基于GIS的公路橫斷面地溫時(shí)空分析方法研究——以青藏公路為例

張 興 國(guó)，劉 學(xué) 軍，陳 建 兵

（1.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210046;2.信陽(yáng)師范學(xué)院城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000;3.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075）

基于GIS的公路橫斷面地溫時(shí)空分析方法研究
——以青藏公路為例

張 興 國(guó)1，2，劉 學(xué) 軍1，陳 建 兵3

（1.南京師范大學(xué)虛擬地理環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210046;2.信陽(yáng)師范學(xué)院城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000;3.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075）

研究青藏公路凍土區(qū)公路橫斷面地溫時(shí)空分析方法，獲取地溫時(shí)空變化規(guī)律，為公路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、維護(hù)及保溫材料的選取提供依據(jù)。傳統(tǒng)的分析方法主要通過繪制地溫折線圖研究地溫隨時(shí)間或深度的變化規(guī)律，方法簡(jiǎn)單，結(jié)果易于理解和應(yīng)用，但較難發(fā)現(xiàn)地溫的時(shí)空變化規(guī)律。該文提出基于GIS的公路橫斷面地溫時(shí)空分析方法。選取西大灘實(shí)驗(yàn)段編號(hào)為K2887＋500的橫斷面為實(shí)驗(yàn)靶場(chǎng)，通過建立地溫場(chǎng)圖層、多時(shí)段融區(qū)時(shí)空動(dòng)態(tài)分析等方法，得出該橫斷面地溫經(jīng)歷了融區(qū)收縮、融區(qū)擴(kuò)展及融區(qū)過渡3個(gè)階段，并準(zhǔn)確計(jì)算出各觀測(cè)時(shí)間的融區(qū)范圍及融區(qū)變化速度，實(shí)現(xiàn)了橫斷面地溫時(shí)空量化分析，其思路對(duì)時(shí)態(tài)GIS相關(guān)開發(fā)及應(yīng)用具有參考價(jià)值。

公路橫斷面;時(shí)空分析;青藏公路;地溫

0 引言

青藏公路格爾木至拉薩段位于自然環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜的青藏高原腹地，穿越里程達(dá)624 km的大片連續(xù)多年凍土、島狀多年凍土區(qū)［1，2］。修筑在高原多年凍土區(qū)的路基，是以下伏多年凍土為依托，多年凍土又以負(fù)溫為基本生存條件［3］。多年凍土地溫不但代表凍土的物理學(xué)特征，而且在實(shí)際工程建設(shè)中具有重要意義。青藏公路下伏凍土的研究，特別是凍土地溫的研究，對(duì)道路病害治理、道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、保溫材料的選取等具有重要意義。

對(duì)于凍土地溫的分析，傳統(tǒng)的方法主要借助地溫變化曲線圖分析地溫隨路基深度及時(shí)間的變化規(guī)律［4，5］，方法簡(jiǎn)單、易于理解，但其對(duì)于地溫在空間上的變化，乃至?xí)r空動(dòng)態(tài)變化難以實(shí)現(xiàn)。在地溫場(chǎng)分析方面，研究者通常基于非GIS技術(shù)進(jìn)行空間模擬［6］，效果明顯，但該方法的研究數(shù)據(jù)通常無(wú)空間參考，僅為模擬而設(shè)置，難以與已有地理數(shù)據(jù)（如DEM、公路里程數(shù)據(jù)等）集成，從而造成分析成果無(wú)法空間量測(cè)，也無(wú)法與其他地層數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián);而且，在時(shí)空動(dòng)態(tài)分析方面缺乏有力支持。

本研究提出基于GIS的公路橫斷面地溫時(shí)空分析技術(shù)。選取西大灘實(shí)驗(yàn)段編號(hào)為K2887＋500的橫斷面為實(shí)驗(yàn)靶場(chǎng)，通過建立地溫場(chǎng)圖層、多時(shí)段融區(qū)時(shí)空動(dòng)態(tài)分析等過程，確定了該斷面地溫經(jīng)歷了融區(qū)收縮、融區(qū)擴(kuò)展及融區(qū)過渡3個(gè)階段，準(zhǔn)確計(jì)算出各階段的時(shí)間界限、融區(qū)范圍和融區(qū)變化速度，并將該方法集成至“青藏公路基礎(chǔ)信息平臺(tái)”。

