基于RS/GIS的凍土分布模擬研究現(xiàn)狀

王 坤 ，陳鳳臻 ，陳立春 ，魏 斌

（1.吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.赤峰學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

基于RS/GIS的凍土分布模擬研究現(xiàn)狀

王 坤1，陳鳳臻2，陳立春1，魏 斌1

（1.吉林交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.赤峰學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

介紹了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外凍土分布模擬研究現(xiàn)狀，根據(jù)它們各自的特點(diǎn)和聯(lián)系，對(duì)其進(jìn)行分類.通過(guò)對(duì)這些方法進(jìn)行比較分析，總結(jié)出今后工作所要繼續(xù)努力的方向：遙感信息在凍土制圖和凍土長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中將會(huì)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行凍土制圖將是今后的一個(gè)重要努力方向.

RS/GIS；凍土分布；模擬；現(xiàn)狀

從目前國(guó)內(nèi)外凍土的研究現(xiàn)狀來(lái)看，凍土空間分布制圖經(jīng)歷了從上世紀(jì)的簡(jiǎn)單勾繪多年凍土范圍，逐漸向以GIS技術(shù)支持為主的大尺度、多元化、多方面的建立復(fù)雜地球科學(xué)模型的這樣一個(gè)過(guò)程[1].下面將對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展分開(kāi)介紹.

1 國(guó)外研究進(jìn)展

國(guó)外，最早關(guān)于多年凍土的科學(xué)報(bào)告開(kāi)始出現(xiàn)是在18世紀(jì)30年代.1882年俄國(guó)出現(xiàn)了第一張簡(jiǎn)單的凍土區(qū)劃圖，而在北美，直到1913年才出現(xiàn)第一張類似的凍土分布圖.到了80年代和90年代，航空相片開(kāi)始在凍土制圖中逐步發(fā)揮作用，出現(xiàn)了一些新的、內(nèi)容也相對(duì)詳盡的凍土分布圖.上述這些凍土分布圖的繪制方法主要以野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，例如凍土鉆孔數(shù)據(jù)、地球物理數(shù)據(jù)、氣溫?cái)?shù)據(jù)等，根據(jù)航空相片識(shí)別冰緣現(xiàn)象和判讀斷裂構(gòu)造，確定構(gòu)造地?zé)崛趨^(qū)，在室內(nèi)進(jìn)行綜合分析人工繪制成圖.但是，凍土一般都分布在不適宜人類長(zhǎng)期居住生活的地方，在這些高海拔或嚴(yán)寒凜冽的惡劣環(huán)境中獲取野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)非常困難，而且這些數(shù)據(jù)的獲得又是一個(gè)長(zhǎng)期累積的過(guò)程，導(dǎo)致凍土圖的制作周期長(zhǎng)，工作量大，需要消耗大量的人力、物力.傳統(tǒng)的凍土分布制圖方法就受到了限制，不能滿足社會(huì)快速發(fā)展和工程建設(shè)的應(yīng)用需要.

近年來(lái)，隨著GIS技術(shù)的快速發(fā)展，GIS憑借其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算、空間分析等功能越來(lái)越多地被應(yīng)用到凍土分布研究中.國(guó)內(nèi)外在不同區(qū)域針對(duì)不同的空間尺度開(kāi)發(fā)了許多凍土空間分布模型.而這些模型的一個(gè)共同點(diǎn)就是與GIS聯(lián)系越來(lái)越緊密，利用GIS獲得變量的空間分布，使模型具有空間性，而且模擬結(jié)果可以依賴于GIS進(jìn)行可視化表達(dá).同時(shí)，遙感信息也逐漸地被應(yīng)用到近年來(lái)發(fā)展的這些凍土模型中，成為其重要的信息源.盡管衛(wèi)星遙感圖像沒(méi)有航空相片的空間分變率高，但它的宏觀、動(dòng)態(tài)、快速等特性使其在間接獲得與多年凍土分布有關(guān)的信息方面具有潛在的優(yōu)勢(shì).通過(guò)對(duì)目前國(guó)外凍土空間模型所作的比較分析，根據(jù)其理論基礎(chǔ)的不同，主要可以將其分為兩類：面向過(guò)程的物理模型和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型[2].

