三維“大場景”遙感技術(shù)在西康高鐵地質(zhì)勘察中的應用

肖述文

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 概述

遙感解譯技術(shù)在鐵路選線地質(zhì)勘察方面應用極為廣泛，尤其在山坡陡峻、地形困難且地層巖性復雜的山區(qū)[1-5]。為提高復雜地質(zhì)勘察效率和解譯質(zhì)量，三維高精度遙感勘察技術(shù)[6-7]、三維可視化遙感影像解譯[8-11]、多源遙感技術(shù)[12-13]、三維多尺度遙感技術(shù)[14-15]、三維大場景遙感解譯等相繼被應用于鐵路選線地質(zhì)勘察中。呂?？萚16-17]建立虛擬鐵路選線系統(tǒng)的三維真實地理環(huán)境，利用遙感技術(shù)和數(shù)字攝影測量技術(shù)進行快速選線，實現(xiàn)了虛擬環(huán)境選線系統(tǒng)地形三維可視化的要求。楊新亮[18]綜合遙感解譯技術(shù)和野外地質(zhì)調(diào)查手段，勘察了庫格鐵路阿爾金山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征，為鐵路選線提供了重要依據(jù)。劉桂衛(wèi)等[19]在蒙華鐵路地質(zhì)勘察中將高分辨率遙感和三維遙感相結(jié)合，對不良地質(zhì)分布特征進行解譯，為鐵路地質(zhì)選線提供參考。

西康高鐵沿線溝谷狹窄、山坡陡峻、地形困難，地層巖性復雜，巖石軟硬不均，工程性質(zhì)差，不良地質(zhì)和斷裂構(gòu)造發(fā)育。以常規(guī)方法進行勘察很難使勘察資料滿足要求，為指導地質(zhì)調(diào)繪工作，提供地質(zhì)工作效率及精度，在工作區(qū)域開展三維“大場景”遙感地質(zhì)解譯工作，以更好的查明該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性和不良地質(zhì)，經(jīng)與野外勘察對比，為高鐵選線地質(zhì)勘察提供重要依據(jù)。

2 三維“大場景”遙感技術(shù)

2.1 定義及構(gòu)成

三維“大場景”遙感技術(shù)又稱真實感場景遙感技術(shù)，是指利用影像數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)由計算機生成的一種真三維空間場景技術(shù)。大場景遙感技術(shù)體系由本單位自主研發(fā)，該技術(shù)體系構(gòu)建了以高精度的大范圍三維地形場景為基礎(chǔ)的線路協(xié)同設計平臺，為鐵路工程地質(zhì)勘察及選線設計提供一套全新的手段和環(huán)境。

三維“大場景”遙感技術(shù)主要由兩套軟件系統(tǒng)構(gòu)成：即ImageStereo系統(tǒng)和StereoMaker系統(tǒng)。其中ImageStereo為用戶端，主要用于立體觀測解譯，該系統(tǒng)的主要功能包括：恢復帶狀航空大場景三維立體影像環(huán)境；立體觀測及畫線解譯；與CAD系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)雙向映射等。ImageStereo為數(shù)據(jù)生產(chǎn)端，主要用于立體數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。

2.2 三維“大場景”立體數(shù)據(jù)的生產(chǎn)

大場景立體數(shù)據(jù)的生產(chǎn)主要有三方面內(nèi)容：一是按測段生成DEM數(shù)據(jù)；二是按測段生成正射影像；三是利用DEM數(shù)據(jù)和正射影像生成大場景立體。

DEM數(shù)據(jù)的制作需要EO文件(航片的外方位元素)。航空攝影在初始航飛獲取影像文件時，同時會獲取單個像片的初始EO文件，該EO文件記錄了每張航片曝光點的X、Y、Z位置信息及飛行的姿態(tài)參數(shù)φ(滾轉(zhuǎn)角)、ω(俯仰角)、κ(航偏角)，再經(jīng)過外業(yè)刺點及內(nèi)業(yè)航測空三加密處理，可獲取單像片精確的EO文件，最后利用最終的EO文件及相機文件，利用Inpho按測段生成DEM數(shù)據(jù)，再利用DEM數(shù)據(jù)對航空影像進行正射糾正，獲取航空正射影像。

