張中瓊，林芳，吳青柏，張澤，3，張鵬

（1.中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730000；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）地學(xué)哲學(xué)研究所，北京100083；3.東北林業(yè)大學(xué)寒區(qū)科學(xué)與工程研究院/土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150040）

0 引言

多年凍土是有規(guī)律的自然歷史的地質(zhì)產(chǎn)物，他具有現(xiàn)代或者古代地球上發(fā)生、存在、發(fā)展和分布規(guī)律所嚴(yán)格決定的特征。多年凍土分布區(qū)的總面積（包括格陵蘭島和南極）約占地球表面的40%，歐亞大陸的75%［1］。我國(guó)多年凍土面積占國(guó)土面積的21.5%，主要分布在青藏高原，東北大小興安嶺和松嫩平原北部，以及西部高山區(qū)［2］。

多年凍土分布規(guī)律以及地質(zhì)過(guò)程是區(qū)域和歷史凍土學(xué)的理論基礎(chǔ)。多年凍土是寒區(qū)重要的動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境因子。確定多年凍土的發(fā)育規(guī)律以及它們現(xiàn)代的演化時(shí)空規(guī)律，并按照一定特征參數(shù)進(jìn)行地段的區(qū)劃和編圖，揭示多年凍土特性與地質(zhì)-地理區(qū)劃結(jié)果而劃分的具體景觀(guān)類(lèi)型、自然環(huán)境的多年凍土形成因素的關(guān)系，以及凍土工程與環(huán)境屬性。指定比例尺和需求的多年凍土工程地質(zhì)制圖是區(qū)域和局域尺度上的寒區(qū)工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、資源開(kāi)發(fā)和生態(tài)保護(hù)的重要基礎(chǔ)，在多年凍土區(qū)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展決策中起到重要的作用［3-4］。

多年凍土工程地質(zhì)制圖研究是對(duì)制圖要素的獨(dú)立性，以及要素的直觀(guān)定量化、可視化以及空間情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，依據(jù)一定的數(shù)學(xué)法則和制圖原則，通過(guò)制圖綜合，借助GIS等技術(shù)手段，表達(dá)各個(gè)獨(dú)立要素空間分布，相互關(guān)系以及時(shí)空變化規(guī)律，并進(jìn)行可視化的表達(dá)。形成耦合多源數(shù)據(jù)的特定屬性的系統(tǒng)資料。制圖工作是將地理學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)等理論用于實(shí)踐的有利工具和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。多年凍土工程地質(zhì)制圖表現(xiàn)出時(shí)間尺度上階段性和空間坐標(biāo)上的臺(tái)階性［5］?；诙嗄陜鐾凉こ痰刭|(zhì)制圖的研究過(guò)程和實(shí)踐，對(duì)多年凍土工程地質(zhì)制圖的發(fā)展，研究?jī)?nèi)容，工作方法進(jìn)行階梯式的發(fā)展闡述，并說(shuō)明新時(shí)期多年凍土工程地質(zhì)制圖的新內(nèi)涵。

1 多年凍土工程地質(zhì)制圖問(wèn)題的發(fā)展階梯

多年凍土工程地質(zhì)制圖的發(fā)展是人類(lèi)生產(chǎn)生活的實(shí)踐的需要。是隨著我們對(duì)多年凍土的感知-認(rèn)識(shí)-認(rèn)知過(guò)程，科學(xué)和理論系統(tǒng)逐漸建立起來(lái)的。這個(gè)過(guò)程可以分為三個(gè)發(fā)展階段：

