TM影像遙感技術(shù)在武漢四環(huán)線工程中的應(yīng)用研究

陳曉林，唐 卓，陳愛明

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院，湖北武漢 430034)

0 引言

武漢市四環(huán)線位于三環(huán)線與繞城高速公路之間，起點(diǎn)定于江夏區(qū)，其走向?yàn)?從東西湖區(qū)吳家山、走馬嶺工業(yè)園中間區(qū)域往南，跨過漢江到達(dá)蔡甸區(qū)、在黃金口工業(yè)集團(tuán)和蔡甸新城之間穿過，沿后官湖生態(tài)新城東側(cè)向南，穿過武漢經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，經(jīng)新建的黃家湖大橋到達(dá)洪山區(qū)青菱鄉(xiāng)，經(jīng)紙坊新城和廟山經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，向北從武鋼和化工新城之間通過，沿天興洲尾架設(shè)的武湖長江大橋到達(dá)黃陂區(qū)，經(jīng)后湖、盤龍城再到達(dá)東西湖區(qū)，形成整個(gè)閉合環(huán)通道，路線全長約143 km。

四環(huán)線處于江漢平原東部，以第四系沉積為主，地勢總體較為平坦，隱伏地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育。利用遙感圖像宏觀、逼真、直觀、豐富的信息，在四環(huán)線工程的選線、工程可行性研究、路線工程地質(zhì)條件評價(jià)和工程初步設(shè)計(jì)提供參考，不但能提高公路的選線質(zhì)量，而且能夠加快勘測設(shè)計(jì)速度，減少勘測費(fèi)用，節(jié)省設(shè)計(jì)成本，以較少的投入，快速、高效地查明工作區(qū)的工程地質(zhì)條件，易于發(fā)現(xiàn)常規(guī)地質(zhì)調(diào)查難以發(fā)現(xiàn)的地質(zhì)現(xiàn)象;縮短可行性研究周期，節(jié)省工程勘探投資。

1 遙感影像技術(shù)在工程應(yīng)用中的一般方法

本次工作借助遙感解譯方法，在充分收集測區(qū)地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行，通過遙感地質(zhì)解譯，為環(huán)線區(qū)地質(zhì)特征、地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、斷層斷裂、地質(zhì)災(zāi)害、地質(zhì)分區(qū)及不良地質(zhì)問題提供一些可供參考的資料，為編制可行性研究報(bào)告提供基本地質(zhì)資料。

本次制作的遙感圖像所使用的數(shù)據(jù)為美國Landsat7衛(wèi)星資料，具體時(shí)相為 p123r039/20020709，分辨率分別為28.5 m和14.25 m。同時(shí)收集存檔的武漢市區(qū)SPOT4影像資料，分辨率為10 m，假彩色合成，時(shí)相為282289/20010107，其范圍較小，未完全覆蓋本次工作區(qū)，但可作為遙感解譯的重要參考影像。

圖像融合采用主成份法。主成份融合方法使用“ETM”圖像中空間分辨率為 28.5 m 的 1、2、3、5、6、7波段作為多光譜圖像，空間分辨率為14.25 m的8波段作為高分辨率圖像。通過主成份分析法產(chǎn)生6個(gè)空間分辯率為14.25 m的分量圖像，使用7、4、1分量合成假彩色圖像。

幾何糾正與鑲嵌使用圖像處理軟件ERDAS IMAGINE 9.1，在1∶5萬地形圖上選取控制點(diǎn)，每景 ETM影像選取控制點(diǎn)不少于24個(gè)，中誤差控制在1.2個(gè)像元之內(nèi)，對每景ETM影像分別進(jìn)行多項(xiàng)式糾正。采用1954年北京坐標(biāo)系，高斯克呂格投影，3度分帶，中央經(jīng)線為東經(jīng)114°，將糾正好的圖像最終裁剪形成為1∶5萬圖像。同理將SPOT4影像也校正到相應(yīng)的位置。

