基于地質(zhì)調(diào)查的高分辨率遙感信息數(shù)據(jù)分析

阿慧娟，李得林，彭紅明，羅銀飛

（1.青海省環(huán)境地質(zhì)勘查局/青海省環(huán)境地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810007；2.青海省地質(zhì)調(diào)查院，青海 西寧 810012）

遙感解譯是地質(zhì)調(diào)查工作的先導(dǎo)，其直觀、宏觀、快速以及地質(zhì)信息量豐富的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是毋庸質(zhì)疑的。做好前期的遙感解譯工作，可以很好地與地面調(diào)查工作互補(bǔ)，從宏觀尺度幫助地面調(diào)查進(jìn)行深入的地質(zhì)認(rèn)識(shí)與工作部署，使得實(shí)地調(diào)查具有較為充足的地質(zhì)預(yù)見(jiàn)性。經(jīng)過(guò)近40a的應(yīng)用研究，遙感技術(shù)隨著傳感器、圖像處理及計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，在水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域的應(yīng)用取得了長(zhǎng)足的發(fā)展[1]。梁樹(shù)能等研究利用GF-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)在遙感地質(zhì)調(diào)查中能有效地劃分遙感影像地質(zhì)單元、識(shí)別地質(zhì)構(gòu)造空間展布特征[2]。陳玲等研究了國(guó)產(chǎn)高分衛(wèi)星數(shù)據(jù)在高海拔地區(qū)地質(zhì)調(diào)查中有很大的應(yīng)用潛力[3]。

西寧市是青藏線上的重要結(jié)點(diǎn)城市之一，近年來(lái)隨著城市的快速發(fā)展，環(huán)境地質(zhì)等問(wèn)題日益突出。通過(guò)三期高分辨率遙感影像，對(duì)調(diào)查區(qū)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)查，獲取區(qū)內(nèi)相關(guān)基礎(chǔ)地質(zhì)、地形地貌、水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)等有關(guān)信息，指導(dǎo)西寧市地質(zhì)調(diào)查，有效部署野外調(diào)查研究工作，減少野外工作量，提高調(diào)查效率和成果質(zhì)量。

1 調(diào)查區(qū)概況和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.1 調(diào)查區(qū)概況

調(diào)查區(qū)西寧市位于青海省東部，面積約500km2，海拔2280m。市區(qū)四面環(huán)山，北川河、南川河、沙塘川河在市區(qū)匯入湟水河，西寧市建城區(qū)呈十字狀展布在三川一水所形成的河谷階地上。地形由湟水河谷地貌和黃土低山丘陵地貌組成，其中河谷地貌占45.6%，低山丘陵地貌占54.4%。

1.2 數(shù)據(jù)源

本次遙感調(diào)查包含遙感和非遙感兩類信息源，根據(jù)實(shí)際情況，配置了三個(gè)時(shí)相高分辨率影像數(shù)據(jù)，分別為美國(guó)KH-11“鎖眼”偵察衛(wèi)星數(shù)據(jù)（1977年7月）、WorldView-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)（2010年6月）、國(guó)產(chǎn)高分二號(hào)（GF-2）衛(wèi)星數(shù)據(jù)（2016年7月），其空間分辨率均小于2m，圖像清晰，可滿足本次地質(zhì)調(diào)查遙感解譯需求。

其中KH-11、WorldView-2數(shù)據(jù)在購(gòu)買時(shí)已做好數(shù)據(jù)預(yù)處理，只對(duì)影像進(jìn)行增強(qiáng)處理。本次對(duì)GF-2數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，采用“DEM+RFM+GCP”的方法分別對(duì)GF-2多光譜和全色原始數(shù)據(jù)進(jìn)行正射糾正。并進(jìn)行融合處理，最終合成色彩豐富、空間分辨率為1m的真彩色影像，地物判別度顯著提高。

非遙感信息源，主要包含收集到的相關(guān)調(diào)查研究成果和不同形式的常規(guī)調(diào)查資料。

2 遙感專題信息提取及特征分析

針對(duì)本區(qū)的實(shí)際情況，本次地質(zhì)遙感解譯調(diào)查主要包含以下幾個(gè)部分：

（1）地貌遙感解譯主要研究調(diào)查區(qū)內(nèi)河流階地的兩個(gè)時(shí)段的歷史變化，對(duì)人類工程活動(dòng)引起的大規(guī)模地形地貌改變進(jìn)行還原分析。