第一階段：以野外調(diào)查和工程地質(zhì)測(cè)繪為基礎(chǔ)的工程地質(zhì)填圖。主要研究的科學(xué)問(wèn)題是多年凍土的范圍和界限，特別是多年凍土的南界。主要是為寒區(qū)自然資源開(kāi)采以及寒區(qū)工程構(gòu)筑物的修建提供基礎(chǔ)工程地質(zhì)資料。繪圖的數(shù)據(jù)來(lái)源以現(xiàn)場(chǎng)的點(diǎn)線(xiàn)調(diào)查為主，結(jié)合部分區(qū)域氣象數(shù)據(jù)。制圖的目的是在工程實(shí)踐等活動(dòng)中盡可能避讓?zhuān)蛘哌x擇工程地質(zhì)條件較好的區(qū)域，以較短的距離通過(guò)。1882年俄羅斯出版了第一張多年凍土區(qū)劃圖，以描述多年凍土南界為主要內(nèi)容［6］。1965年，F(xiàn)etrians繪制了阿拉斯加的第一張凍土圖［7］。1967年，庫(kù)德里亞采夫等前蘇聯(lián)學(xué)者首次提出了多年凍土制圖的原則［8］，該原則是以野外調(diào)查的凍土現(xiàn)象，凍土特征，冷生時(shí)代為基礎(chǔ)的。1975年，童伯良繪制了我國(guó)的第一張凍土分布圖［9］。1996年，李樹(shù)德繪制了青藏高原的多年凍土分布圖，描述了青藏高原不同類(lèi)型多年凍土的分區(qū)，并標(biāo)示了凍脹丘，凍融泥流等凍土現(xiàn)象［10］。這些資料為區(qū)域工程建設(shè)和科學(xué)研究提供基礎(chǔ)支持。

第二階段：多年凍土的時(shí)空格局。隨著人類(lèi)實(shí)踐范圍的擴(kuò)展，多年凍土已經(jīng)作為我們生產(chǎn)生活的必要載體。需要更為深入的了解多年凍土的綜合屬性，為寒區(qū)高等級(jí)公路、鐵路的建設(shè)以及寒區(qū)環(huán)境變化研究等方面提供支持。先進(jìn)的原位測(cè)試和遙感反演技術(shù)提供了豐富的數(shù)據(jù)，并且在制圖過(guò)程中使用了經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｍ瑫r(shí)，制圖原則也有了深入的發(fā)展，且考慮多年凍土的要素更為豐富。如以體積含冰量等指標(biāo)為依據(jù)的制圖原則［11］。逐漸形成了以多年凍土地質(zhì)特征、多年凍土分布和年平均溫度，冷生巖土帶的厚度和組構(gòu)，多年凍土地質(zhì)生成物特征以及相互作用為基礎(chǔ)的凍土制圖原則。考慮的要素包括年平均氣溫［12］、凍結(jié)數(shù)［13］、土壤、植被、地形數(shù)據(jù)［14-15］、輻射參數(shù)［16］、降水等。這些要素之間通過(guò)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)等其它概率方法確定之間的關(guān)系，比如PERMAKART模型［17］，經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則模型［14］，PER-MAMAP模 型［12］，TTOP模 型［18-20］，GIPL模型［21-22］。通過(guò)計(jì)算，我們可以獲得年平均地溫，活動(dòng)層厚度，多年凍土頂板溫度等多年凍土的特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多年凍土屬性的歸一和區(qū)劃。代表性的圖件有1997年美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局出版了環(huán)北極地區(qū)多年凍土和地下冰分布圖?；诙嗄陜鐾僚c海拔、緯度、大陸度的關(guān)系我國(guó)學(xué)者繪制了1∶300萬(wàn)青藏高原多年凍土圖。2000年周幼吾等出版了1∶1 000萬(wàn)中國(guó)凍土區(qū)劃及其類(lèi)型圖。2006年出版了我國(guó)1∶400萬(wàn)中國(guó)凍土沙漠分布圖［23］。

