多源遙感技術(shù)在鐵路工程地質(zhì)勘察中的應(yīng)用研究

劉亞林

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 710043)

1 概述

遙感技術(shù)作為鐵路工程地質(zhì)勘察的有效手段之一，在鐵路勘察設(shè)計(jì)的各個(gè)階段得到了廣泛應(yīng)用［1-3]。在鐵路工程地質(zhì)遙感調(diào)查工作中，單一數(shù)據(jù)源及傳統(tǒng)判釋方法往往很難達(dá)到較好的調(diào)查效果，多源數(shù)據(jù)融合及三維遙感技術(shù)的發(fā)展為線路工程地質(zhì)調(diào)查提供了新的發(fā)展方向［4，5]，但多數(shù)的研究都集中在基于 DEM數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)創(chuàng)建的三維環(huán)境中［6，7]，此方法對(duì)DEM數(shù)據(jù)的精度要求較高，往往也不能較好地反映地表真實(shí)地形狀況，對(duì)大比例尺不良地質(zhì)的判釋效果不佳。本文依托某新建鐵路，探討多源遙感技術(shù)在鐵路工程地質(zhì)調(diào)查中的新方法，針對(duì)不同影像數(shù)據(jù)源建立不同的三維判讀環(huán)境，通過(guò)不同尺度層次的遙感數(shù)據(jù)取長(zhǎng)補(bǔ)短，以滿足鐵路工程不同地質(zhì)勘察階段的需求。

2 研究區(qū)概況

此新建鐵路走行于湖南省西北部的低中山區(qū)，線路沿線地形陡峻、溝谷深切，地貌多變。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺及斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖性多變，碳酸鹽類可溶巖呈大面積分布，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，其間巖溶洼地、槽谷、漏斗、落水洞、井泉、溶洞密布，地下暗河系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，植被茂盛，基巖裸露少，給野外地質(zhì)調(diào)查帶來(lái)很大難度，利用遙感技術(shù)進(jìn)行該區(qū)域工程地質(zhì)勘察不失為一種有效手段。

3 數(shù)據(jù)選擇及處理

3.1 數(shù)據(jù)選擇

目前地質(zhì)遙感判釋常用的數(shù)據(jù)主要有Landsat TM、SPOT以及高分辨率的QuickBird、WorldView等衛(wèi)星影像以及大比例尺航空影像數(shù)據(jù)等。為了宏觀上了解工作區(qū)地形地貌特征、可溶巖與非可溶巖的分布、褶皺及斷裂構(gòu)造的展布等背景信息，微觀上詳細(xì)調(diào)查不良地質(zhì)類型及數(shù)量，特別是巖溶的分布及發(fā)育規(guī)律，分析影響和控制線路方案選擇的主要地質(zhì)問(wèn)題［8]，選用了中小比例尺的LandsatTM5、SPOT5衛(wèi)星影像以及大比例尺黑白航空影像3個(gè)不同尺度層次的影像數(shù)據(jù)［9]。

3.2 數(shù)據(jù)處理及信息提取方法

為了提高判讀的精度及效率，對(duì)衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了輻射增強(qiáng)、灰度及線性拉伸等增強(qiáng)預(yù)處理，進(jìn)行了幾何精糾正使衛(wèi)星影像與相關(guān)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖相吻合［10]，在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建基于DEM數(shù)據(jù)及衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)的三維判讀環(huán)境;而對(duì)于黑白航空影像數(shù)據(jù)，其比例尺一般都較大，低精度DEM數(shù)據(jù)不能滿足三維建模的要求，根據(jù)數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的原理，進(jìn)行航空影像數(shù)據(jù)的內(nèi)定向，相對(duì)定向，恢復(fù)相對(duì)的立體關(guān)系，建立真三維的航片判讀環(huán)境。不同尺度層次數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系統(tǒng)均統(tǒng)一。在地質(zhì)信息提取過(guò)程中遵循從宏觀逐步過(guò)渡到微觀的判讀方法，衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)和航空影像數(shù)據(jù)相結(jié)合，多尺度、多角度逐級(jí)提取地質(zhì)信息(圖1)。

圖1 多源遙感技術(shù)地質(zhì)遙感調(diào)查流程

4 地質(zhì)遙感調(diào)查分析

中小比例尺衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)主要用于工作區(qū)宏觀背景的調(diào)查，從宏觀上初步查明控制線路方案的巖帶、構(gòu)造、富水帶及主要不良地質(zhì)問(wèn)題，滿足鐵路勘察預(yù)可研階段設(shè)計(jì)的需求;而大比例尺的航空影像或高分辨率的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)則是進(jìn)一步詳查線路走向一定范圍的地質(zhì)情況，查明影響線路工程的不良地質(zhì)分布情況，滿足鐵路勘察初測(cè)階段設(shè)計(jì)的需求。地質(zhì)遙感調(diào)查按不同階段側(cè)重點(diǎn)的不同有以下幾個(gè)方面。