物理模型是建立在地表能量平衡基礎(chǔ)上的，主要描述凍土與大氣系統(tǒng)的水熱交換過(guò)程.它的最大優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)性，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，適用范圍廣，模型可移植性強(qiáng)[2].但是在用于實(shí)際的凍土分布模擬和凍土變化預(yù)測(cè)時(shí)，需要大量精確的物理參數(shù)值和精細(xì)的土壤分層.而通常對(duì)凍土的觀測(cè)，尤其是凍土熱特性的觀測(cè)是極為有限的，所以許多物理參數(shù)都難以獲得，尤其對(duì)于大范圍的研究，詳盡的物理參數(shù)的獲得更是非常困難，要完全確切地描述實(shí)際現(xiàn)象的一切方面是完全不可能的，天然條件下更是如此.這就要求對(duì)所研究的實(shí)際問(wèn)題給出適當(dāng)假設(shè)和理想化的條件，很難根據(jù)實(shí)際的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，因此物理模型只能在某些有詳細(xì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的點(diǎn)或小區(qū)域內(nèi)進(jìn)行研究，很難推廣到面上.近年來(lái)國(guó)外建立的物理模型主要有Lunardini（1996）[3]根據(jù)消融時(shí)間和消融深度的理論公式建立的Lunardini模型.Smith and Riseborough（1996）[4]建立的多年凍土—?dú)夂蜿P(guān)系函數(shù)模型.Hoelzle（2001）[5]根據(jù)地氣能量平衡建立的地表能量通量和分配模型等.

經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型不必需要考慮詳細(xì)的地氣能量交換過(guò)程，大多只使用有限的變量與凍土的發(fā)生直接建立關(guān)聯(lián)，沒(méi)有考慮具體的凍土運(yùn)作機(jī)理.而且模型中需要的這些變量通常容易得到，特別是結(jié)合GIS、RS等相關(guān)技術(shù)手段，可以快速獲得變量的空間分布以及與凍土分布有關(guān)的地表信息，達(dá)到快速成圖的效果.它們的缺點(diǎn)是只能預(yù)測(cè)凍土存在與否，而難以模擬凍土在深度廓線上的變化[2].通過(guò)歸納總結(jié)近年來(lái)國(guó)外建立的凍土經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，可以看出模型大致可以分為以下五類：（1）基于凍土與地形因子（高程、坡度、坡向等）或由地形因子計(jì)算得到的一些變量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，建立經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型.這方面的一個(gè)典型代表是山地多年凍土分布模型PERMAKART[6].（2）凍結(jié)數(shù)模型.Nelson（1983）[7]最早根據(jù)氣溫?cái)?shù)據(jù)，計(jì)算凍結(jié)度日指數(shù)與融化度日指數(shù)的比值來(lái)模擬高緯度地區(qū)的凍土分布，提出了氣溫凍結(jié)數(shù)模型.凍結(jié)數(shù)模型在高緯度地區(qū)得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了很好的應(yīng)用效果[8,9]；（3）多年凍土頂板溫度（TTOP）模型.TTOP模型是近年來(lái)被迅速應(yīng)用的一個(gè)模型，通過(guò)去除植被、雪蓋的影響，建立多年凍土頂板溫度與氣溫之間的關(guān)系[10-15]；（4） 雪底溫度模型（BTS）.在這些模型中，雪底溫度（BTS）模型是應(yīng)用比較廣泛，且具代表性的一個(gè).這個(gè)模型的理論基礎(chǔ)是，認(rèn)為受積雪覆蓋的影響，地表熱傳導(dǎo)能力低，此時(shí)的地表處于一種能量平衡狀態(tài).（5）利用遙感獲得與凍土分布有關(guān)的環(huán)境信息，間接指示凍土的發(fā)生.隨著各種地表變量的遙感定量反演理論的日臻成熟，遙感信息將會(huì)越來(lái)越多地被應(yīng)用于各種凍土空間分布模型，特別是結(jié)合GIS技術(shù)，可以達(dá)到簡(jiǎn)便精確的成圖效果，在凍土制圖和凍土長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中必定會(huì)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用[15,16].

