遙感技術在福清—平潭高速公路工程地質勘察中的應用

朱正勇，郭志杏，胡 飛，方 臣

(1.湖北省地質調(diào)查院,湖北 武漢 430034;2.福建省交通規(guī)劃設計院有限公司,福建 福州 350004)

進入21世紀以來，遙感正在向高分辨率、高光譜等方向發(fā)展。目前在軌運行的各種民用高分辨率遙感衛(wèi)星主要來源于法國、俄羅斯、美國、中國等國家。

遙感技術開始在地質災害調(diào)查中應用，可追溯到20世紀70年代末期。在國外，遙感技術應用比較好的有美國、日本、歐盟等。從上世紀80年代中期起，為了調(diào)查寶成、寶天、成昆等鐵路沿線地質災害分布及其危害，對其沿線分別進行了大規(guī)模的航空攝影。

遙感技術在公路部門的應用是在20世紀80年代，從根本上改變了傳統(tǒng)的公路勘測方法。公路部門應用一體化集成技術綜合處理，生成出來的帶透視效果的三維透視圖，為公路設計人員提供了在電腦上分析工程地質環(huán)境的方便條件，取得了一定的效果。

傳統(tǒng)的地面調(diào)查方法，由于視野所限或交通不便等給區(qū)域地質調(diào)查帶來許多困難。本次研究運用多源遙感技術視域廣、信息量豐富、實時性強的優(yōu)勢，客觀、真實地反映線路地質環(huán)境條件和不良地質現(xiàn)象信息，為高速公路建設前期選線階段提供重要的地質資料和決策依據(jù)。其優(yōu)勢及意義主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①使不完整的區(qū)域地質資料得到有效補充;②利用遙感技術可以發(fā)現(xiàn)各種不良地質現(xiàn)象;③修測已有資料上反映的斷裂構造及解譯新的構造;④有效查明設計線路兩側主要區(qū)域地質問題，確定設計路線方案。

1 概述

調(diào)查區(qū)位于閩東火山斷拗帶和閩東南沿海斷隆帶的交界部位,是環(huán)太平洋大陸邊緣構造活動帶的一部分,經(jīng)歷了多期次、多階段的構造活動與改造,主要表現(xiàn)為燕山期以來的構造活動特征。長樂—鳳山北東東向、盤谷—莆田北西向、長慶—嵩口南北向斷裂帶斷續(xù)發(fā)育,基本控制了調(diào)查區(qū)構造格局[1]。

福清—平潭高速公路(平潭第三通道)工程線路總長約48 km(陸地路線總長約30 km),路基寬度33.5 m,設計時速100 km/h。線路途經(jīng)福清市漁溪鎮(zhèn)、龍?zhí)镦?zhèn)、港頭鎮(zhèn)、三山鎮(zhèn),終于平潭福平大道。本項目采用遙感解譯與野外調(diào)查方法調(diào)查所涉范圍內(nèi)巖石、斷裂構造發(fā)育情況。設計在充分研究該區(qū)地形地貌、地質構造、災害地質和當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展等資料的基礎上,提出貫穿線K,比較線CK、AK、DK。

2 遙感技術在高速公路調(diào)查中的特點

遙感圖像信息的宏觀真實性、實時性和信息豐富性,為資源環(huán)境調(diào)查及公路工程勘察設計提供了最方便快捷、準確實用的依據(jù)。高速公路為一線狀布局工程,線路長,工程構造物(路塹、隧道、立交橋等)跨區(qū)大、地質條件復雜,其要求布局合理,因而對地形、地貌、工程地質條件具有較高要求[2]。

遙感技術具有不受惡劣環(huán)境與交通條件影響的特點,面對溝谷峭壁、沙漠、濕地等可很好地發(fā)揮其優(yōu)勢,可有效地保障工程地質調(diào)查的順利進行。

3 遙感技術方法

3.1 遙感圖像數(shù)據(jù)源

遙感技術在福清—平潭高速公路地質勘察所引用的遙感圖像數(shù)據(jù)源為高分二號(精度為0.8 m),影像采集時間為2018年4月,圖像中無云雪覆蓋,水體覆蓋較少,基巖露頭良好,圖像清晰，影像可解譯程度高，適合遙感地質解譯,能滿足1∶10 000區(qū)域工程地質調(diào)查的要求。