第三階段：多年凍土特征和功能性?，F(xiàn)階段的工作從“大氣-界面（地面）-多年凍土”系統(tǒng)的角度開(kāi)展研究。對(duì)多年凍土的特征指標(biāo)多元化、精細(xì)化、系統(tǒng)化的反映多年凍土三維性質(zhì)。并在多年凍土工程屬性、環(huán)境屬性、社會(huì)屬性等方面開(kāi)展研究，綜合分析多年凍土的服役性能。同時(shí)，國(guó)際全球陸地凍土熱狀態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（GTN-P）［24］和環(huán)北極活動(dòng)層監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)（CLAM）［25］等半球全球尺度研究計(jì)劃的實(shí)施，研究從區(qū)域已經(jīng)擴(kuò)展到了半球全球尺度。為中蒙俄經(jīng)濟(jì)走廊的建設(shè)，“一帶一路”、“沿邊開(kāi)放開(kāi)發(fā)”，以及新型城鎮(zhèn)化建設(shè)等國(guó)家重要戰(zhàn)略的實(shí)施提供科學(xué)的建議和借鑒。

隨著觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)、遙感、物理過(guò)程模型（陸面過(guò)程）為基礎(chǔ)的多年凍土工程制圖。更為詳細(xì)和具體的刻畫(huà)多年凍土，并賦予了新的實(shí)用價(jià)值和內(nèi)涵。形成以氣象、遙感數(shù)據(jù)、再分析數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)，與野外調(diào)查相結(jié)合，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)和物理過(guò)程模型方法實(shí)現(xiàn)多年凍土特性制圖［26］。在計(jì)算過(guò)程中，將多年凍土層依照土性和熱物理性質(zhì)等分層，大大提高了多年凍土指標(biāo)的計(jì)算精度?？梢阅M多年凍土分布，以及氣候、水文、植被和碳氮循環(huán)等的影響和響應(yīng)，以及多年凍土預(yù)報(bào)的工作。多元及長(zhǎng)周期多年凍土特征參數(shù)的取得，為我們多尺度多角度刻畫(huà)多年凍土提供了可能。模型的結(jié)構(gòu)越來(lái)越完善，但是目前對(duì)深層的水熱問(wèn)題的處理還有待改進(jìn)［27］。模型主要包括n系數(shù)模型［28-29］、Shaw模型［30］、Coup model［31］、熱平衡模型［32-33］，以及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型［34］等。其中Colm［35］、Coup modle［36-37］、Shaw模型［38］等在我國(guó)青藏高原和東北地區(qū)的小區(qū)域得到了應(yīng)用。這類(lèi)模型需要大量數(shù)據(jù)去驅(qū)動(dòng)。

2 多年凍土工程地質(zhì)制圖內(nèi)容的發(fā)展階梯

多年凍土的相關(guān)圖件是區(qū)域性綜合研究的主要成果。利用不同的自然-地質(zhì)-多年凍土要素之間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)不同尺度上的多年凍土基本屬性，多年凍土特征，服役功能等的組成、數(shù)值、時(shí)空分布和相關(guān)關(guān)系等綜合特征以及經(jīng)濟(jì)-社會(huì)要素影響下的各種特征的描述和可視化表達(dá)過(guò)程。多年凍土工程地質(zhì)制圖的內(nèi)容的發(fā)展可以分為三個(gè)階梯：

第一階梯：基本屬性的研究。多年凍土存在條件的小區(qū)劃圖（包括海底的多年凍土分布），多年凍土類(lèi)型、多年凍土厚度、年平均溫度［18，39］，多年凍土層的厚度和冷生構(gòu)造圖［11］，土的季節(jié)凍結(jié)和融化圖等。這類(lèi)圖件是表述多年凍土及其基本要素的空間變化特征。這類(lèi)圖件是作為區(qū)域凍土基礎(chǔ)工程地質(zhì)資料使用，以區(qū)域短時(shí)間高精度的矢量圖件為主。