1 公路橫斷面地溫觀測(cè)點(diǎn)分布

目前，在青藏公路高原多年凍土區(qū)，根據(jù)不同的觀測(cè)目的，設(shè)置有11個(gè)實(shí)驗(yàn)段，分別用于不同的監(jiān)測(cè)目的，如西大灘段主要用于觀測(cè)多年凍土區(qū)北界地溫，其他還有昆侖山段、楚瑪爾河段、五道梁段、北麓河段、雅瑪爾河段、沱沱河段、開心嶺段、唐古拉山北坡、唐古拉山南坡和納金河段。每個(gè)實(shí)驗(yàn)段上設(shè)置1個(gè)或多個(gè)橫斷面，在每個(gè)橫斷面上設(shè)置多個(gè)地溫孔，根據(jù)地溫孔距道路中心線的相對(duì)位置，可劃分為左路肩、右路肩、路中、左天然（道路之外的一般位置）和右天然幾種類型［7］。對(duì)每個(gè)地溫孔，從地表開始向下，每間隔一段距離（如0.3 m等）安置一個(gè)測(cè)溫裝置（圖1）。這樣對(duì)于每個(gè)橫斷面對(duì)應(yīng)有許多測(cè)溫點(diǎn)。在實(shí)際工作中，考慮到道路兩側(cè)地溫分布的相似性（除個(gè)別橫斷面道路兩側(cè)需同時(shí)監(jiān)測(cè)），為了節(jié)省成本，可以僅在道路一側(cè)進(jìn)行，而分析時(shí)可以假設(shè)另一側(cè)的測(cè)溫點(diǎn)具有相同的分布。

為了對(duì)地溫孔的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，本研究將地溫時(shí)空觀測(cè)數(shù)據(jù)以二維表的形式組織，每個(gè)地溫孔對(duì)應(yīng)一張二維表格。表格的第一行除了第一列，均記錄當(dāng)前地溫孔所屬的測(cè)溫點(diǎn)距離地表的深度，第二行以下的各行，其第一列代表時(shí)間，其他各列代表地溫觀測(cè)值（表1）。對(duì)每個(gè)橫斷面都關(guān)聯(lián)有對(duì)應(yīng)的地溫孔或測(cè)溫點(diǎn)，對(duì)其上所有點(diǎn)的每個(gè)觀測(cè)時(shí)間，都可以基于表1動(dòng)態(tài)生成該時(shí)段的點(diǎn)圖層，并且點(diǎn)的屬性為該時(shí)段的地溫值。

圖1 橫斷面上測(cè)溫點(diǎn)分布Fig.1 The distribution diagram of measurement point on cross section

表1 某地溫孔地溫Table 1 The temperature of the ground temperature hole

2 公路橫斷面時(shí)空分析方法及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)的地溫時(shí)空分析方法

傳統(tǒng)的方法是通過折線圖分析地溫的時(shí)空變化規(guī)律，主要包括地溫孔－深度分析、測(cè)溫點(diǎn)－時(shí)空分析等。

地溫孔－深度分析是以地溫孔深度作為Y軸、地溫作為X軸，尋求地溫隨深度的變化規(guī)律;對(duì)任一地溫孔，從地表向下對(duì)應(yīng)有多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。對(duì)任一觀測(cè)時(shí)間可以繪制出地溫隨深度的變化曲線，基于該曲線，可以得出該觀測(cè)時(shí)間地溫在不同深度的變化規(guī)律，也可以計(jì)算出0℃地溫對(duì)應(yīng)的深度。本文對(duì)西大灘實(shí)驗(yàn)段的K2887＋500橫斷面進(jìn)行分析，該橫斷面有3個(gè)地溫孔（DWK01、DWK02及DWK03），對(duì)DWK01在2004年的4個(gè)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行地溫孔－深度變化分析（圖2）。通過該曲線可以看出DWK01隨著深度的增加，地溫在距地表5.8 m處趨于穩(wěn)定，為－1℃;在距地表2.5 m處，地溫達(dá)到0℃（有些月份在0℃以下）。通過多個(gè)時(shí)間的地溫孔－深度時(shí)空分析，可以得出一系列0℃地溫對(duì)應(yīng)的深度，找出其中深度的最大值，即凍土上限，這對(duì)于凍土地區(qū)工程建設(shè)具有重要意義。