航空正射影像及DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)完成后，就可以利用大場景系統(tǒng)軟件Stereomaker進行立體數(shù)據(jù)生產(chǎn)，最終生成立體觀測文件及其他輔助性文件。

2.3 三維“大場景”遙感解譯系統(tǒng)的優(yōu)勢

三維“大場景”遙感解譯系統(tǒng)與傳統(tǒng)的遙感地質(zhì)解譯方法相比具有無可比擬的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在：(1)立體效果逼真，所反映的地形地貌及地質(zhì)特征極為清晰；(2)解譯過程方便，易于控制，實時更新解譯成果到CAD中；(3)解譯尺度靈活，放大縮小自由操作，可進行動態(tài)多尺度觀測解譯；(4)解譯過程可參考既有矢量資料，即CAD中的矢量文件可實時映射到立體環(huán)境中，二者可“自由通信”；(5)立體定位快速靈活，大場景的智能驅(qū)動功能可根據(jù)坐標值或里程位置快速定位解譯目標，克服了航空影像定位查找耗時費力的缺點；(6)解譯成果易于修改和更新，采用圖層控制功能使得修改過程變得簡單方便；(7)解譯的效率及精度較高。

2.4 遙感技術(shù)應用

以大比例尺DMCⅡ230數(shù)字航空遙感圖像(分辨率為0.5 m)作為遙感解譯數(shù)據(jù)源，采用高精度三維大場景遙感技術(shù)及航空正射影像圖相結(jié)合的方法進行遙感地質(zhì)解譯。在遙感應用手段上采用以遙感為基礎(chǔ)的3S一體化技術(shù)方法，即利用遙感技術(shù)、結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)、全球定位技術(shù)及本單位自主研發(fā)的真實感場景(大場景)三維遙感技術(shù)等高科技手段，采用地質(zhì)學相關(guān)分析的綜合系列方法，進行遙感地質(zhì)判釋工作；在不良地質(zhì)判釋的過程中，采用二維與三維遙感影像相結(jié)合的方法進行，利用航測空三加密數(shù)據(jù)獲取的DEM，輔以三維瀏覽軟件(如ERDAS、ARCGIS、ARCSCENE、大場景三維系統(tǒng)等軟件)，在三維地形模型上疊加遙感影像圖紋理和恢復航空影像的真實感場景，制作出三維立體解譯環(huán)境，進而從不同角度、不同的高度對地質(zhì)災害體進行觀察和判讀，通過對二維與三維圖像進行一體化的觀察與分析，最終在二維平面及三維大場景立體環(huán)境中進行畫線判釋。二維、三維結(jié)合，使得判釋出的成果更加可靠，精度更高。

2.5 工程地質(zhì)解譯及精度

三維大場景立體解譯環(huán)境除了提供高精度無縫的三維帶狀立體影像外，還具有豐富的編輯解譯功能，也可將諸多輔助解譯矢量要素映射到三維立體環(huán)境中，進行綜合認知和解譯。

遙感解譯首先以收集的地質(zhì)資料作為解譯的先驗標志，初步總結(jié)圖像信息特征，再經(jīng)野外調(diào)查驗證建立準確的解譯標志。在遙感應用程序上，堅持室內(nèi)判釋—野外核對-室內(nèi)復判不斷深化的過程；先用遙感指導地面調(diào)繪，再用地面調(diào)繪驗證和修改遙感判釋資料。通過各種遙感數(shù)據(jù)的不同層次信息，從宏觀到微觀的信息傳遞，進行相關(guān)判釋、對照及現(xiàn)場驗證，提高了判釋質(zhì)量和判釋效果。工作區(qū)遙感圖像反映的地質(zhì)信息相對比較清晰，解譯標志明顯，尤其是對大中型滑坡的解譯有很高的準確性。由于地質(zhì)環(huán)境情況在圖像上反映得十分清楚，能夠快速判定重點調(diào)查部位和調(diào)查路線，大大提高了野外調(diào)查工作的目的性和測圖速度，提高了成圖質(zhì)量。