遙感解譯方法一般采用從已知到未知，先整體后局部，先粗后細(xì)不斷深化的方法進(jìn)行解譯。在收集了解前人與公路工程地質(zhì)相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，通過遙感影像進(jìn)行對比分析，分別建立地貌、地質(zhì)等初步解譯標(biāo)志，進(jìn)行全區(qū)遙感解譯。解譯中以目視解譯為主，利用遙感信息多時(shí)相、多波段的特征，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，突出有用信息，提高解譯質(zhì)量。解譯工作可通過初步解譯、野外驗(yàn)證和詳細(xì)解譯完成(圖1)。

圖1 四環(huán)線遙感影像圖Fig.1 Map of remote sensing images of project of the Fourth Ring Road in Wuhan

2 遙感解譯標(biāo)志的建立

TM圖像上影像的形態(tài)、色彩、規(guī)模大小、色調(diào)、紋理、結(jié)構(gòu)、特有形象、表面特征等信息代表著不同的地質(zhì)現(xiàn)象[1]，通過對已知地質(zhì)構(gòu)造在TM圖像上的反映，可建立解譯標(biāo)志，并由此推斷未知區(qū)域的地質(zhì)現(xiàn)象。

2.1 斷層

TM圖像上斷裂構(gòu)造的線性影像以色彩、色調(diào)、巖性地層、地貌、水系、植被等解譯標(biāo)志的線性異常表現(xiàn)出來，斷裂構(gòu)造在視域廣，信息豐富的TM衛(wèi)片上具有十分優(yōu)越的判讀性，其展布形跡和組合類型可以真實(shí)直觀地顯示給視覺系統(tǒng)。解譯人員借助地質(zhì)學(xué)、遙感學(xué)等綜合知識及經(jīng)驗(yàn)，可以對構(gòu)造形跡的構(gòu)造樣式、生成順序、組合規(guī)律及空間展布特征進(jìn)行分析。

斷裂常形成直線型和弧線型的影紋，表現(xiàn)為地貌單元和不同水系的直線型接觸;影象地質(zhì)單元的突然中斷;斷續(xù)相連的直線型河谷或山谷。有些在地表工作難以發(fā)現(xiàn)的隱伏構(gòu)造帶或變形帶均可在遙感影像圖上客觀地反映，這樣就可以加深工作區(qū)新構(gòu)造和深部構(gòu)造的研究程度。

另外活動(dòng)斷裂構(gòu)造在TM圖像上多表現(xiàn)為地貌單元的突變，第四系松散堆積物被切割、錯(cuò)開及洪積扇變形、疊置，說明第四系沉積在活動(dòng)斷裂帶之上或第四系沉積后發(fā)生斷裂活動(dòng)。在詳細(xì)研究斷裂構(gòu)造的波折、彎曲、分叉、復(fù)合及其影像特征基礎(chǔ)上，可查明主干斷裂(區(qū)域性構(gòu)造)的規(guī)模、性質(zhì)和時(shí)空分布。

2.2 褶皺

褶皺構(gòu)造在TM影像上易于識別，主要標(biāo)志是:其在TM影像上表現(xiàn)為不同的色彩、色調(diào)，不同紋形的條帶呈對稱重復(fù)出現(xiàn)，雖在寬度和形態(tài)上有差別，但根據(jù)其展布的地質(zhì)學(xué)意義即可判譯出褶皺構(gòu)造;當(dāng)某巖層出露厚度較大時(shí)，其微地貌、水系類型、植被特色等遙感解譯標(biāo)志對稱重復(fù)出現(xiàn)，這樣隨著解譯標(biāo)志的增加，所判譯的褶皺構(gòu)造的準(zhǔn)確性便得到很大的提高，此時(shí)依據(jù)出露地層的新老關(guān)系及兩翼產(chǎn)狀來確定褶皺類型，從而識別和提取褶皺構(gòu)造信息。

