基于多源數(shù)據(jù)的伊阿鐵路工程地質(zhì)遙感解譯及選線

謝 猛

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055)

對(duì)于地形、地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)鐵路，控制線路方案的地質(zhì)因素較多[1-2]，加之在方案研究階段，工作區(qū)范圍往往較大，采用常規(guī)的地質(zhì)調(diào)查方法很難在短時(shí)間內(nèi)查明工作區(qū)地質(zhì)情況[3-4]。利用遙感技術(shù)可以快速、宏觀、全面地獲取某一區(qū)域的地質(zhì)信息，為方案研究提供可靠的地質(zhì)依據(jù)[5-6]。然而，常規(guī)的遙感解譯方法多局限于單一數(shù)據(jù)，缺少與地質(zhì)資料、地形資料的對(duì)比分析和綜合解譯，工作效率和準(zhǔn)確率不高。因此，有必要探索一種基于遙感數(shù)據(jù)、地質(zhì)資料、地形資料等多源數(shù)據(jù)的遙感解譯方法，開(kāi)展對(duì)比分析和綜合解譯，以提高遙感解譯的工作效率和準(zhǔn)確率。

1 工程概況

新建伊寧至阿克蘇鐵路(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“伊阿鐵路”)北起既有鐵路精霍線伊寧站，向南橫穿天山山脈進(jìn)入塔里木盆地北緣阿克蘇地區(qū)，全長(zhǎng)約520 km。線路穿越天山的高山、極高山區(qū)，海拔3 500～5 200 m，河流下切作用強(qiáng)烈，兩岸地形陡峻，山谷呈“V”形，泥石流、滑坡、崩塌、危巖、落石等不良地質(zhì)發(fā)育，極高山區(qū)遍布常年積雪和冰川，自然環(huán)境惡劣。

(1)地質(zhì)構(gòu)造

線路穿越兩個(gè)二級(jí)大地構(gòu)造單元，北部為中南天山褶皺系，三級(jí)構(gòu)造單元為伊犁凹陷盆地和南天山冒地槽褶皺帶；南部為塔里木地臺(tái)，三級(jí)構(gòu)造單元為塔里木中-新生代凹陷盆地。區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)具有差異性、間歇性等特點(diǎn)，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。

(2)地層

線路穿越中南天山與塔里木兩大地層分區(qū)，沿線地層主要包括第四系、第三系、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系地層和侵入巖等。

(3)氣象

測(cè)區(qū)屬于溫帶大陸性氣候區(qū)，受天山山脈影響，南北疆氣候差異尤為明顯。北疆地區(qū)春季溫暖，夏季炎熱少雨，秋季涼爽，冬季寒冷，具有濕潤(rùn)大陸性中溫帶氣候特征；南疆地區(qū)降水稀少，氣候干燥，冬季寒冷，夏季涼爽，晝夜溫差大，屬溫帶大陸性干旱氣候；南天山地區(qū)降雨隨海拔升高略有增多，冬季寒冷、多風(fēng)，晝夜溫差大，兼具中溫帶亞干旱氣候區(qū)及暖溫帶干旱氣候區(qū)的特征。

(4)地震動(dòng)參數(shù)

沿線地震動(dòng)峰值加速度為0.10～0.30g，地震基本烈度為Ⅶ～Ⅷ度。

2 工作方法

地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和不良地質(zhì)是控制伊阿鐵路方案比選的主要因素。采用基于遙感數(shù)據(jù)、地質(zhì)資料、地形資料等多源數(shù)據(jù)的工程地質(zhì)遙感解譯方法，對(duì)工作區(qū)地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和不良地質(zhì)進(jìn)行解譯，提出工程地質(zhì)遙感評(píng)價(jià)及選線建議，為方案研究提供地質(zhì)依據(jù)。工作方法及流程如圖1所示。

圖1 工作方法及流程

3 收集資料

收集資料包括三大類(lèi)：遙感資料、地質(zhì)資料和地形資料。

3.1 遙感資料

根據(jù)工作區(qū)工程地質(zhì)特點(diǎn)，方案研究階段的遙感資料應(yīng)滿足地形地貌、宏觀地質(zhì)構(gòu)造以及大、中型不良地質(zhì)的解譯要求。收集的遙感資料如下。

(1)GF-1遙感數(shù)據(jù)

空間分辨率：4波段多光譜8 m，全色2 m；獲取時(shí)間：2016～2017年。

(2)SPOT 6/7遙感數(shù)據(jù)

空間分辨率：4波段多光譜6 m，全色1.5 m；獲取時(shí)間：2016～2017年。

(3)Landsat 8 OLI /TIRS遙感數(shù)據(jù)

空間分辨率：8波段多光譜30 m，熱紅外100 m，全色15 m；獲取時(shí)間：2016年。

根據(jù)解譯目的及數(shù)據(jù)特點(diǎn)，對(duì)收集到的遙感數(shù)據(jù)有選擇地進(jìn)行輻射校正、幾何校正、圖像配準(zhǔn)、圖像增強(qiáng)、圖像融合等處理[7-8]。經(jīng)測(cè)試和對(duì)比分析，對(duì)于GF-1和SPOT 6/7遙感數(shù)據(jù)，將多光譜數(shù)據(jù)及全色數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，有利于目視解譯[9-10]；對(duì)于Landsat 8 OLI/TIRS遙感數(shù)據(jù)，選擇多光譜數(shù)據(jù)的7、4、1波段進(jìn)行組合，再與全色數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，有利于地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)的解譯[11-12]。