（2）基礎(chǔ)地質(zhì)遙感解譯包含兩部分，一是地層出露條件；二是重點(diǎn)解譯與地質(zhì)安全穩(wěn)定密切相關(guān)的活動(dòng)斷裂。

（3）水文地質(zhì)遙感解譯：地表水體、泉點(diǎn)及地下水溢出帶等水文地質(zhì)信息，提高對(duì)水文地質(zhì)規(guī)律的認(rèn)識(shí)。

（4）工程地質(zhì)遙感解譯：判別巖土體類型。

（5）地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯：區(qū)內(nèi)滑坡、崩塌、泥石流、不穩(wěn)定斜坡等災(zāi)害，主要確定各類地質(zhì)災(zāi)害的分布、威脅對(duì)象及危害范圍，研究其區(qū)域規(guī)律。

如圖1所示，本次調(diào)查工作在遙感技術(shù)與多種資料的支持下，室內(nèi)研究與野外調(diào)查驗(yàn)證相結(jié)合的技術(shù)路線，完成了西寧地質(zhì)遙感調(diào)查研究工作。

2.1 地形地貌遙感解譯

由于內(nèi)外地質(zhì)應(yīng)力綜合作用的結(jié)果，使調(diào)查區(qū)地貌形態(tài)特征復(fù)雜化，根據(jù)區(qū)內(nèi)地貌形態(tài)特征將調(diào)查區(qū)劃分成流水侵蝕地形和流水堆積地形，并由已知微地貌形態(tài)影像特征建立解譯標(biāo)志，對(duì)地形地貌信息進(jìn)行提取。

調(diào)查區(qū)應(yīng)用兩期數(shù)據(jù)對(duì)河流階地進(jìn)行對(duì)比分析解譯，從遙感影像圖2（a）中可以看出，階地分布與河谷兩側(cè)，高于河漫灘，陡坎色調(diào)比階面深，階面平坦連續(xù)，向河心緩傾，縱向上帶狀連續(xù)分布。圖2（b）中階地已被城市擴(kuò)展所破壞，通過(guò)兩期數(shù)據(jù)分析還原了原始地形地貌特征。

圖2 西寧市蘇家河灣地區(qū)Ⅱ級(jí)階地影像對(duì)比

2.2 基礎(chǔ)地質(zhì)遙感解譯

2.2.1 地質(zhì)景觀遙感特征

從GF-2號(hào)數(shù)據(jù)多波段融合影像圖反映的紋形圖案特征和影像色調(diào)看，調(diào)查區(qū)總體呈低山丘陵向河谷平原過(guò)度的地質(zhì)景觀。由北向南，地勢(shì)逐漸升高，由高海拔盆地向高海拔最低山丘陵擴(kuò)散，峰-嶺-丘-盆階梯明顯。構(gòu)造線主要沿北西西向和近東西向延伸，與山脈發(fā)育方向一致，并由北東向斷裂將其斷開(kāi)，使區(qū)內(nèi)影像形成條帶狀、團(tuán)塊狀圖案。

2.2.2 主要地質(zhì)體遙感解譯標(biāo)志

經(jīng)過(guò)對(duì)調(diào)查區(qū)1:1萬(wàn)GF-2融合圖像的判讀，對(duì)這些塊狀、帶狀、團(tuán)塊狀影像所代表的主要地質(zhì)體進(jìn)行抽象，提出主要解譯標(biāo)志。

調(diào)查區(qū)以沉積巖地層為主，侵入巖少量發(fā)育，第四紀(jì)黃土分布廣泛，出露地層有下元古界、侏羅系、白堊系、古近系、新近系、侵入巖主要為元古代和加里東期。

2.2.3 地質(zhì)構(gòu)造特征

（1）調(diào)查區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

西寧盆地位于北祁連優(yōu)地槽褶皺帶與南祁連褶皺帶之間的中祁連中間隆起帶的東部[4]。其發(fā)育與發(fā)展因受基底構(gòu)造的制約，及邊界條件的綜合作用的影響，不同的發(fā)展階段，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式亦不盡相同，自第三紀(jì)以來(lái)，以內(nèi)陸擠壓造山運(yùn)動(dòng)和強(qiáng)烈抬升為主要特征的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，使地殼垂直方向抬升，調(diào)查區(qū)內(nèi)斷裂分布較多，南緣拉脊山斷裂帶、北緣大阪山斷裂帶、西緣日月山斷裂帶以及東緣哈拉直溝斷裂帶[5]。在湟水河及其支流發(fā)育有近東西向及北北東向多條第四紀(jì)隱伏斷裂，控制了湟水河及其支流河谷的發(fā)育。