TM圖像上最易于識別的是褶皺構(gòu)造轉(zhuǎn)折端影像特征，在褶皺構(gòu)造中，只要兩翼巖層不被斷層破壞，轉(zhuǎn)折端沒有缺失的情況下，就會(huì)在遙感圖像上識別出構(gòu)造的地層發(fā)生同步彎曲的現(xiàn)象，解譯標(biāo)志體現(xiàn)在色彩、色調(diào)、影紋條帶呈彎曲狀，連續(xù)延伸，彎曲處稱之為褶皺構(gòu)造影像轉(zhuǎn)折端。常見的影像轉(zhuǎn)折端形態(tài)有尖角狀、鈍角狀、對稱狀、不對稱等，這些被遙感解譯標(biāo)志及其組合，為解譯轉(zhuǎn)折端提供了可能。轉(zhuǎn)折端形態(tài)與兩翼地層的產(chǎn)出可以確定褶皺類型，如尖角狀轉(zhuǎn)折端且兩翼?xiàng)l帶與軸線夾角大致相等，弧度小者為同斜緊閉褶皺，鈍角狀轉(zhuǎn)折端且兩翼地層條帶與軸線夾角大致相等，弧度大者為同斜開闊褶皺類型，轉(zhuǎn)折端不對稱狀即兩翼地層影像條帶寬窄不一者為斜歪褶皺類型。

2.3 地貌

地貌類型在TM影像上有直觀的反映，由于本區(qū)處于河湖沖積平原地區(qū)，地貌類型較為單一，基本為平原地貌類型，海拔在30 m左右。影紋特征為小斑紋狀或規(guī)則的紋帶狀，色調(diào)為深綠色，植被發(fā)育。平原地貌又可分為水域區(qū)，農(nóng)業(yè)區(qū)和人類活動(dòng)集中區(qū)。低山丘陵區(qū)僅在局部基巖區(qū)可見，海拔多在100 m以下，影紋為細(xì)長條形，深綠色調(diào)。

上述地貌類型在TM影像上的特征為我們對地貌進(jìn)行分區(qū)提供了可靠的依據(jù)。

3 沿線地質(zhì)構(gòu)造背景及遙感影像特征

通過建立遙感影像解譯標(biāo)志，對路線區(qū)進(jìn)行了地層、地質(zhì)構(gòu)造解譯，結(jié)合前人工作資料及野外驗(yàn)證，圈定了路線區(qū)地貌、不良地質(zhì)體的大致區(qū)域。

3.1 地層巖性

武漢市四環(huán)線通過地區(qū)為第四系廣為覆蓋，基巖零星露頭。根據(jù)區(qū)域資料及鉆探揭露，基巖地層由志留系—古近系系組成，除志留系中統(tǒng)、泥盆系上統(tǒng)、二疊系下統(tǒng)部分出露地表外，其余多埋藏于第四系覆蓋層以下?；鶐r地層埋藏的深度，在長江一帶較大，為27～46 m;次為湖泊及其邊緣地區(qū)為30～38 m;平原、丘陵區(qū)較淺，一般為11～25 m。第四系堆積物分布廣，占總面積的88%左右?；鶐r巖性可分為泥砂質(zhì)碎屑巖建造和碳酸鹽建造，志留系中統(tǒng)—石炭系下統(tǒng)為礫巖、砂巖、粉砂巖、粘土巖等;石炭系中統(tǒng)為灰?guī)r、白云巖;二疊系為硅質(zhì)巖、頁巖粘土巖、煤層及燧石結(jié)核灰?guī)r;三疊系以灰?guī)r為主;侏羅系—古近系為長石砂巖、石英砂巖、粉砂巖、粘土巖等?；鶐r區(qū)影像特征為翠綠色，條紋狀紋形，地貌為低山丘陵及細(xì)長條狀山脊，水系稀疏。多灌木，少量耕地和農(nóng)田，與周邊影像區(qū)別明顯。

志留系在地表零星，出露于路線東南部，呈東西向展布，組成背斜核部。但在第四系掩蓋之下分布廣泛，本區(qū)僅見志留系中統(tǒng)墳頭組，上統(tǒng)缺失，下統(tǒng)埋伏很深，尚未出露。

僅對路線區(qū)第四系簡述如下:

(1)中更新統(tǒng)洪沖積層(Q2pal):路線區(qū)分布在北部府河以東及長江以南線路東部大片分布，構(gòu)成崗狀平原。由洪沖積的紅色粘土、泥礫，棕紅色網(wǎng)紋狀粘土、棕黃、褐黃色粘土、亞粘土等構(gòu)成。厚度一般在15～35 m。影像特征為淺綠色，蠕蟲狀、斑點(diǎn)狀紋形，垅崗及殘丘地形，樹枝狀或平行狀水系。

