基于GIS的公路横断面地温时空分析方法研究——以青藏公路为例

张 兴 国，刘 学 军，陈 建 兵

（1.南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京 210046;2.信阳师范学院城市与环境科学学院，河南 信阳 464000;3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075）

基于GIS的公路横断面地温时空分析方法研究
——以青藏公路为例

张 兴 国1，2，刘 学 军1，陈 建 兵3

（1.南京师范大学虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京 210046;2.信阳师范学院城市与环境科学学院，河南 信阳 464000;3.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075）

研究青藏公路冻土区公路横断面地温时空分析方法，获取地温时空变化规律，为公路结构设计、维护及保温材料的选取提供依据。传统的分析方法主要通过绘制地温折线图研究地温随时间或深度的变化规律，方法简单，结果易于理解和应用，但较难发现地温的时空变化规律。该文提出基于GIS的公路横断面地温时空分析方法。选取西大滩实验段编号为K2887＋500的横断面为实验靶场，通过建立地温场图层、多时段融区时空动态分析等方法，得出该横断面地温经历了融区收缩、融区扩展及融区过渡3个阶段，并准确计算出各观测时间的融区范围及融区变化速度，实现了横断面地温时空量化分析，其思路对时态GIS相关开发及应用具有参考价值。

公路横断面;时空分析;青藏公路;地温

0 引言

青藏公路格尔木至拉萨段位于自然环境恶劣、地质条件复杂的青藏高原腹地，穿越里程达624 km的大片连续多年冻土、岛状多年冻土区［1，2］。修筑在高原多年冻土区的路基，是以下伏多年冻土为依托，多年冻土又以负温为基本生存条件［3］。多年冻土地温不但代表冻土的物理学特征，而且在实际工程建设中具有重要意义。青藏公路下伏冻土的研究，特别是冻土地温的研究，对道路病害治理、道路结构设计、保温材料的选取等具有重要意义。

对于冻土地温的分析，传统的方法主要借助地温变化曲线图分析地温随路基深度及时间的变化规律［4，5］，方法简单、易于理解，但其对于地温在空间上的变化，乃至时空动态变化难以实现。在地温场分析方面，研究者通常基于非GIS技术进行空间模拟［6］，效果明显，但该方法的研究数据通常无空间参考，仅为模拟而设置，难以与已有地理数据（如DEM、公路里程数据等）集成，从而造成分析成果无法空间量测，也无法与其他地层数据关联;而且，在时空动态分析方面缺乏有力支持。

本研究提出基于GIS的公路横断面地温时空分析技术。选取西大滩实验段编号为K2887＋500的横断面为实验靶场，通过建立地温场图层、多时段融区时空动态分析等过程，确定了该断面地温经历了融区收缩、融区扩展及融区过渡3个阶段，准确计算出各阶段的时间界限、融区范围和融区变化速度，并将该方法集成至“青藏公路基础信息平台”。

1 公路横断面地温观测点分布

目前，在青藏公路高原多年冻土区，根据不同的观测目的，设置有11个实验段，分别用于不同的监测目的，如西大滩段主要用于观测多年冻土区北界地温，其他还有昆仑山段、楚玛尔河段、五道梁段、北麓河段、雅玛尔河段、沱沱河段、开心岭段、唐古拉山北坡、唐古拉山南坡和纳金河段。每个实验段上设置1个或多个横断面，在每个横断面上设置多个地温孔，根据地温孔距道路中心线的相对位置，可划分为左路肩、右路肩、路中、左天然（道路之外的一般位置）和右天然几种类型［7］。对每个地温孔，从地表开始向下，每间隔一段距离（如0.3 m等）安置一个测温装置（图1）。这样对于每个横断面对应有许多测温点。在实际工作中，考虑到道路两侧地温分布的相似性（除个别横断面道路两侧需同时监测），为了节省成本，可以仅在道路一侧进行，而分析时可以假设另一侧的测温点具有相同的分布。

为了对地温孔的观测数据进行管理，本研究将地温时空观测数据以二维表的形式组织，每个地温孔对应一张二维表格。表格的第一行除了第一列，均记录当前地温孔所属的测温点距离地表的深度，第二行以下的各行，其第一列代表时间，其他各列代表地温观测值（表1）。对每个横断面都关联有对应的地温孔或测温点，对其上所有点的每个观测时间，都可以基于表1动态生成该时段的点图层，并且点的属性为该时段的地温值。