（2）活動(dòng)斷裂線性形跡

遙感影像反映的斷裂構(gòu)造均為地貌響應(yīng)比較顯著的晚新生代期間有所活動(dòng)的斷裂，所以解譯出的斷裂線性形跡絕大部分應(yīng)為活動(dòng)斷裂?？刂屏怂捣植己团?嶺展布的線性影像都是活動(dòng)斷裂在影像上的反映，其中水系、微地貌、植被響應(yīng)明顯，線性形跡清楚，是構(gòu)成不同色調(diào)的紋形區(qū)塊的分界（圖3）。

圖3 北川河?xùn)|岸斷裂遙感影像特征

由解譯結(jié)果可知，全區(qū)主要受北北東、近南北、近東西向斷裂控制，圖像上沿這三組方向發(fā)育的活動(dòng)斷裂線性形跡有清晰顯示，近南北向斷裂為北川河斷裂，可見(jiàn)西岸斷裂和東岸斷裂，北川河?xùn)|岸斷裂是控制北川河河谷的一條主要斷裂，主體沿北川河?xùn)|岸山體邊緣線附近發(fā)育，沿?cái)嗔褞У孛哺卟蠲黠@，地形陡峭，其東側(cè)第三系地層及第四系黃土地層廣布。

南川河西岸發(fā)育有南川河斷裂，為一正斷層，走向?yàn)楸北睎|向，是控制南川河發(fā)育的主要斷裂，沿山體邊緣展布，斷裂影像紋理較為平直清晰。近東西向發(fā)育的斷裂為湟水河斷裂，影像上不十分明顯，其他斷裂主要為次級(jí)斷裂，分布較凌亂，對(duì)本區(qū)環(huán)境地質(zhì)影響較小。

2.3 水文地質(zhì)遙感調(diào)查

2.3.1 地表水解譯

調(diào)查區(qū)內(nèi)地表水主要有河流、水庫(kù)及坑塘。調(diào)查區(qū)地表水體主要以河流為主，其影像特征明顯，極易辨識(shí)。地表水除湟水河及其支流外，一些人工水域如水庫(kù)、坑塘在遙感影像上有清楚地顯示。

2.3.2 地下水解譯

綜合調(diào)查區(qū)內(nèi)已有水文地質(zhì)資料，通過(guò)遙感解譯對(duì)河谷平原區(qū)地下水補(bǔ)給、徑流和排泄條件進(jìn)行初步分析。調(diào)查區(qū)地下水補(bǔ)給來(lái)源有地表水下滲補(bǔ)給、大氣降水入滲補(bǔ)給、側(cè)向補(bǔ)給以及來(lái)之上游地下徑流補(bǔ)給等；排泄方式以人工開(kāi)采方式為主，其次為以地下徑流的形式向下游排泄，在部分基底隆起的河谷地段以泉水形式泄出補(bǔ)給河水。

河谷平原區(qū)松散巖類孔隙潛水是本區(qū)主要的地下水類型。主要分布于河漫灘及Ⅰ、Ⅱ級(jí)階地部位，含水層具雙層結(jié)構(gòu)，上部為松散的砂礫卵石層，下部為含泥沙卵石層[6]。含水層兩側(cè)及底部以古近系紅層為隔水邊界，地下水徑流通暢。

碎屑巖類孔隙水含水層為構(gòu)成山前丘陵的新近、古近系的紅色碎屑沉積，該地層夾多層透水性差的泥巖、石膏層巖。由圖像可以推斷一些相對(duì)隔水層的分布，沿山前坡麓和基巖殘山地帶分布的該層相對(duì)富水，其余地段有相對(duì)隔水層的分布。