(2)中更新統(tǒng)洪沖積層巖相變化較大，多為不整合于前第四系之上，僅局部地段覆蓋于下更新統(tǒng)沖積層之上。

(3)上更新統(tǒng)沖積層(Q3al):分布于現(xiàn)代河流的兩側(cè)，構(gòu)成二級階地，具明顯的二元結(jié)構(gòu)。路線區(qū)主要分布在長江以北的徑河—府河一帶和下湯與勝海湖一帶。為杏黃、黃褐色粘土、亞粘土，含鐵錳質(zhì)結(jié)核及浸染薄膜，結(jié)構(gòu)緊密;下部以砂礫石為主，厚度不一。影像色調(diào)為淺綠色、淺紫色，斑點(diǎn)狀紋形，垅崗地形，平行狀水系或水渠。

(4)全新統(tǒng)(Q4):分布在路線區(qū)江、湖一帶，其中沖積、湖積、湖沖積層分布較廣，成因復(fù)雜，相變較大，厚薄不一。

(5)全新統(tǒng)沖積層(Q4al):沿現(xiàn)代河流(長江、府河、灄水等)兩岸呈條帶狀分布，以河流沖積為主，構(gòu)成一級階地、漫灘、砂洲等。上部為黃褐色粘土、亞粘土，往下由砂逐漸過渡為砂礫石層。分地區(qū)夾有湖積、湖沖積相的黑色淤泥類軟土透鏡體。影像色調(diào)為綠色，紋形為規(guī)則的條塊狀、條紋狀斑紋，溝渠交錯(cuò)、植被發(fā)育，多為農(nóng)田分布區(qū)。

(6)全新統(tǒng)湖積層(Q4l):多呈環(huán)帶狀分布于一級階地后緣的湖泊區(qū)周圍，或湖泊消失后的地勢低洼的湖盆沼澤地帶。其中以武湖、后湖、北湖等最為發(fā)育，多呈港汊的形式穿插入路線中，寬窄不等。主要由黃褐色粘土，青灰、灰黑色淤泥及淤泥質(zhì)亞粘土組成。影像色調(diào)為深綠色、蘭色，紋形為規(guī)則的條塊狀、條紋狀斑紋，多為農(nóng)田分布區(qū)。

(7)全新統(tǒng)湖沖積層(Q4lal):主要分布于武湖、北湖一帶。為混合成因類型，為河流注入湖泊的過渡性沉積，主要為黃褐色亞粘土及灰黑色淤泥質(zhì)亞粘土組成。影像特征為深綠色、蘭色相間，規(guī)則的小條紋狀斑紋，多為農(nóng)田分布區(qū)。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造條件

襄(樊)一廣(濟(jì))深斷裂由四環(huán)線北東地區(qū)通過，以此為界，北部屬桐柏一大別隆起之Ⅳ級構(gòu)造單元—新洲凹陷;南部屬下?lián)P子臺坪(Ⅱ級)的大冶臺褶帶(Ⅲ級)，本區(qū)僅出露武漢臺褶束、梁子湖凹陷兩個(gè)Ⅳ級構(gòu)造單元。襄—廣斷裂以南大多被第四系覆蓋，志留系—三疊系地層構(gòu)成了走向近東西向的線狀褶皺，一般向斜窄、背斜寬，并發(fā)育 NWW、NW、NE三組斷裂。同時(shí)受襄—廣斷裂和麻—團(tuán)斷裂控制，發(fā)育有兩個(gè)凹陷，即沉積中心位于新洲區(qū)汪集附近、呈NE向垂疊于NW向構(gòu)造之上的新洲凹陷和位于江夏區(qū)境內(nèi)延伸出市界的NEE向展布的梁子湖凹陷。