图1 横断面上测温点分布Fig.1 The distribution diagram of measurement point on cross section

表1 某地温孔地温Table 1 The temperature of the ground temperature hole

2 公路横断面时空分析方法及其实现技术

2.1 传统的地温时空分析方法

传统的方法是通过折线图分析地温的时空变化规律，主要包括地温孔－深度分析、测温点－时空分析等。

地温孔－深度分析是以地温孔深度作为Y轴、地温作为X轴，寻求地温随深度的变化规律;对任一地温孔，从地表向下对应有多个测温点。对任一观测时间可以绘制出地温随深度的变化曲线，基于该曲线，可以得出该观测时间地温在不同深度的变化规律，也可以计算出0℃地温对应的深度。本文对西大滩实验段的K2887＋500横断面进行分析，该横断面有3个地温孔（DWK01、DWK02及DWK03），对DWK01在2004年的4个时间点进行地温孔－深度变化分析（图2）。通过该曲线可以看出DWK01随着深度的增加，地温在距地表5.8 m处趋于稳定，为－1℃;在距地表2.5 m处，地温达到0℃（有些月份在0℃以下）。通过多个时间的地温孔－深度时空分析，可以得出一系列0℃地温对应的深度，找出其中深度的最大值，即冻土上限，这对于冻土地区工程建设具有重要意义。

测温点－时间分析是以测温点的观测时间为X轴、温度为Y轴，寻求地温随时间的变化规律。对DWK01的多个测温点进行分析，其深度分别是0.3 m、1.3 m、2.8 m 和3.8 m（图3）。从图3可以得出，深度为0.3 m和1.3 m处地温随时间变化明显，并且在8月份左右地温达到最高，为4℃以上;而深度大于2.8 m时，地温随时间变化较小，通常低于0℃，并且在3－4月温度最低，为－1℃以下。

2.2 基于GIS的地温时空分析

每个横断面在某一观测时间都对应一个测温点图层。为了获取地温的时空变化规律，可以基于GIS技术，对测温点图层根据地温观测值进行内插，从而模拟出地温场。这样，一个横断面依据观测时间对应有多个地温场，通过对多个地温场的对比，寻求地温的时空变化规律。基于地温场可以生成等温线图，特别是0℃等温线的分布至关重要。0℃等温线的深度曲线即冻土上限的分布曲线。一年四季，年间交替，0℃等温线会随着时间动态变化。本文以西大滩实验段的K2887＋500横断面为例，进行地温的时空分析。为了分析方便，需要对天然孔的位置进行水平或垂直移动，以求内插能够顺利进行，也满足实际的地温分布情况。同时，根据实际的路基横断面图，获取内插的范围。最终观测点的布局如图4，通过反距离权重（IDW）进行内插，并获取0℃等温线（白色的曲线），如图5。可以看出，2004年10月6日0℃等温线总体呈抛物线形状，最低点距地表8.3 m左右，而两侧距地表3.4 m左右。该等温线以上均大于0℃，以下均小于0℃。

为了获取地温的时空变化规律，对K2887＋500横断面上2004年1－12月的大量观测数据（共观测22次，每月上旬和下旬各一次）进行地温场及等温线分析：1）对每一观测时间的观测点构建地温场;2）基于地温场提取融区（地温大于0℃的区域）的分布;3）对所有观测时间的融区进行对比分析。

实验表明，2004年12月下旬至3月下旬，融区呈椭圆形，其外地温均低于0℃。上侧距地表距离为1.8～4.8 m，下移速度为0.5 m/半月;下侧距地表距离为6.5～8.4 m，上移速度先慢后快（0.2～0.6 m/半月）;左右侧距边距3.9～6.6 m，水平内缩速度约0.2 m/半月。随着天气回暖，椭圆融区逐渐消失，在3月下旬几乎消失殆尽，接近无融区状态。该时段分析结果如图6，图中的封闭曲线为其对应时间的融区边界，这里定义该阶段为融区收缩阶段;可以发现12月17日－3月19日，融区范围逐渐变小，并且上边变化较大，最后完整的椭圆被瓦解，即融区几近消失。

2004年4月上旬开始，以道路中心为起点，融区呈半圆形向下、向左右扩展，呈辐射状。路中向下扩展先快后慢（1.1～0.3 m/半月），至10月下旬到达极限，路中融区最大深度达8.7 m，天然地表冻土上限仅为3.2 m，定义该阶段为融区扩张阶段（图7）。从图7中可以看出，路中受公路影响比天然地表受公路影响多3 m左右。

11月上旬－12月上旬，辐射状融区逐渐缩小，最后趋于椭圆形，定义该阶段为过渡阶段，即由扩张转为收缩。11月上旬天气开始变冷，地表气温降低，地表部分立即呈现非融区状态，而地下融区的变化则是缓慢的，范围逐渐缩小。