4.1 構(gòu)造的判釋

衛(wèi)星影像覆蓋范圍大的特點(diǎn)使地質(zhì)構(gòu)造的解譯標(biāo)志在影像上都比較明顯，褶皺構(gòu)造一般呈現(xiàn)地層相間分布的特點(diǎn)，具有核部和翼部的景觀特征，而斷裂構(gòu)造多呈線性負(fù)地形展布。經(jīng)遙感判釋，本工作區(qū)以褶皺構(gòu)造為主，在衛(wèi)星影像上可識(shí)別的大型褶皺構(gòu)造有數(shù)十條左右，在SPOT5 10 m尺度影像中均具有典型特征，如分布于龍山縣的猛必向斜(圖2、圖3)，地層條帶呈北東向展布，核部呈負(fù)地形，而兩翼逐漸抬升，各地層間界線明顯。工作區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造多以褶皺過(guò)程中形成的半生斷裂為主，多呈現(xiàn)線性負(fù)地形展布或有強(qiáng)烈的地貌差異指示。

圖2 猛必向斜三維景觀圖(紅藍(lán)模式)

圖3 猛必向斜判釋圖

4.2 巖性的判釋

巖性的判釋過(guò)程一般難度較大，特別是在植被覆蓋率較高的區(qū)域。巖性判釋具有明顯的區(qū)域性特點(diǎn)，不同地區(qū)的巖性判釋標(biāo)志很難相互引用，應(yīng)根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)，通過(guò)遙感圖像的地貌狀況、紋理色彩、水系徑流、地表分化差異、植被覆蓋的迥異等綜合因素建立各時(shí)代地層的解譯標(biāo)志［8]。本工作區(qū)廣泛發(fā)育有可溶性巖層，這是影響線路走向的主要因素之一。在衛(wèi)星影像上，與其他非可溶性巖層相比，可溶性巖層表現(xiàn)為典型的溶丘洼地、峰叢溝谷或峰叢洼地的景觀特征，山體一般呈串珠狀分布，地表水系則呈樹(shù)枝狀、格狀或角狀分布，并廣泛發(fā)育有巖溶漏斗等不良地質(zhì)現(xiàn)象。另外，同一可溶性巖層在影像上的解譯標(biāo)志也呈現(xiàn)不同的特征，如可溶性三疊系巖層，巴東組(T2b)呈現(xiàn)為中低山地貌，有明顯地表水徑流，河網(wǎng)自由擺動(dòng)，沖溝短陡，切割較淺;嘉陵江組(T2j)則呈現(xiàn)為典型的峰叢溝谷及峰叢洼地的景觀特征，廣泛發(fā)育巖溶漏斗;大冶組(T1dy)則呈現(xiàn)為大型峰叢地貌(圖4、圖5)。

4.3 巖溶的判釋

圖4 可溶巖三維景觀圖(紅藍(lán)模式)

圖5 可溶巖判釋圖

巖溶發(fā)育廣泛是約束本線路工程布置的最核心因素。在中小尺度層次上對(duì)區(qū)域巖性及構(gòu)造信息判讀查明可溶性鹽巖分布范圍及規(guī)律特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用2.5 m的SPOT5真彩色影像數(shù)據(jù)進(jìn)行巖溶分區(qū)、匯水面積分析，針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域，利用大比例尺黑白航片影像數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域內(nèi)發(fā)育的巖溶洼地、巖溶漏斗、暗河等巖溶不良地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)的調(diào)查。

巖溶洼地在影像上一般呈封閉狀負(fù)地形，底部常附生有漏斗、落水洞等地表巖溶形態(tài)，本區(qū)域規(guī)模較大的溶蝕洼地主要分布于黔江的黑洞口、龍山縣茨巖塘鎮(zhèn)(圖6)、張家界的汪家寨、蔡家坪、芳石坪和桃園縣的康家峪、瓦兒崗一帶。