3 遙感技術(shù)在地質(zhì)勘察中的應用

3.1 工程概況及航空遙感影像覆蓋情況

西安至安康高速鐵路北起西安東站(紡織城站)，經(jīng)引鎮(zhèn)從大峪口西側(cè)穿越秦嶺主脈，于太和鄉(xiāng)穿出，后沿乾佑河西岸南下。經(jīng)柞水西、鎮(zhèn)安西、小河西站，南至安康西站，正線全長約175 km。包家山越嶺地段北起小河鎮(zhèn)南至安康西，長約39 km，寬約8.2 km，共320 km2，屬南秦嶺中山區(qū)地貌，溝谷狹窄、山坡陡峻、地形困難，地層巖性復雜，以泥盆系、志留系地層為主，巖石軟硬不均，尤其是千枚巖夾片巖，含炭質(zhì)夾層，巖質(zhì)軟弱，工程性質(zhì)差，不良地質(zhì)和斷裂構(gòu)造發(fā)育。

為指導地質(zhì)調(diào)繪工作，提供地質(zhì)工作效率及精度，在工作區(qū)域開展遙感地質(zhì)解譯工作，以更好地查明該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性和不良地質(zhì)，為設計和工程設置提供依據(jù)。西康高鐵航空攝影工作于2017年2月完成，采用DMCⅡ230數(shù)字化航空攝影儀進行數(shù)據(jù)獲取。攝影面積約2 640 km2，攝影比例為1∶2 000，影像分辨率優(yōu)于0.2 m，全線共分7個測段進行攝影測量工作(圖1)，最終獲取影像5 260張，其中本次工作覆蓋520張，面積約320 km2。

圖1 航空影像覆蓋示意

3.2 地質(zhì)構(gòu)造解譯及標志

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料及大場景遙感影像特征，工作區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造展現(xiàn)典型的解譯標志，主要表現(xiàn)為線性負地形影像特征、水系沖溝、地貌的強烈反差及色調(diào)異常。經(jīng)遙感地質(zhì)判釋，斷裂構(gòu)造為工作區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造。

3.2.1 斷裂構(gòu)造解譯

線性負地形影像特征是該工作區(qū)斷裂構(gòu)造典型的解譯標志，也是本線最普遍的解譯標志[20-21]。遙感影像中，可見一系列平直如刀切狀或舒緩波狀的線性負地形影像特征，并呈現(xiàn)為定向排列的特點。這些負地形影像特征是明顯具有連續(xù)性或間斷連續(xù)性的線性影像特征，并且會切割山體，破壞了山體完整的空間地貌形態(tài)。除此之外，水系沖溝和色調(diào)異常也可以作為斷裂構(gòu)造的解譯標志。色調(diào)異常主要表現(xiàn)為受斷裂控制的地層條帶表現(xiàn)出強烈的色調(diào)差異，受斷裂控制的盆地邊緣及山前斷裂帶處的色調(diào)異常，含水性差異所造成的色帶異常等。

對工作區(qū)斷裂構(gòu)造進行判讀，再利用三維大場景技術(shù)對斷裂構(gòu)造的微觀特征進行解譯，主要是根據(jù)斷裂構(gòu)造在三維“大場景”影像上反映出的地貌及形態(tài)特征，如根據(jù)兩種截然不同的地貌單元，帶狀負地形或斷層崖、斷層三角面、斷層埡口、裂口、對頭溝、對口溝、平直段河谷以及水系成直角拐彎等標志進行判釋。

(1)區(qū)域性斷裂構(gòu)造

F13麻坪斷層：斷層整體呈舒緩波狀展布，走向為北西向。斷層在線路附近展布超過10 km，為一規(guī)模巨大的逆斷層。在三維大場景影像中，可明顯看見一條開闊的線性負地形，斷裂形成的線性谷地寬度約100 m，即形成了1條寬約100 m的斷裂谷(圖2)，保持了良好的線性構(gòu)造空間延展性。斷裂兩側(cè)均可見整齊排列的斷層三角面，斷裂谷與兩側(cè)主干溝谷呈近乎垂直狀，組成“豐”字形水系類型。本區(qū)主要的水系類型有樹枝狀、角狀、倒勾狀、平行狀及“豐”字形水系等，尤其在盆地的邊緣或是新構(gòu)造運動強烈的地區(qū)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查驗證，該斷裂走向N70°W，傾北，傾角54°，逆斷層，破碎帶寬50～100 m，主要由碎裂巖、斷層泥、斷層角礫組成。