图6 融区收缩阶段变化Fig.6 The diagram of melt area shrinking

图7 融区扩张阶段变化Fig.7 The diagram of melt area expansion

通过以上分析，可以得出公路路基下冻土融区经历了收缩、扩展和过渡3个阶段。路中冻土影响最大深度达8.7 m，而天然孔处仅为3.2 m，冻土融区变化速度为0.3～1.1 m/半月。该成果明确显示冻土受气候变化和道路交通影响较大，特别是在10月下旬达到极限。为了维持冻土区青藏公路的正常运转，减少公路病害，必须采取措施降低冻土上限值。目前，尽管采取了提高路基、铺设保温材料、调整路基结构、改变路基材质等措施，但效果还不理想，仍处于研究阶段［8，9］。本研究基于GIS技术进行分析，可以从空间上直观发现融区的动态变化，从定性和定量两方面对路基横断面的地温进行时空分析，比传统的统计图表分析更具优越性，为各种治理措施的效果评价提供了重要信息。

2.3 地温时空分析系统实现技术

为了动态分析各实验段的横断面地温，基于Oracle、VS C＃ 2005、ArcEngine9.2、Google Earth等技术开发了青藏公路基础信息平台。本系统对相关的大量时空数据进行统一管理，并实现了传统的基于折线图的地温时空分析和基于GIS的地温时空分析，将地温时空分析与各专题空间数据库关联，实现了公路地表、地面及地下全方位联动，二维、三维、实景影像及视音频等多视角观察。同时，系统提供强大的数据输出功能，极大地方便了科研人员的工作，提高了效率。

3 结论与讨论

青藏公路横断面地温时空分析涉及大量的地温观测数据和路基结构数据，传统的管理技术和分析方法不便于地温的时空模拟，难以与基础地理数据关联，造成相关图件量测精度无法保障，数据多源异构，共享困难;基于GIS技术，充分发挥其数据管理、分析及强大的可视化能力，极大地方便了冻土的时空分析。本文所采用的地温场、融区时空分析等方法，得出K2887＋500横断面地温经历了融区收缩、融区扩展及融区过渡3个阶段，并对一些重要的参数（如冻土上限、收缩速度、扩展速度等）进行了量化，为青藏公路冻土分析及工程建设提供了重要依据。该方法可在所有实验段通用，具有较强的实用价值。

该方法仍需完善和深化：1）加强时空数据模型的研究。时空数据模型是时空数据库的核心部分，它保证时空数据库的完整性，也决定着对实体动态信息的具体操作［10］。在后续研究中应寻求适合该领域的时空数据模型，为地温数据管理和分析提供支撑。2）加强时空变化的可视化研究。时空变迁的可视化水平直接影响到时空规律的发现，可基于动画技术，研究动画过渡算法。3）本研究仅仅是对已有数据的变化分析，缺乏智能化预测功能。如为了保护路基下的冻土，其中一个办法就是提升路基高度，那么应该提升多高，路基的详细参数是多少，遵循什么样的规律，这些都有待进一步研究。另外，影响地温的因素除气温和深度外，其他因素如海拔、土壤、地质情况等尚未在该方法中体现，需加强多因素综合的GIS分析技术研究。

［1］陈建兵，汪双杰，章金钊，等.青藏公路高路基病害的形成及其机理［J］.长安大学学报（自然科学版），2008，22（6）：30－35.

［2］窦明健，胡长顺，何子文，等.青藏公路多年冻土段路基病害分布规律［J］.冰川冻土，2002，24（6）：780－784.

［3］章金钊，霍明，陈建兵.多年冻土地区公路路基稳定性技术问题与对策［M］.北京：人民交通出版社，2008.24.

［4］智鹏，冯云梅，蒋秋华，等.冻土地温自动检测系统的设计与实现［J］.铁道学报，2009，31（1）：59－62.

［5］潘卫东，余绍水，贾海锋，等.青藏铁路沿线多年冻土区地温场变化规律［J］.冰川冻土，2002，24（6）：774－779.

［6］吴志伟，宋汉周.浅层地温场中热对流数值模拟［J］.岩土力学，2010，31（4）：1303－1308.

［7］汪双杰，陈建兵，黄晓明.热棒路基降温效应的数值模拟［J］.交通运输工程学报，2005，5（3）：41－46.

［8］汪双杰，陈建兵，章金钊.保温护道对冻土路基地温特征的影响［J］.中国公路学报，2006，19（1）：12－16.

［9］汪双杰，陈建兵，黄晓明.冻土路基护道地温特征研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25（1）：146－151.

［10］袁一泓，高勇.面向对象的时空数据模型及其实现技术［J］.地理与地理信息科学，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

国家自然科学基金项目（40971230）;河南省教育厅自然科学研究计划项目（2011B170010）

张兴国（1979－），男，讲师，博士研究生，主要从事GIS开发与应用方面的研究。E－mail：xingguozhang＠tom.com