表1 青藏高原凍土空間模型比較分析

2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

我國(guó)多年凍土主要分布在青藏高原、東北大興安嶺、帕米爾高原以及東部地區(qū)的一些高山頂部.寒區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)推動(dòng)了凍土水文地質(zhì)和工程地質(zhì)的研究工作，同時(shí)也帶動(dòng)了區(qū)域凍土的研究.1981年，郭東信等繪制了中國(guó)東北凍土分布圖[17].1975年，童伯良等[18]編制了第一張中國(guó)凍土分布圖.此后，1982年，徐斅祖、郭東信等[19]編制了《1:400萬(wàn)中國(guó)凍土分布圖》.周幼吾等（2000）以1:600萬(wàn)中國(guó)地形素圖為底圖，編制了《中國(guó)凍土區(qū)劃及類型圖》（1:1000萬(wàn)）[20].上述凍土圖的制作大部分屬于傳統(tǒng)凍土圖制作范疇，而2006年由中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所編制的《1:400萬(wàn)中國(guó)冰川凍土沙漠圖》[21]則是利用南卓銅等提出的年平均地溫（MAGT）模型模擬出來(lái)的，屬于凍土經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型.

由于物理模型輸入?yún)?shù)要求特別詳細(xì)，比較適合工程計(jì)算，使得應(yīng)用往往局限于那些具備詳細(xì)凍土區(qū)域調(diào)查資料的小區(qū)域.青藏高原有廣闊的面積和相對(duì)缺乏的凍土資料，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)學(xué)者在模擬和預(yù)測(cè)青藏高原凍土分布和變化時(shí)很少采用物理模型[22].到目前為止，只有李述訓(xùn)等[23]通過(guò)天然條件下多年凍土溫度場(chǎng)的微分方程在青藏高原進(jìn)行過(guò)凍土研究，建立了凍土溫度場(chǎng)模型，但是由于它是一維的，不適合在較大面積上進(jìn)行分布模擬，而且許多參數(shù)難以獲得，影響了結(jié)果的精度.

相比之下，經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型的應(yīng)用則比較廣泛.表1是對(duì)目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用于青藏高原的幾種凍土空間模型的分析比較.

3 發(fā)展趨勢(shì)

（1）凍土空間分布制圖經(jīng)歷了從上世紀(jì)的簡(jiǎn)單勾繪多年凍土范圍，到以GIS技術(shù)支持為主的大尺度、多元化、多方面的建立復(fù)雜地球科學(xué)模型的這樣一個(gè)過(guò)程.

（2）隨著各種地表變量的遙感定量反演理論的日臻成熟，遙感信息在凍土領(lǐng)域的應(yīng)用正在引起前所未有的重視，在凍土制圖和凍土長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用.雖然已有一些成功的研究案例，但未形成系統(tǒng)的理論和方法，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究.

（3）高分辨率遙感影像在小范圍地區(qū)開(kāi)展多年凍土制圖中極具潛力，是監(jiān)測(cè)多年凍土形態(tài)格局和冰緣過(guò)程的重要數(shù)據(jù)，但是到目前為止，這方面的工作研究的還比較少[16].因此，利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行凍土制圖將是今后的一個(gè)重要努力方向.

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1673-260X（2012）10-0122-03

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“青藏高原生態(tài)地質(zhì)環(huán)境遙感調(diào)查與監(jiān)測(cè)”（1212010510218）