塊狀巖類裂隙水主要分布于小峽口處，出露面積較小，該類含水層由加里東期中酸性侵入巖構(gòu)成，補(bǔ)給條件差，富水性一般。

2.3.3 控水構(gòu)造及其控水作用

本區(qū)近南北向及北北東向展布的斷裂，主要控制松散巖類孔隙水與碎屑巖類孔隙水的總體布局。

調(diào)查區(qū)內(nèi)湟水河斷裂和南川西岸斷裂切割了第三紀(jì)紅色沉積和第四紀(jì)黃土堆積，使河谷兩岸形成河川地貌，并使覆蓋在第三紀(jì)紅色巖系上面的黃土抬升到遠(yuǎn)離侵蝕基準(zhǔn)面的位置，加之黃土較強(qiáng)的透水性，使得黃土丘陵區(qū)嚴(yán)重缺乏水資源。

2.4 工程地質(zhì)遙感解譯

2.4.1 巖體類型及特征

巖體工程地質(zhì)類型劃分主要依據(jù)為：巖石建造類型、強(qiáng)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)、巖體的結(jié)構(gòu)構(gòu)造等。西寧市區(qū)基本烈度為Ⅶ度，屬現(xiàn)代地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)的基本穩(wěn)定區(qū)[7]。

參考前人的資料，在基礎(chǔ)地質(zhì)解譯的基礎(chǔ)上，根據(jù)區(qū)域巖性組合、構(gòu)造發(fā)育程度、風(fēng)化程度、地理地貌特征等的分析研究，調(diào)查區(qū)巖體類型以堅(jiān)硬塊狀巖漿巖和極軟弱層狀碎屑巖為主。

此次工程地質(zhì)遙感解譯使用的數(shù)據(jù)為做過(guò)融合處理的GF-2號(hào)真彩色影像。

（1）堅(jiān)硬塊狀巖漿巖：分布極少，主要為加里東期、燕山期的花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖及閃長(zhǎng)巖組成，在影像上層狀地質(zhì)體的層理或塊狀地質(zhì)體特征清晰。

（2）極軟弱層狀碎屑巖：分布面積為173.32km2。侏羅系砂泥巖主要露于湟水河兩岸中低山區(qū)，白堊系砂泥巖地層主要分布在小峽一帶。在影像上層狀地質(zhì)體的層理或塊狀地質(zhì)體特征較清晰，未風(fēng)化或微風(fēng)化。

表1 工程地質(zhì)類型面積統(tǒng)計(jì)表

2.4.2 土體類型及特征

土體廣泛分布于區(qū)內(nèi)山前沖洪積平原、寬谷平原，主要為洪沖積、風(fēng)積等細(xì)粒物質(zhì)，厚度一般在數(shù)十厘米—數(shù)米，結(jié)構(gòu)疏松，孔隙度大，壓縮性強(qiáng)，承載力低，是一種對(duì)工程不利的土體，但其多具雙層結(jié)構(gòu)，往往下伏砂礫石層。砂礫、卵石土分布于河谷地帶和沖洪積扇，沉積物顆粒粗細(xì)相間，結(jié)構(gòu)較致密，孔隙度較小。主要以砂礫石土和砂性土為主。

（1）黃土類土（粉土）：廣泛分布于丘陵區(qū)頂部，由黃土和黃土狀土組成。

（2）砂卵礫類土（礫石土）：分布在湟水河及其一級(jí)支流Ⅰ、Ⅱ階地與各支溝溝口，由晚全新世沖積、洪積砂卵礫石層組成。

（3）混雜堆積類土(粘性土)：分布于湟水河兩側(cè)低山丘陵邊緣陡坡地帶，以晚更新世與全新世殘積、坡積亞砂土或亞粘土層為主組成。

2.5 地質(zhì)災(zāi)害遙感解譯

西寧盆地工程地質(zhì)環(huán)境脆弱，內(nèi)動(dòng)力運(yùn)動(dòng)劇烈，河流侵蝕作用強(qiáng)，滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育[8]。查清西寧中心城區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型、規(guī)模、分布，對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)至關(guān)重要。地質(zhì)災(zāi)害解譯圈定了由人類活動(dòng)引起的地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)及其集中發(fā)育區(qū)，測(cè)量了地質(zhì)災(zāi)害體的展布方向和影響面積。

滑坡、古滑坡線性行跡均按影像圖上實(shí)際分布形態(tài)、大小或長(zhǎng)度予以標(biāo)注，過(guò)長(zhǎng)的泥石流溝在圈繪中對(duì)其剝蝕區(qū)、流通區(qū)有所省略。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的室內(nèi)研判，野外踏勘、對(duì)比分析解譯出崩塌3處，滑坡29處，泥石流8處，不穩(wěn)定斜坡39處。