測(cè)溫點(diǎn)－時(shí)間分析是以測(cè)溫點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間為X軸、溫度為Y軸，尋求地溫隨時(shí)間的變化規(guī)律。對(duì)DWK01的多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行分析，其深度分別是0.3 m、1.3 m、2.8 m 和3.8 m（圖3）。從圖3可以得出，深度為0.3 m和1.3 m處地溫隨時(shí)間變化明顯，并且在8月份左右地溫達(dá)到最高，為4℃以上;而深度大于2.8 m時(shí)，地溫隨時(shí)間變化較小，通常低于0℃，并且在3－4月溫度最低，為－1℃以下。

2.2 基于GIS的地溫時(shí)空分析

每個(gè)橫斷面在某一觀測(cè)時(shí)間都對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)圖層。為了獲取地溫的時(shí)空變化規(guī)律，可以基于GIS技術(shù)，對(duì)測(cè)溫點(diǎn)圖層根據(jù)地溫觀測(cè)值進(jìn)行內(nèi)插，從而模擬出地溫場(chǎng)。這樣，一個(gè)橫斷面依據(jù)觀測(cè)時(shí)間對(duì)應(yīng)有多個(gè)地溫場(chǎng)，通過對(duì)多個(gè)地溫場(chǎng)的對(duì)比，尋求地溫的時(shí)空變化規(guī)律?；诘販貓?chǎng)可以生成等溫線圖，特別是0℃等溫線的分布至關(guān)重要。0℃等溫線的深度曲線即凍土上限的分布曲線。一年四季，年間交替，0℃等溫線會(huì)隨著時(shí)間動(dòng)態(tài)變化。本文以西大灘實(shí)驗(yàn)段的K2887＋500橫斷面為例，進(jìn)行地溫的時(shí)空分析。為了分析方便，需要對(duì)天然孔的位置進(jìn)行水平或垂直移動(dòng)，以求內(nèi)插能夠順利進(jìn)行，也滿足實(shí)際的地溫分布情況。同時(shí)，根據(jù)實(shí)際的路基橫斷面圖，獲取內(nèi)插的范圍。最終觀測(cè)點(diǎn)的布局如圖4，通過反距離權(quán)重（IDW）進(jìn)行內(nèi)插，并獲取0℃等溫線（白色的曲線），如圖5?？梢钥闯?，2004年10月6日0℃等溫線總體呈拋物線形狀，最低點(diǎn)距地表8.3 m左右，而兩側(cè)距地表3.4 m左右。該等溫線以上均大于0℃，以下均小于0℃。

為了獲取地溫的時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)K2887＋500橫斷面上2004年1－12月的大量觀測(cè)數(shù)據(jù)（共觀測(cè)22次，每月上旬和下旬各一次）進(jìn)行地溫場(chǎng)及等溫線分析：1）對(duì)每一觀測(cè)時(shí)間的觀測(cè)點(diǎn)構(gòu)建地溫場(chǎng);2）基于地溫場(chǎng)提取融區(qū)（地溫大于0℃的區(qū)域）的分布;3）對(duì)所有觀測(cè)時(shí)間的融區(qū)進(jìn)行對(duì)比分析。

實(shí)驗(yàn)表明，2004年12月下旬至3月下旬，融區(qū)呈橢圓形，其外地溫均低于0℃。上側(cè)距地表距離為1.8～4.8 m，下移速度為0.5 m/半月;下側(cè)距地表距離為6.5～8.4 m，上移速度先慢后快（0.2～0.6 m/半月）;左右側(cè)距邊距3.9～6.6 m，水平內(nèi)縮速度約0.2 m/半月。隨著天氣回暖，橢圓融區(qū)逐漸消失，在3月下旬幾乎消失殆盡，接近無(wú)融區(qū)狀態(tài)。該時(shí)段分析結(jié)果如圖6，圖中的封閉曲線為其對(duì)應(yīng)時(shí)間的融區(qū)邊界，這里定義該階段為融區(qū)收縮階段;可以發(fā)現(xiàn)12月17日－3月19日，融區(qū)范圍逐漸變小，并且上邊變化較大，最后完整的橢圓被瓦解，即融區(qū)幾近消失。