由于工作區(qū)基本為第四系松散沉積區(qū)，主要表現(xiàn)為隱伏斷裂(圖2)。

圖2 路線區(qū)隱伏斷裂解譯圖Fig.2 Interpretation of concealed faults in study area

省內(nèi)的一級構(gòu)造分區(qū)斷裂青峰—襄樊—廣濟(jì)斷裂帶(F1、F2)從北東天興洲尾處通過，延伸方向?yàn)楸蔽?30°左右，區(qū)內(nèi)長約10 km，遙感圖像上斷裂南北兩側(cè)色調(diào)截然不同，北側(cè)為翠綠色夾淺藍(lán)色花斑圖案，南側(cè)為深藍(lán)色花斑圖案，斷裂線性影象，呈北西方向延伸，連續(xù)性好。兩側(cè)地貌差異明顯，北東側(cè)地勢低平，南部形成崗地，局部有順斷裂方向展布的山丘。區(qū)內(nèi)北湖呈北西西向的長條狀順斷裂展布，向北西延伸至四環(huán)線外更有后湖、白水湖、野豬湖、王母湖等一系列湖泊呈直線狀排列(圖3)，與斷裂所在位置吻合。斷裂通過處為長江武湖大橋所經(jīng)之處，應(yīng)加強(qiáng)工程地質(zhì)的勘查工作。

圖3 襄廣斷裂影像Fig.3 Image of Xiangfan-Guangji Fault

(1)舵落口斷裂(F3)?1∶5萬漢陽縣幅、武漢市幅、陽邏鎮(zhèn)幅、金口鎮(zhèn)幅、武昌縣幅、豹子澥幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，2010。:具北北東向線性影紋，兩側(cè)地貌及影紋圖案、色彩等差別明顯。斷裂南段后官湖具不對稱狀，斷裂東側(cè)湖岸線較平直，而西側(cè)湖汊眾多;北段順斷裂有河流分布，漢江經(jīng)過處發(fā)生急轉(zhuǎn)。與物探異常吻合較好(圖4)。

圖4 舵落口斷裂影像Fig.4 Image of Duoluokou Fault

(2)五通口—湯遜湖斷裂(F5):圖上具北北東向線性特征，中部不在路線區(qū)范圍內(nèi)，但可能為一條斷裂，沿?cái)嗔褱d湖、東湖的排列及主體展布方向與線性構(gòu)造走向相同，并造成湖泊兩側(cè)不對稱地貌現(xiàn)象。中部有山脊線在斷層兩側(cè)具明顯錯(cuò)移現(xiàn)象。

(3)吳家山斷裂(F4):呈北西向延伸，兩側(cè)地貌及影紋圖案、色彩等差別明顯，北側(cè)具壟崗狀地貌，南側(cè)為湖積區(qū)，帶狀影紋明顯。

其它斷裂有北北西向、北東向及近東西向的斷裂，斷裂規(guī)模均不大，影像特征表現(xiàn)為線型的影紋及地貌的分區(qū)邊界。

路線區(qū)褶皺主要見于東部地區(qū)，以志留—二疊系地層構(gòu)成的緊密線性褶皺，一般以二疊系構(gòu)成向斜軸，志留系構(gòu)成背斜。褶皺轉(zhuǎn)折端為尖棱狀，影像特征明顯可見(圖5)。

圖5 褶皺影像Fig.5 Fold image

3.3 地形地貌因素

(1)剝蝕丘陵或孤丘 主要分布于測區(qū)東南部的武昌地區(qū)及漢陽零星地區(qū)，由零星出露的志留—二疊系基巖組成，在影像圖上呈近東西向的帶狀或孤丘狀分布，正地形，植被發(fā)育，相對周邊呈深色調(diào)，人為活動(dòng)較少，極易識別(圖6)。該區(qū)工程地質(zhì)條件良好，適宜工程建筑。

圖6 地貌影像Fig.6 Geomorphic image

(2)剝蝕崗狀平原 分布廣泛，主要由中更新統(tǒng)洪沖積層組成，在影像圖上呈花斑狀影紋，形成十分密集的羽狀或樹枝狀水系，崗頂部位為淺色調(diào)，崗坡平緩，溝谷處呈U型，顯深色調(diào)，谷底部位多充填有沖溝沖積物。該區(qū)工程地質(zhì)條件次于剝蝕丘陵區(qū)，較適宜工程建筑。