第二階梯：多年凍土特征屬性。主要是多年凍土地質(zhì)過(guò)程現(xiàn)象圖［40］，古凍土分布圖［41-42］，以及自然要素動(dòng)態(tài)和一般施工措施有關(guān)的多年凍土預(yù)報(bào)以及區(qū)劃圖，多年凍土地下冰分布圖［43］，多年凍土區(qū)水文地質(zhì)圖［44］，多年凍土深部地?zé)釛l件，景觀(guān)區(qū)劃圖［45］，多年凍土災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性［43］，多年凍土脆弱性評(píng)價(jià)［46］等有實(shí)用任務(wù)的專(zhuān)業(yè)評(píng)價(jià)圖。在制圖過(guò)程中，需要對(duì)研究的內(nèi)容有明確定義和分類(lèi)區(qū)劃的標(biāo)準(zhǔn)［7］。在進(jìn)行分類(lèi)時(shí)，需要將多年凍土的基本形式參數(shù)與制圖目標(biāo)結(jié)合，很多時(shí)候需要將多個(gè)多年凍土基本要素進(jìn)行綜合，在這個(gè)過(guò)程中需要將多源數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一和分類(lèi)，定性和定量數(shù)據(jù)的綜合考慮。這類(lèi)圖件包含的信息更多，且具有一定的實(shí)用性，以區(qū)域、局域尺度為主，在局域尺度可以達(dá)到較高的精度，部分圖件可以描述特征要素時(shí)間變化特征。

第三階梯：多年凍土功能屬性。在多年凍土屬性研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多年凍土-工程-環(huán)境以及人類(lèi)社會(huì)之間動(dòng)態(tài)變化和相關(guān)關(guān)系的研究，針對(duì)系統(tǒng)的整體性、要素的相關(guān)性、等級(jí)結(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)和時(shí)序特征。用動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)的角度開(kāi)展相關(guān)研究工作。多年凍土的功能屬性主要包括工程服務(wù)屬性、資源屬性、環(huán)境屬性［47］、凍土生態(tài)［48-49］等。應(yīng)該是面向服務(wù)對(duì)象的一種功能性圖件。比如，多年凍土工程地質(zhì)條件區(qū)劃圖，這類(lèi)圖件需要考慮服務(wù)對(duì)象的要求，根據(jù)公路、鐵路、輸油管道等寒區(qū)工程建設(shè)和資源開(kāi)采過(guò)程中對(duì)多年凍土功能性和比例尺要求不同。除了多年凍土強(qiáng)度和變形方面的基本要求以外，還需要考慮其特殊的要求，比如高速鐵路路基的差異變形等。根據(jù)服務(wù)對(duì)象的要求不同，設(shè)計(jì)不同比例尺和范圍的圖件與之匹配。就天然氣水合物可能分布區(qū)預(yù)測(cè)圖來(lái)說(shuō)，不同的水合物的氣體組分之間的差異，在形成時(shí)需要的溫度壓力條件存在差異，在制圖時(shí)需要更多的考慮。部分圖件還需要考慮社會(huì)經(jīng)濟(jì)要素。

圖2 多年凍土工程地質(zhì)制圖研究?jī)?nèi)容發(fā)展階梯Fig.2 Development phases for research contents of engineering geological mapping of permafrost

就目前的研究工作，大尺度大區(qū)域的制圖以單一的或者幾個(gè)要素為主，比例尺在1∶200萬(wàn)、1∶1 000萬(wàn)不等，甚至更小。主要反映空間格局和地帶性。因?yàn)閿?shù)據(jù)獲取難度較大，一般精度較低。局域尺度多年凍土工程地質(zhì)制圖比例尺較大，刻畫(huà)精度高，內(nèi)容豐富，能夠較好的反映小區(qū)域內(nèi)的實(shí)際情況。多年凍土工程地質(zhì)制圖的實(shí)用性越來(lái)越受到重視。