2004年4月上旬開始，以道路中心為起點(diǎn)，融區(qū)呈半圓形向下、向左右擴(kuò)展，呈輻射狀。路中向下擴(kuò)展先快后慢（1.1～0.3 m/半月），至10月下旬到達(dá)極限，路中融區(qū)最大深度達(dá)8.7 m，天然地表凍土上限僅為3.2 m，定義該階段為融區(qū)擴(kuò)張階段（圖7）。從圖7中可以看出，路中受公路影響比天然地表受公路影響多3 m左右。

11月上旬－12月上旬，輻射狀融區(qū)逐漸縮小，最后趨于橢圓形，定義該階段為過渡階段，即由擴(kuò)張轉(zhuǎn)為收縮。11月上旬天氣開始變冷，地表氣溫降低，地表部分立即呈現(xiàn)非融區(qū)狀態(tài)，而地下融區(qū)的變化則是緩慢的，范圍逐漸縮小。

圖6 融區(qū)收縮階段變化Fig.6 The diagram of melt area shrinking

圖7 融區(qū)擴(kuò)張階段變化Fig.7 The diagram of melt area expansion

通過以上分析，可以得出公路路基下凍土融區(qū)經(jīng)歷了收縮、擴(kuò)展和過渡3個(gè)階段。路中凍土影響最大深度達(dá)8.7 m，而天然孔處僅為3.2 m，凍土融區(qū)變化速度為0.3～1.1 m/半月。該成果明確顯示凍土受氣候變化和道路交通影響較大，特別是在10月下旬達(dá)到極限。為了維持凍土區(qū)青藏公路的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，減少公路病害，必須采取措施降低凍土上限值。目前，盡管采取了提高路基、鋪設(shè)保溫材料、調(diào)整路基結(jié)構(gòu)、改變路基材質(zhì)等措施，但效果還不理想，仍處于研究階段［8，9］。本研究基于GIS技術(shù)進(jìn)行分析，可以從空間上直觀發(fā)現(xiàn)融區(qū)的動(dòng)態(tài)變化，從定性和定量?jī)煞矫鎸?duì)路基橫斷面的地溫進(jìn)行時(shí)空分析，比傳統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)圖表分析更具優(yōu)越性，為各種治理措施的效果評(píng)價(jià)提供了重要信息。

2.3 地溫時(shí)空分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)

為了動(dòng)態(tài)分析各實(shí)驗(yàn)段的橫斷面地溫，基于Oracle、VS C＃ 2005、ArcEngine9.2、Google Earth等技術(shù)開發(fā)了青藏公路基礎(chǔ)信息平臺(tái)。本系統(tǒng)對(duì)相關(guān)的大量時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，并實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的基于折線圖的地溫時(shí)空分析和基于GIS的地溫時(shí)空分析，將地溫時(shí)空分析與各專題空間數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了公路地表、地面及地下全方位聯(lián)動(dòng)，二維、三維、實(shí)景影像及視音頻等多視角觀察。同時(shí)，系統(tǒng)提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)輸出功能，極大地方便了科研人員的工作，提高了效率。

3 結(jié)論與討論

青藏公路橫斷面地溫時(shí)空分析涉及大量的地溫觀測(cè)數(shù)據(jù)和路基結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的管理技術(shù)和分析方法不便于地溫的時(shí)空模擬，難以與基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，造成相關(guān)圖件量測(cè)精度無(wú)法保障，數(shù)據(jù)多源異構(gòu)，共享困難;基于GIS技術(shù)，充分發(fā)揮其數(shù)據(jù)管理、分析及強(qiáng)大的可視化能力，極大地方便了凍土的時(shí)空分析。本文所采用的地溫場(chǎng)、融區(qū)時(shí)空分析等方法，得出K2887＋500橫斷面地溫經(jīng)歷了融區(qū)收縮、融區(qū)擴(kuò)展及融區(qū)過渡3個(gè)階段，并對(duì)一些重要的參數(shù)（如凍土上限、收縮速度、擴(kuò)展速度等）進(jìn)行了量化，為青藏公路凍土分析及工程建設(shè)提供了重要依據(jù)。該方法可在所有實(shí)驗(yàn)段通用，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

