单个湖泊在2000~2012年间面积的变化过程信息;也可以通过空间叠加分析方式,得到不同时期高原区湖泊水体的空间分布特征。本数据集可服务于地方或国家水文信息监测中心日常监测业务,也可作为关键基础数据用于科学研究,包括分析高原湖泊水体动态变化规律、作为陆面过程模型或区域气候模型的输入数据,研究湖泊水体动态变化在区域水文、气候系统中的作用等。

致 谢

感谢中国科学院大气物理研究所马柱国研究员、中国科学院青藏高原研究所阳坤研究员在数据集制作过程中提供的建设性意见和建议,感谢NASA LP DAAC数据中心提供了MODIS MOD09Q1产品数据、中国科学院遥感与数字地球研究所数据服务部提供了Landsat TM影像数据。

数据作者分工职责

卢善龙(1979—),男,湖南安化人,博士,副研究员,研究方向为水资源遥感应用。主要承担工作:水面遥感提取方法设计。

金继明(1967—),男,甘肃定西人,博士,教授,研究方向为区域气候模式发展与应用。主要承担工作:数据产品需求分析与应用。

贾 立(1965—),女,天津人,博士,研究员,研究方向为陆地水循环遥感理论与应用研究。主要承担工作:数据产品设计。

张 磊(1965—),男,江西南昌人,博士,研究员,研究方向为生态遥感。主要承担工作:数据集精度控制与评估。

马 津(1992—),女,河北石家庄人,在读硕士,主要研究方向为水资源遥感。主要承担工作:数据收集与预处理。

参考文献

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引用本文

卢善龙, 金继明, 贾立, 等. 基于MODIS MOD09Q1的青海、西藏湖泊水面数据集(2000~2012年)[J/OL]. 中国科学数据, 2017, 2(2). DOI: 10.11922/csdata.170.2016.0113.

引用数据

卢善龙, 金继明, 贾立, 等. 基于MODIS MOD09Q1的青海、西藏湖泊水面数据集(2000~2012年)[DB/OL]. Science Data Bank. DOI: 10.11922/sciencedb.329.

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