圖2 麻坪斷層航空遙感影像特征

(2)次級斷裂

f71和f72斷層：f71斷層與f72斷層組成“Y”字形構(gòu)造，其大場景三維立體影像見圖3?？梢钥闯鰞蓚€斷層中大多數(shù)地段地貌特征較為明顯，發(fā)育著一系列對頭溝和斷層埡口，埡口內(nèi)被第四系填充，線性負地形具有間斷連續(xù)性特征，形成了較規(guī)律的線性構(gòu)造。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查驗證，f71斷層走向N36°W，傾北，傾角40°，逆斷層，破碎帶寬20～30 m，主要由碎裂巖、斷層角礫組成；f72斷層局部三角面較發(fā)育，斷層走向N74°W，傾北，傾角65°，逆斷層，破碎帶寬30～50 m，主要由碎裂巖、斷層泥、斷層角礫組成。

圖3 f71、f72斷層航空遙感影像特征

f73和f74斷層：f73斷層與f74斷層呈近似平行狀展布，其三維大場景立體影像見圖4?？梢钥闯鰂73斷層北西端地貌特征較為明顯，斷續(xù)發(fā)育有斷層埡口，斷層三角面，斷層南東端遙感解譯標志不明顯；f74斷層絕大多數(shù)地貌特征明顯，斷續(xù)發(fā)育有斷層埡口，斷層三角面，呈串珠狀分布。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查驗證，f73斷層走向N6°W，傾北，傾角55°，逆斷層，破碎帶寬10～20 m，主要由碎裂巖、斷層泥、糜棱巖組成；f74斷層走向N67°W，傾北，傾角60°，壓扭性逆斷層，破碎帶寬10～20 m，主要由碎裂巖、斷層泥組成。

圖4 f73、f74斷層航空遙感影像特征

f75和f76斷層：f75斷層與f76呈近似平行狀展布，其三維大場景立體影像見圖5?？梢钥闯鰞蓚€斷層大多數(shù)地貌特征明顯，斷續(xù)發(fā)育有對頭溝、斷層埡口等。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查驗證，f75斷層走向N80°W，傾北，傾角60°，張扭性斷層，破碎帶寬10～30 m，主要由糜棱巖、斷層角礫、斷層泥組成；f76斷層走向N69°W，傾北，傾角85°，張扭性斷層，破碎帶寬10～30 m，主要由糜棱巖、斷層角礫、斷層泥組成。

圖5 f75、f76斷層航空遙感影像特征

3.2.2 地層巖性解譯

工作區(qū)地層巖性十分復雜，部分巖性呈過渡狀態(tài)，且存在兩種巖性互呈穿插接觸的情況，加之秦嶺南部中山區(qū)植被茂密，因此本區(qū)巖性界線的解譯較為困難，解譯程度較低。地貌的強烈反差是構(gòu)造解譯另一個重要的標志，特別是在盆地的邊緣或山前地區(qū)，一般為隱伏構(gòu)造最重要的指示。根據(jù)遙感影像特征及區(qū)域地質(zhì)情況，巖性解譯根據(jù)主要巖性類別特征分為以下兩種。

(1)泥盆系灰?guī)r夾板巖類

主要分布于工作區(qū)域的東北角。在三維大場景立體影像中，該段地形相對陡峻，溝谷深切，地形切割相對強烈，山脊多尖棱狀，平行狀、樹枝狀、角狀、“豐”字形等水系類型發(fā)育。本段發(fā)育的石灰?guī)r地區(qū)由于巖質(zhì)堅硬，一般呈明顯的正地形，受構(gòu)造擾動的地段分化較重，局部呈負地形。板巖分布區(qū)區(qū)域最大的特征就是分化極為強烈，山脊山谷都有不同程度的第四系覆蓋層，某些受地質(zhì)構(gòu)造控制。千枚巖分布區(qū)域在影像中最典型的特征是千枚理特征極為清晰，呈明顯定向排列的特征，具有較明確的解譯標志。