該方法仍需完善和深化：1）加強(qiáng)時(shí)空數(shù)據(jù)模型的研究。時(shí)空數(shù)據(jù)模型是時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的核心部分，它保證時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性，也決定著對(duì)實(shí)體動(dòng)態(tài)信息的具體操作［10］。在后續(xù)研究中應(yīng)尋求適合該領(lǐng)域的時(shí)空數(shù)據(jù)模型，為地溫?cái)?shù)據(jù)管理和分析提供支撐。2）加強(qiáng)時(shí)空變化的可視化研究。時(shí)空變遷的可視化水平直接影響到時(shí)空規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，可基于動(dòng)畫技術(shù)，研究動(dòng)畫過渡算法。3）本研究?jī)H僅是對(duì)已有數(shù)據(jù)的變化分析，缺乏智能化預(yù)測(cè)功能。如為了保護(hù)路基下的凍土，其中一個(gè)辦法就是提升路基高度，那么應(yīng)該提升多高，路基的詳細(xì)參數(shù)是多少，遵循什么樣的規(guī)律，這些都有待進(jìn)一步研究。另外，影響地溫的因素除氣溫和深度外，其他因素如海拔、土壤、地質(zhì)情況等尚未在該方法中體現(xiàn)，需加強(qiáng)多因素綜合的GIS分析技術(shù)研究。

［1］陳建兵，汪雙杰，章金釗，等.青藏公路高路基病害的形成及其機(jī)理［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2008，22（6）：30－35.

［2］竇明健，胡長(zhǎng)順，何子文，等.青藏公路多年凍土段路基病害分布規(guī)律［J］.冰川凍土，2002，24（6）：780－784.

［3］章金釗，霍明，陳建兵.多年凍土地區(qū)公路路基穩(wěn)定性技術(shù)問題與對(duì)策［M］.北京：人民交通出版社，2008.24.

［4］智鵬，馮云梅，蔣秋華，等.凍土地溫自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2009，31（1）：59－62.

［5］潘衛(wèi)東，余紹水，賈海鋒，等.青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)地溫場(chǎng)變化規(guī)律［J］.冰川凍土，2002，24（6）：774－779.

［6］吳志偉，宋漢周.淺層地溫場(chǎng)中熱對(duì)流數(shù)值模擬［J］.巖土力學(xué)，2010，31（4）：1303－1308.

［7］汪雙杰，陳建兵，黃曉明.熱棒路基降溫效應(yīng)的數(shù)值模擬［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2005，5（3）：41－46.

［8］汪雙杰，陳建兵，章金釗.保溫護(hù)道對(duì)凍土路基地溫特征的影響［J］.中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2006，19（1）：12－16.

［9］汪雙杰，陳建兵，黃曉明.凍土路基護(hù)道地溫特征研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2006，25（1）：146－151.

［10］袁一泓，高勇.面向?qū)ο蟮臅r(shí)空數(shù)據(jù)模型及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)［J］.地理與地理信息科學(xué)，2008，24（3）：41－44.

Study on Spatial and Temporal Analysis Methods for the Ground Temperature of Highway Cross-Sectional Area Based on GIS：A Case Study of Qinghai-Tibet Highway

ZHANG Xing－guo1，2，LIU Xue－jun1，CHEN Jian－bing3
（1.KeyLaboratoryofVirtualGeographicEnvironment，NanjingNormalUniversity，MinistryofEducation，Nanjing210046;2.CollegeofUrbanandEnvironmentalScience，XinyangNormalUniversity，Xinyang464000;3.ChineseFirstInstituteLimitedCorporationofHighwaySurveyandDesign，Xi′an710075，China）

Ground temperature study of Qinghai-Tibet highway has been very important，which can provide key information for the structure design and the selection of insulation materials.The traditional method is based on the temperature line graph to study the ground temperature changes with time and depth，but it is more difficult to find the spatial and temporal change.On the basis of current methods，a new method which is based GIS technology is introduced.Through the establishment of geothermal field and multi-time spatial and temporal analysis，the ground temperature change of highway cross-sectional area becomes easier to obtain.The test for K2887＋500 of Xidatan test segment shows the change is divided into three stages（melt area shrinking，melt expansion and melt transition）and the melt range and speed can also be calculated accurately.The method has an important reference value for the development and application of spatial and temporal GIS.

road cross section;spatial and temporal analysis;Qinghai-Tibet highway;ground temperature

P208

A

1672－0504（2011）05－0021－04

2011－04- 21;

2011－07－10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40971230）;河南省教育廳自然科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2011B170010）

張興國(guó)（1979－），男，講師，博士研究生，主要從事GIS開發(fā)與應(yīng)用方面的研究。E－mail：xingguozhang＠tom.com