3 多年凍土工程地質(zhì)制圖工作方法的發(fā)展階梯

多年凍土工程地質(zhì)制圖研究方法的發(fā)展階梯與其科學(xué)問(wèn)題研究?jī)?nèi)容的發(fā)展階梯相匹配。工程地質(zhì)學(xué)和地理學(xué)的方法在多年凍土工程地質(zhì)制圖中同樣適用。研究方法的發(fā)展分階段論述。

第一階梯：在多年凍土工程地質(zhì)制圖發(fā)展的早期以單一專(zhuān)門(mén)的工程地質(zhì)和地理學(xué)科學(xué)方法為主，比如：自然歷史的分析方法，多年凍土類(lèi)比法。通過(guò)踏勘、鉆探、坑探、工程地質(zhì)測(cè)繪、現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)等技術(shù)手段的基礎(chǔ)上，充分認(rèn)識(shí)和了解區(qū)域基礎(chǔ)工程地質(zhì)條件，查明各種自然、工程地質(zhì)條件和各種多年凍土現(xiàn)象、冰緣地貌以及它們之間的關(guān)系。通過(guò)點(diǎn)線(xiàn)的調(diào)查圈出研究要素的范圍，比如年平均氣溫與多年凍土年平均地溫的關(guān)系［50］，年平均地溫與海拔、緯度、大陸度的關(guān)系［51］，積雪、降水、植被、土性等對(duì)多年凍土的影響［52］。即在區(qū)域特征要素空間分布特征基礎(chǔ)上進(jìn)行區(qū)域研究。雖然調(diào)查手段比較直接，但也為當(dāng)時(shí)的區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了技術(shù)支持。

第二階梯：兩種以及兩種以上方法的耦合。比如數(shù)學(xué)力學(xué)方法、模型模擬方法等。主要是通過(guò)研究對(duì)象原型的物理概念模型、數(shù)學(xué)模型，或者是基于基本規(guī)律的模擬進(jìn)行多年凍土工程地質(zhì)制圖工作。這些工作基于自然歷史分析方法基礎(chǔ)上進(jìn)行的。數(shù)學(xué)力學(xué)方法是只針對(duì)某一科學(xué)問(wèn)題，根據(jù)研究目標(biāo)所確定的邊界條件和計(jì)算參數(shù)，應(yīng)用理論公式或者經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)行要素的定量計(jì)算。比如基于熱傳導(dǎo)方程的活動(dòng)層厚度的計(jì)算，以Stefan公式、庫(kù)德里亞采夫公式為代表。另外就是基于經(jīng)驗(yàn)半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃臀锢磉^(guò)程模型方法。在使用過(guò)程中，有時(shí)需要通過(guò)一些室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試確定一些熱物理以及其他計(jì)算所需性質(zhì)指標(biāo)，在測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，確定一些符合研究對(duì)象的基本規(guī)律，并對(duì)所使用的模型進(jìn)行一些針對(duì)性調(diào)整，之后借助GIS、MATLAB等軟件進(jìn)行空間的模擬計(jì)算。大內(nèi)存計(jì)算軟件以及3S技術(shù)的發(fā)展，為凍土制圖發(fā)展提供了技術(shù)支持。

第三階梯：基于系統(tǒng)論的綜合方法。指對(duì)研究對(duì)象放在一個(gè)特定的系統(tǒng)，具有特定的時(shí)間和空間尺度，從系統(tǒng)整體出發(fā)，全面的分析系統(tǒng)中要素與要素、要素與系統(tǒng)不同結(jié)構(gòu)，要素與系統(tǒng)，系統(tǒng)與其他的系統(tǒng)等系統(tǒng)組織之間內(nèi)部和外部聯(lián)系及規(guī)律［53］。在研究中將研究系統(tǒng)劃分范圍不同的圈層系統(tǒng)，比如“大氣-工程-凍土圈”，“大氣-生態(tài)-凍土圈”等。在豎直剖面上分為“大氣-附面層-活動(dòng)層-凍土層”，或者根據(jù)土的性質(zhì)進(jìn)行更詳細(xì)的分層。在研究過(guò)程中，充分考慮載體的現(xiàn)實(shí)情況和動(dòng)態(tài)變化特征［54］，研究的精度和深度明顯提升。特別是半球全球尺度的國(guó)際、國(guó)家研究和驅(qū)動(dòng)模型的產(chǎn)生，使得凍土制圖內(nèi)容更加豐富。