(2)志留系、震旦系片巖、千枚巖類

主要分布于工作區(qū)域的西南角。在三維大場景立體影像中，該段地層與上述泥盆系地形最典型的區(qū)別是表現(xiàn)在地形地貌上，即地形相對較緩，溝谷淺，地形切割相對淺。山脊亦呈尖棱狀，波狀紋理清晰，樹枝狀、羽狀水系發(fā)育。巖石分化較重，山間分布第四系地層。

3.2.3 不良地質(zhì)解譯

工作區(qū)不良地質(zhì)主要有人為坑洞、巖溶、崩塌、危巖落石、滑坡等。其中滑坡在大場景上判釋標志比較直觀，判釋效果較好，該工作區(qū)典型滑坡為魯家河滑坡和麻坪河滑坡群。人為坑洞，洞口一般在陡壁上，大場景上地貌特征不明顯。巖溶弱發(fā)育，主要以溶孔、溶隙及小溶洞為主，大場景上地貌特征不明顯。崩塌、危巖落石一般發(fā)育在陡峭的巖壁上，小規(guī)模的崩塌及危巖落石在大場景上地貌特征較明顯。

(1)魯家河滑坡

該滑坡體分布于桐木鎮(zhèn)魯家河邊，在大場景三維影像上可見滑坡圈椅狀地貌明顯，前緣略微隆起(圖6)。經(jīng)現(xiàn)場驗證，該前緣為第四系覆蓋，未見基巖?；w上人工改造為耕地，坡面上的老房子有開裂現(xiàn)象，后緣可見基巖裂隙水滲出。

圖6 魯家河滑坡航空遙感影像特征

(2)麻坪河滑坡群

該滑坡群分布于麻坪河右岸，嚴格受麻坪斷層的控制，呈串珠狀分布。在大場景三維影像中，可見滑坡后緣的斷層三角面，滑坡體地貌上呈弧形地貌，坡體上植被稀疏，多開辟為耕地(圖7)。經(jīng)現(xiàn)場驗證，滑坡體前緣為第四系覆蓋，未見基巖；前緣局部隆起，后緣能見明顯的滑坡后壁。

圖7 麻坪河滑坡群航空遙感影像特征

不良地質(zhì)判釋中大場景對滑坡的判釋效果較好，能宏觀和直觀上對滑坡體進行判釋。工作區(qū)滑坡多為堆積土滑坡，滑坡體上植被稀疏，圈椅狀和弧形地貌明顯，有陡峭的滑坡壁和滑坡臺階，一般在大場景上均能較清晰反映。

4 結(jié)論

包家山越嶺段地質(zhì)條件復雜，為提高勘察效率和質(zhì)量，采用三維“大場景”立體解譯平臺，對測區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造進行了遙感解譯，得出結(jié)論如下。

(1)對工作區(qū)判釋程度較低的巖性做了宏觀解譯劃分。根據(jù)三維影像的微地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水系等類型，結(jié)合沖溝密度、紋理信息、形狀信息、色調(diào)異常等綜合遙感解譯標志，對巖性進行綜合判釋，建立了大的巖類基本的遙感影像解譯標志。

(2)斷層和滑坡主要分布在包家山越嶺段，對地質(zhì)選線影響較大。通過遙感解譯，其特征表現(xiàn)為：麻坪斷層形成有寬度約100 m的線性谷地，魯家河滑坡圈椅狀地貌明顯，前緣略微隆起；麻坪河滑坡群可見滑坡后緣的斷層三角面，滑坡體地貌上呈弧形地貌，坡體上植被稀疏，多開辟為耕地。

(3)通過對地質(zhì)構(gòu)造及不良地質(zhì)體的判釋解譯，取得了較高精度的遙感地質(zhì)解譯信息，指導地面地質(zhì)調(diào)繪，縮短了工期，提高了工作效率。摸清了分布狀態(tài)及規(guī)模，并通過重點調(diào)查驗證，反復判釋，其準確率得到了很大的提高，為鐵路選線方案提供了重要依據(jù)。