2.5.1 崩塌、滑坡及其解譯標(biāo)志

由于滑坡體具有明顯的地貌及相關(guān)特征，如滑動(dòng)面、滑坡壁、滑坡周界、滑坡臺(tái)坎、滑坡裂縫等，所以應(yīng)用遙感圖像解譯滑坡，可以通過(guò)影像的紋理、色調(diào)、陰影等解譯標(biāo)志來(lái)判譯滑坡的分布、位置、面積和形態(tài)特征（圖4）。

崩塌、滑坡同屬斜坡變形現(xiàn)象，因此在形成環(huán)境和產(chǎn)生機(jī)理方面具相似性，其區(qū)別在于崩塌體組分具分離、傾斜翻轉(zhuǎn)、散堆于坡腳下的現(xiàn)象，而每次崩落物均離開(kāi)原有的裂面。在遙感圖像上顯示圖斑不規(guī)則、有粗糙感，崩塌面為陡壁，邊界呈淺色調(diào)弧形鋸齒狀細(xì)線、陡坎和塊石等標(biāo)志（圖5）。

2.5.2 不穩(wěn)定斜坡的遙感解譯

不穩(wěn)定斜坡多見(jiàn)較陡山坡，表面粗糙，植被蓋度極低或極不均勻，基巖巖層多順坡向產(chǎn)出，表面發(fā)育橫向微紋理，分布滾石或碎裂巖塊。影像上看，一些不穩(wěn)定斜坡隨剝蝕加劇，或水文地質(zhì)條件變化，較易轉(zhuǎn)化為滑坡或崩塌。本次調(diào)查在西寧地區(qū)共解譯出不穩(wěn)定斜坡39處。

圖4 滑坡遙感影像特征

圖5 崩塌遙感影像特征

2.5.3 泥石流的遙感解譯

形成面狀泥石流的黃土地區(qū)溝壑縱橫，植被已破壞，在影像上比較直觀，其堆積區(qū)易于判讀，間接標(biāo)志如農(nóng)田等規(guī)則地物被覆蓋、破壞。

潛在的泥石流一般溝口堆積扇不明顯，但補(bǔ)給區(qū)、流通區(qū)特征明顯[9]。

調(diào)查區(qū)的泥石流往往沿第三紀(jì)紅色碎屑巖、泥巖和第四紀(jì)黃土構(gòu)成的斜坡上，呈平行狀沖溝形式分布，在影像上泥石流的頂部呈弧形，山坡陡峻，色調(diào)深淺不一（圖6）。經(jīng)過(guò)室內(nèi)解譯和室外驗(yàn)證，西寧地區(qū)發(fā)育有泥石流溝8處。

圖6 泥石流遙感影像特征

3 討論與結(jié)論

（1）采用兩期的影像對(duì)調(diào)查區(qū)不同地區(qū)的階地對(duì)比分析，共解譯出四級(jí)階地，均分布在西寧市南川河、北川河和湟水河，對(duì)人類工程活動(dòng)的大規(guī)模改造所破壞的原始階地進(jìn)行了還原。

（2）本次工作解譯出南川河斷裂、北川河?xùn)|岸和西岸斷裂、湟水河斷裂等4條控制性斷裂。重新厘定了調(diào)查區(qū)內(nèi)地層分布，編繪了區(qū)域地質(zhì)圖，為野外工作提供了借鑒基礎(chǔ)。

（3）高分辨率遙感影像能反映災(zāi)害體的微地貌形態(tài)，可以用于識(shí)別地質(zhì)災(zāi)害體的邊界范圍、位置等重要信息。經(jīng)過(guò)綜合分析，區(qū)內(nèi)發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害類型主要為崩塌、滑坡、不穩(wěn)定斜坡。

綜上分析，利用高分辨率遙感影像提取西寧市范圍內(nèi)宏觀的基礎(chǔ)地質(zhì)、水文地質(zhì)，以及微觀的工程地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害等要素及其分布情況，補(bǔ)充了地面調(diào)查的不足，一定程度上指導(dǎo)了地面工作部署，是地質(zhì)調(diào)查、監(jiān)測(cè)手段中不可或缺的重要部分。