總的來(lái)說(shuō)，各種方法各有補(bǔ)充，需要綜合應(yīng)用?，F(xiàn)階段多年凍土工程地質(zhì)制圖的工程流程如圖3所示。首先根據(jù)科學(xué)問(wèn)題制定制圖的需求和目標(biāo)。在此基礎(chǔ)上確定制圖的原則、范圍和比例尺。區(qū)域制圖的比例尺一般以小比例尺為主，線(xiàn)路工程等局域尺度的比例尺一般要求以大比例尺為主［45］。圖件比例尺依據(jù)中國(guó)測(cè)繪局相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

圖3 多年多年凍土工程地質(zhì)制圖的工作流程Fig.3 Working procedure of engineering geological mapping of permafrost

4 多年凍土工程地質(zhì)制圖過(guò)程

4.1 數(shù)據(jù)分析

對(duì)于大多數(shù)多年凍土工程地質(zhì)制圖來(lái)說(shuō)，需要對(duì)數(shù)據(jù)的空間分布和有效性進(jìn)行分析。模型模擬和評(píng)估的結(jié)果與數(shù)據(jù)采樣密度和精度密切相關(guān)。如圖4所示，在青藏高原工程走廊的凍土分布制圖中，2002年收集到了187個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，2012年僅收集到了50個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。在楚爾瑪河地區(qū)，在2002年顯示為高溫極不穩(wěn)定多年凍土，而在2010年顯示為高溫不穩(wěn)定多年凍土，該區(qū)多年凍土是在發(fā)展，不是在退化，這與實(shí)際的監(jiān)測(cè)結(jié)果不相符［55］。所以在獲得數(shù)據(jù)之后，要對(duì)定性要素進(jìn)行定量化，其次對(duì)定量數(shù)據(jù)的精度和可靠性進(jìn)行分析，剔除明顯邏輯錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。比如風(fēng)速、氣溫等超過(guò)歷史最大值的，需要剔除并用相近天氣條件數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性。再次，對(duì)數(shù)據(jù)空間上的分布均勻性進(jìn)行評(píng)估，數(shù)據(jù)本身數(shù)值的大小和空間均勻性在計(jì)算過(guò)程中就表現(xiàn)出一定的權(quán)重信息，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布不均會(huì)在插值過(guò)程中形成奇點(diǎn)，影響局部制圖的效果。在數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，在數(shù)據(jù)不足區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)段的補(bǔ)充調(diào)查工作。調(diào)查工作需要首先根據(jù)景觀(guān)區(qū)的劃分選定重點(diǎn)區(qū)段，在重點(diǎn)區(qū)段對(duì)地形、地質(zhì)建造、凍土現(xiàn)象進(jìn)行描述，采用地球物理調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、原位監(jiān)測(cè)等措施對(duì)凍土進(jìn)行細(xì)部和定量特征指標(biāo)的分析。最后將收集的數(shù)據(jù)和補(bǔ)充調(diào)查的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一和融合，平衡制圖精度。圖件的精度受輸入元素精度最低的要素控制。圖件的輸出精度與要素精度是有差異的。

圖4 1∶25萬(wàn)不同樣點(diǎn)數(shù)青藏高原工程走廊凍土分布制圖Fig.4 Mapping（1∶250 000）of permafrost distribution with different points along the Tibetan Plateau engineering corridor in 2002 and 2012