圖6 茨巖塘鎮(zhèn)溶蝕洼地三維景觀圖

巖溶漏斗在不同種類的影像上呈現(xiàn)不同的影像特征。在SPOT影像上巖溶漏斗呈現(xiàn)碟形、鍋形、紡錘形或圓錐形，在山區(qū)漏斗形態(tài)較完整，灌木叢生的漏斗底部色調(diào)為深綠色調(diào)，平坦地區(qū)受人為活動(dòng)影響較大，開(kāi)墾為耕地的漏斗底部為平滑的淺紅色調(diào)或者淺綠色調(diào);而航片上巖溶漏斗一般呈圓形、橢圓形或不規(guī)則形洼地，上大下小，立體觀察為錐形，多數(shù)被第四紀(jì)堆積物充填，或被辟為耕地，呈灰白色調(diào)，少量底部生長(zhǎng)植被，呈深灰至淡黑色調(diào)(圖7、圖8)。

圖7 臥云界附近巖溶漏斗航片三維景觀圖(紅藍(lán)模式)

圖8 臥云界附近巖溶漏斗航片判釋圖

暗河是地下水位以下的溶洞，通過(guò)航衛(wèi)片判讀，結(jié)合衛(wèi)片數(shù)據(jù)可查明暗河的來(lái)龍去脈和展布規(guī)律，暗河常與干谷并存，如果干谷底部或沿背斜、向斜構(gòu)造的軸部分布著一連串塌陷、漏斗、落水洞，則其下部可能有暗河的存在，其方向與漏斗、落水洞等的排列方向一致，有時(shí)可根據(jù)地表水系匯集的趨勢(shì)，推斷暗河的大致位置(圖9)。

圖9 張家界何家山漏斗群及暗河進(jìn)出口判釋圖

基于多源遙感影像數(shù)據(jù)及數(shù)字三維立體判讀平臺(tái)，經(jīng)過(guò)野外驗(yàn)證，整個(gè)工作區(qū)共判釋出巖溶洼地107個(gè)、巖溶漏斗2 350個(gè)，暗河進(jìn)出口及泉點(diǎn)96個(gè)，巖溶湖25個(gè)。通過(guò)對(duì)各地層中巖溶不良要素分布數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，地層巖性是影響巖溶發(fā)育的最主要因素。工作區(qū)內(nèi)三疊系漏斗發(fā)育密度平均為10～20個(gè)/km2，部分區(qū)域發(fā)育密度大于30～35個(gè)/km2。巖溶漏斗、落水洞在厚層可溶性巖層中(如灰?guī)r)發(fā)育較完整，規(guī)模較大;在薄層可溶性巖層中(如含雜質(zhì)的白云巖)，只能形成較小的巖溶形態(tài)。構(gòu)造對(duì)巖溶的發(fā)育影響也較大，巖溶漏斗、落水洞的長(zhǎng)軸一般平行于斷層帶或向斜和背斜的軸部，受褶皺形態(tài)及斷裂的展布方向控制。

通過(guò)中小尺度層次的地質(zhì)遙感調(diào)查可以初步了解工作區(qū)地層、構(gòu)造的概況，在此基礎(chǔ)上，利用大比例尺黑白航片數(shù)據(jù)，對(duì)影響線路展布的重點(diǎn)區(qū)域或工點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步詳查，形成多尺度層次的成果，不同尺度層次數(shù)據(jù)的互補(bǔ)來(lái)滿足不同勘察階段地質(zhì)調(diào)查的需求。

5 結(jié)論

采用多源遙感技術(shù)進(jìn)行不同尺度層次地質(zhì)遙感信息的提取，能夠有效地發(fā)揮數(shù)據(jù)各自的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)不同尺度層次上數(shù)據(jù)的相互驗(yàn)證、相互控制，滿足鐵路工程勘察各階段的需求。本文將遙感技術(shù)、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)、地質(zhì)等信息進(jìn)行融合，結(jié)合某新建鐵路地質(zhì)調(diào)查工作，針對(duì)不同影像數(shù)據(jù)建立不同的三維解譯環(huán)境，從宏觀到微觀循序漸進(jìn)地提取地質(zhì)信息，探討了多源遙感數(shù)據(jù)及三維可視化技術(shù)在鐵路工程地質(zhì)遙感調(diào)查中的技術(shù)方法，實(shí)現(xiàn)了不同階段、不同尺度層次，不同角度成果資料的互補(bǔ)，取得了較好的判釋效果，有效提高了地質(zhì)信息提取的精度，形成了完整的線路工程地質(zhì)遙感調(diào)查模式。在今后還應(yīng)加強(qiáng)高光譜影像數(shù)據(jù)及物、化、探等非遙感數(shù)據(jù)在鐵路工程地質(zhì)遙感調(diào)查中的應(yīng)用，使地質(zhì)遙感調(diào)查的范圍延伸至地下深部，以提高判釋結(jié)果的精度，促進(jìn)遙感技術(shù)在鐵路工程勘察中更大的應(yīng)用。

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