(3)沖積平原 大片分布于主要河流兩側(cè)，地勢平坦，色彩均勻，人類活動(dòng)頻繁，因多被開發(fā)為耕地而顯規(guī)則的紋帶，部分地區(qū)形成建設(shè)區(qū)或人類活動(dòng)區(qū)。主要工程地質(zhì)問題為崩岸和堤基管涌，震動(dòng)激化，可能產(chǎn)生砂土液化，應(yīng)采取護(hù)岸及防滲措施。

(4)湖積平原 分布于主要湖泊周邊，部分由已萎縮湖泊形成，地勢低平，因含水豐富，在影像圖上呈深色調(diào)，多被開發(fā)為種養(yǎng)殖區(qū)。地表出露高壓縮性淤泥類軟土或?yàn)楸拥恼承酝?，天然地基不宜進(jìn)行道路建設(shè)，土體穩(wěn)定性差，工程地質(zhì)條件差，易產(chǎn)生不均勻變形，路線通過時(shí)，宜進(jìn)行置換處理或架橋通過。

4 沿線不良地質(zhì)體對工程區(qū)的影響

沿線不良工程地質(zhì)問題，主要表現(xiàn)在軟土類不均勻沉陷、過量抽吸巖溶地下水而造成的巖溶地面塌陷、江岸堤基不穩(wěn)定等。

(1)軟土類不均勻沉陷 路線跨躍長江、漢江一級階地和湖積平原地區(qū)，影像圖上為翠綠色小花斑狀，多沿湖泊周邊分布。部分地段具流動(dòng)塑性淤泥類軟土，在動(dòng)荷負(fù)載的作用下，易引起路基變形，常常導(dǎo)致路基不均勻沉陷，造成路堤沉陷開裂甚至失穩(wěn)破壞。

(2)巖溶地面塌陷 路線通過區(qū)第四系覆蓋層下隱伏一系列走向近東西向，受緊密褶皺控制的碳酸鹽巖帶，巖溶裂隙發(fā)育，賦存較豐富的地下水。覆蓋型碳酸鹽巖分布區(qū)上覆松散層中一般賦存孔隙承壓水，與下伏的裂隙巖溶水水力聯(lián)系密切，兩者之間具有明顯的互補(bǔ)關(guān)系，在自然水位交替變化及人工開采地下水影響下，地下水流潛蝕上覆松散蓋層，形成空洞，上部失去支撐能力時(shí)，導(dǎo)致產(chǎn)生巖溶地面塌陷。主要分布區(qū)在路線區(qū)的東部，基巖區(qū)周邊等地段，像圖上為翠綠色，長條形影紋。

(3)江岸堤基不穩(wěn)定 路線跨越長江、漢江，兩江四岸堤防皆處于一級階地上。作為地基的土體，上部為河流沖積相的粘土、亞粘土和亞砂土，厚度15～20 m;下部為砂、砂礫石層。每年汛期，與堤防穩(wěn)定有關(guān)的險(xiǎn)情時(shí)有發(fā)生，如堤基散浸、管涌、岸崩、及潰口等。同時(shí)，部分飽和砂性土(粉土、粉砂、細(xì)砂)屬于受震后可液化土層，為不良地質(zhì)層。

5 結(jié)論與建議

根據(jù)該區(qū)航、衛(wèi)片解譯，野外現(xiàn)場調(diào)查。編制了武漢市四環(huán)線工程1∶5萬地質(zhì)構(gòu)造解譯圖、工程水文遙感解譯圖。解譯并分析了隱伏斷裂的發(fā)育特征，對路線區(qū)中存在的不良地質(zhì)體進(jìn)行了圈定，為四環(huán)線工程建設(shè)提供了重要的基礎(chǔ)資料。

根據(jù)本次遙感解譯研究工作提出的隱伏斷裂及不良地質(zhì)體，建議在設(shè)計(jì)及建設(shè)施工階段應(yīng)采取必要的處理，如工程地質(zhì)勘探，路基加固、軟土路段進(jìn)行置換處理，或架橋通過等措施，以保證工程的質(zhì)量。

[1] 黃宗理，等.地球科學(xué)大辭典(應(yīng)用學(xué)科卷)[M].北京:地質(zhì)出版社，2005:846.