3.2 遙感圖像數(shù)據(jù)處理

線路展布區(qū)地處福建省福清市沿海地區(qū),以丘陵、山谷、平原為特征,地形起伏不大,陸地衛(wèi)星在該地區(qū)所采集的衛(wèi)星圖像存在有一定程度的幾何變形。因此,在進行遙感圖像融合處理、空間配準和圖幅無縫鑲嵌之前,須進行遙感圖像的幾何校正,以利于遙感解譯工作的順利開展。

(1) 幾何校正。具體采用ERDAS IMAGINE和MAPGIS計算機軟件為支撐平臺,以校正過的1∶10 000比例尺地形圖作為對應參照圖,并按照比例要求分別在地形圖和遙感影像圖上均勻選取相對應的地物點、地形點,作為圖像校正的幾何控制點。

(2) 圖像融合與增強。運用ERDAS IMAGINE遙感處理軟件對高分二號數(shù)據(jù)的4、3、2、1波段和PAN全色波段進行圖像融合處理,既充分利用了全色波段較高空間分辨率,又保留了原始多光譜的彩色信息,最終合成空間分辨率為0.8 m的四波段遙感圖像,同時利用線性拉伸、直方圖均衡化等方法進行圖像增強處理,突出構造信息特征。

3.3 工作流程

遙感地質解譯中以地質資料為基礎、遙感影像信息為依據(jù)、野外調(diào)查為骨架,采取影像信息追索、延伸和邏輯推理的思路,經(jīng)過遙感圖像的系統(tǒng)解譯—野外調(diào)查—補充解譯—綜合研究的工作步驟,最后完成圖件和報告[3](工作流程見圖1)。

圖1 工作流程圖Fig.1 Work flow chart

4 線路工程解譯

本工程貫通線K起點位于上徑鎮(zhèn)小壩村(K0+000),終點位于石回嶼K39+294;比較線CK起點位于北陳村(CK28+511),終點位于露湖洞(CK39+294);比較線AK起點位于會安(AK35+860),終點位于東沙(AK38+700);比較線DK起點位于北園(DK33+900),終點位于東沙(DK38+512)。在衛(wèi)星遙感影像上,各類地質體都以其自身的特點反映出不同的遙感信息,通過對這些影像特征信息的分析,建立起符合本地區(qū)特點的遙感地質解譯標志,再結合已有的地質資料,劃分解譯分區(qū)。通過對遙感圖像的解譯,將線路區(qū)劃分為兩個工程線路段,即火山巖段(K0+000～K11+087),巖漿巖—第四系段(K11+087～K39+294),其中比較線均位于巖漿巖—第四系段(見圖2)?，F(xiàn)將各路段主要工程地質條件簡述如下：

4.1 火山巖段

起點位于上徑鎮(zhèn)小壩村附近,終點位于西焦村(K0+000～K11+087),地貌上屬于丘陵地貌,由呈北北東向山脊與寬闊山間盆地相間組成,工程地質分區(qū)上屬于堅硬—半堅硬的火山巖區(qū),地形上最高點為285 m,最低點為15 m,該區(qū)出露巖石為火山巖,巖性有安山巖、英安巖、流紋巖等,局部見炭硅質、凝灰質砂巖等,屬于堅硬—半堅硬工程地區(qū)(Ⅱ)。本線段發(fā)育有：斷裂F1、上鋪斷裂(F2)、洋尾窯斷裂(F3)、西焦村斷裂(F4)、剪切帶(Q1、Q2),線位與構造線近垂直。僅見少量不穩(wěn)定斜坡和滑坡等地質災害,總體上該段工程地質條件較好。

4.2 巖漿巖—第四系段

5 地層巖性解譯

擬建線路區(qū)基巖主體為火山巖、巖漿巖(見圖2)。巖石出露穩(wěn)定,解譯標志清晰。依據(jù)遙感影像特征,建立起區(qū)內(nèi)地層巖性的解譯標志[4],從而對其進行解譯,詳見表1。

表1 福清—平潭(陸域部分)地層巖性遙感解譯標志表Table 1 Remote sensing interpretation marks of stratigraphic lithology from Fuqing-Pingtan (continental part)

6 構造解譯

擬建線路區(qū)位于閩東火山斷拗帶和閩東南沿海斷隆帶的交界部位,長樂—鳳山北北東向斷裂基本控制了擬建線路區(qū)的構造格局。斷層與剪切帶呈北東向展布,具壓扭性特征,影像上表現(xiàn)為線型或帶狀特征,斷裂依次見有F1、F2、F3、F4、F5、F6、F7、F8、F9、F10,剪切帶依次見有Q1、Q2、Q3、Q4、Q5(見圖2)。上述斷裂及剪切帶遙感信息豐富：