4.2 模型確定

在數(shù)據(jù)評(píng)估和融合的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)行模型的比選。借助概率和數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，建立地理、地質(zhì)、氣象等其他要素與多年凍土特征要素的關(guān)系，并討論其空間變異性。模型要素本身的空間屬性也會(huì)明顯影響計(jì)算結(jié)果。比如：在年平均地溫的計(jì)算中，就考慮降水條件和不考慮降水條件相比，穩(wěn)定和極穩(wěn)定多年凍土的面積增大4.3%，季節(jié)凍土面積增加0.58%，其它多年凍土面積相應(yīng)減?。▓D5）。在統(tǒng)計(jì)關(guān)系和數(shù)據(jù)空間屬性的基礎(chǔ)上，結(jié)合使用模型需要輸入元素和數(shù)據(jù)精度，根據(jù)制圖目標(biāo)和需要確定計(jì)算或者評(píng)估模型。模型的選取是多年凍土工程地質(zhì)制圖的核心內(nèi)容。

4.3 結(jié)果評(píng)估和修正

借助ArcGIS和MATLAB等空間分析軟件和數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算和模擬工作。輸出多年凍土的特征屬性數(shù)據(jù)，比如，不同深度的地溫、活動(dòng)層厚度、地下冰情況、凍土厚度、年平均地溫等指標(biāo)。將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)和空間誤差分析，以殘差或者其他誤差指標(biāo)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，最終形成指定范圍和比例尺的多年凍土圖件，圖件中的其他要素包括：圖例、指北針、責(zé)任表、邊框等，依照“水利水電工程地質(zhì)制圖標(biāo)準(zhǔn)”“綜合工程地質(zhì)圖圖例及色標(biāo)”等相關(guān)規(guī)范執(zhí)行，形成標(biāo)準(zhǔn)化的多年凍土圖件。最后將計(jì)算得到的圖件屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，并形成相關(guān)的說(shuō)明文件。

圖5 考慮和不考慮降水要素在青藏高原多年凍土計(jì)算中的差異Fig.5 Area ratios of various permafrost and seasonal frozen soil on the Tibetan Plateau calculated in considering precipitation or not

5 結(jié)論

多年凍土工程地質(zhì)制圖的研究?jī)?nèi)容和制圖方法根據(jù)制圖需求和目標(biāo)而不斷變化，所解決科學(xué)問(wèn)題的深度和廣度也不斷增加。在現(xiàn)階段，綜合實(shí)測(cè)、氣象、遙感、地理以及分析數(shù)據(jù)，建立可靠的定量化評(píng)估和計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的制圖目的。在制圖過(guò)程中，對(duì)數(shù)據(jù)的識(shí)別、驗(yàn)證、重組，尺度的匹配，方法的可靠度，結(jié)果的驗(yàn)證等是制圖的重要內(nèi)容。借助ArcGIS、MATLAB等軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和可視化表達(dá)，并快速有效地耦合多種評(píng)估制圖方法，使得制圖內(nèi)容更為豐富。不同區(qū)域之間相同內(nèi)容的比對(duì)和綜合，將會(huì)使得多年凍土的制圖結(jié)果有更廣泛的應(yīng)用。學(xué)者們結(jié)合實(shí)踐需要，可進(jìn)行不同時(shí)空尺度和特征要素的多年凍土工程地質(zhì)制圖。隨著IPCC等預(yù)測(cè)和氣候模式的出現(xiàn)，使得我們不但認(rèn)識(shí)到“現(xiàn)在”多年凍土的情況，也可以預(yù)測(cè)將來(lái)多年凍土特征的變化，為區(qū)域的凍土科學(xué)研究、寒區(qū)工程建設(shè)以及區(qū)域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持和借鑒作用，使得區(qū)域研究和工程設(shè)計(jì)更具有前瞻性。所以，多年凍土工程地質(zhì)制圖要使用更多的局域尺度拓展和大區(qū)域應(yīng)用的系統(tǒng)方法，提高多年凍土工程地質(zhì)制圖的應(yīng)用程度和應(yīng)用范圍。