圖2 福清—平潭高速公路(陸域部分)遙感工程地質平面圖Fig.2 Remote sensing engineering geological plan of Fuqing-Pingtan Expressway (land part)1.第四系沖積—海積；2.第四系殘積—洪沖積；3.晚侏羅世南園組火山巖(流紋巖、安山巖、英安巖、玄武巖及相應凝灰?guī)r、含礫火山巖等)；4.晚侏羅世(斑狀、似斑狀、含斑)細粒(中粗粒)花崗閃長巖、花崗巖；5.地層分界線；6.斷層；7.剪切帶；8.工程線位。

(1) 遙感影像具線狀發(fā)育特征。

(2) 斷裂兩側影像背景值有顯著差異,其接觸部位為斷裂通過處。

(3) 水系彎曲,拐點有規(guī)律分布,其連線為斷裂帶。

(4) 線型體兩側的地質體在影像色調(diào)和紋形構造特征上有明顯的差異[5]。

(5) 線狀構造本身具有特有的地形、直線狀發(fā)育的水系、沖溝。

(6) 具有線狀負地形，直線型溝谷，不同紋理分界線，地貌分類界線。

(7) 剪切帶主體發(fā)育于斷裂帶及其兩側,主要表現(xiàn)為巖石片理化,節(jié)理密集發(fā)育。

斷裂及剪切帶野外調(diào)查特征：

(1) 斷裂。傾向南東或北西,傾角大(>60°),斷裂中多組節(jié)理發(fā)育,平行于斷裂面的節(jié)理密集發(fā)育,使巖石片理化,且可見彎曲,以靡棱巖、碎裂巖、斷裂角礫巖為主。晚期酸性巖脈和基性巖脈侵入,表現(xiàn)有多期構造活動疊加的特征。

(2) 剪切帶。剪切帶主體發(fā)育于斷裂帶及其兩側,主要表現(xiàn)為巖石片理化,局部見弱彎曲及共軛節(jié)理發(fā)育,且?guī)r石中裂隙密集發(fā)育,易碎裂,可見巖石綠泥石化、綠簾石化等特征。

如斷裂F3、F5及剪切帶Q4特征如下：

斷裂F3影像上呈串珠狀水溝、溝谷負地形,野外調(diào)查見節(jié)理密集發(fā)育,碎裂巖與斷裂角礫巖發(fā)育(見圖3)。

圖3 斷裂F3遙感影像與野外特征圖Fig.3 Remote sensing image and field feature map of Fault F3

斷裂F5影像上見條帶狀裂隙與節(jié)理發(fā)育,野外調(diào)查見兩期玄武巖脈順同一破碎帶侵入(見圖4)。

圖4 斷裂F5遙感影像與野外特征圖Fig.4 Remote sensing image and field feature map of Fault F51.花崗巖；2.早期玄武巖；3.晚期玄武巖；4.接觸面烘烤邊；5.節(jié)理；6.裂隙。

剪切帶Q4與斷裂F6相伴產(chǎn)出,剪切帶內(nèi)多期次節(jié)理復雜發(fā)育,變形較強(見圖5)。

圖5 剪切帶Q4與斷裂F6影像及野外特征圖Fig.5 Image and sketch feature map of Q4 shear zone and Fault F61.鉀長斑狀流紋巖；2.英安巖；3.花崗巖；4.節(jié)理；5.斷裂帶。

7 綜合工程地質特征及線路選擇

從地質條件綜合比較：K線修建里程較短,隧道圍巖以中—微風化花崗巖為主,圍巖級別高,地質條件較好,較AK線、CK線、DK線有利,建議從經(jīng)濟、社會等其他方面進一步比選。

8 結論

通過采用遙感技術開展對福清—平潭高速公路(陸域部分)的解譯、野外調(diào)查,結合區(qū)域地質資料、地貌條件綜合分析,查明了沿線工程地質類型及其分布范圍,為線路方案的選擇提供了科學依據(jù)[6],并為公路選線進一步勘察提供了第一手資料[7],確定在工可研階段主推K線。

(1) 利用高分辨率影像,直接避免高邊坡地段與風電設施場。

(2) 利用影像宏觀性使得選線更加合理、經(jīng)濟、高效[8]。

(3) 利用DEM高程數(shù)據(jù)直接查明調(diào)查區(qū)地形地貌分布特征。

(4) 采用遙感圖像地質解譯與野外調(diào)查相結合，成為目前高速公路勘察中一種非常有效的手段[9]。