3.2 地質(zhì)資料

(1)1∶20萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)圖及報(bào)告。

(2)新疆維吾爾自治區(qū)區(qū)域地質(zhì)志(含1∶150萬(wàn)地質(zhì)圖)。

(3)新疆地質(zhì)構(gòu)造-建造圖說(shuō)明書(shū)(含1∶200萬(wàn)地質(zhì)圖)。

3.3 地形資料

地形資料包括METI/NASA發(fā)布的ASTER GDEM 數(shù)據(jù)(空間分辨率為30 m)、不同比例的地形圖等。ASTER GDEM數(shù)據(jù)經(jīng)DEM 融合、高程基準(zhǔn)偏移、重采樣處理，以滿足工程地質(zhì)遙感解譯要求[13-14]。

3.4 多源數(shù)據(jù)集成

為了便于各類(lèi)資料的對(duì)比分析和綜合解譯，提高工程地質(zhì)遙感解譯的準(zhǔn)確率，將處理后的遙感數(shù)據(jù)、地質(zhì)資料、地形資料等多源數(shù)據(jù)進(jìn)行集成[15]，建立統(tǒng)一坐標(biāo)系的工程地質(zhì)遙感解譯平臺(tái)。

4 地貌解譯

工作區(qū)地貌類(lèi)型主要包括流水地貌、風(fēng)蝕地貌、冰川地貌三大類(lèi)。對(duì)于地貌類(lèi)型復(fù)雜的區(qū)域，很難直接從遙感圖像的色調(diào)及紋理差異上劃分出不同的地貌類(lèi)型，而DEM則可以根據(jù)高程變化信息來(lái)提取地貌邊界。將處理后的遙感圖像與DEM疊加，實(shí)現(xiàn)地形地貌的立體解譯，同時(shí)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，建立工作區(qū)地形地貌的解譯標(biāo)志。

4.1 流水地貌

(1)洪積扇

洪積扇主要分布在山前溝口地帶，空間位置和扇狀形態(tài)是其主要解譯標(biāo)志。扇頂植被不發(fā)育，扇前(緣)的潛水溢出帶形成弧線形的外緣線。圖2為區(qū)內(nèi)兩處典型的洪積扇。

圖2 洪積扇GF-1遙感圖像(疊加DEM)

(2)河床

可根據(jù)遙感圖像上河床中水流所呈現(xiàn)的條帶狀影像判定河床的位置。山區(qū)河流的河床較狹窄，平面形態(tài)較平直，河谷深切；流經(jīng)山間盆地的河流，往往河床變寬，且河曲發(fā)育，遙感圖像上可見(jiàn)牛軛湖、迂回扇等河床遷移等標(biāo)志。平原區(qū)河流的河床多呈曲流型或蜿蜒型。圖3為伊犁河，河床蜿蜒曲折，多次改道，形成數(shù)個(gè)牛軛湖。

圖3 河床Landsat 8遙感圖像

(3)河流階地

河流階地位于河谷兩側(cè)，可通過(guò)遙感圖像上其錯(cuò)落有序的階梯狀地形進(jìn)行判別。較新的階地一般位于河床附近，階面形態(tài)平整，耕地、樹(shù)木較多；老的階地位于較高地段，階面支離破碎，不完整。確定各級(jí)階地之間的界線時(shí)，相鄰階地之間的陡坎是重要的解譯標(biāo)志。圖4為特克斯河，河床寬而淺，水流散亂，白色區(qū)域?yàn)楹勇?，各?jí)階地之間的界線明顯。

圖4 河流階地GF-1遙感圖像

4.2 風(fēng)蝕地貌

(1)巖漠

巖漠一般位于干旱地區(qū)高山邊緣的低山地帶，地表起伏，基巖裸露，植被稀少，主要通過(guò)遙感圖像上其粗糙的紋形進(jìn)行辨認(rèn)。圖5為天山南麓的一處巖漠，由于長(zhǎng)期遭受強(qiáng)烈的風(fēng)蝕作用，地表基巖裸露，巖石表層可見(jiàn)剝落或崩解現(xiàn)象，幾乎無(wú)植被覆蓋，景色荒涼。

圖5 巖漠SPOT-6/7遙感圖像

(2)礫漠

礫漠又稱(chēng)“戈壁”，地表平坦，幾乎完全被礫石和石塊所覆蓋，一般分布在山麓處，水文網(wǎng)多為暫時(shí)性水流，且切割不深，植被稀少，呈斑點(diǎn)狀分布。

4.3 冰川地貌

(1)山谷冰川

山谷冰川多位于山間低洼處，受地形限制，遙感圖像上表現(xiàn)為特殊的條帶狀紋理、舌狀前緣，色調(diào)為近于白色的淺色調(diào)，其解譯標(biāo)志穩(wěn)定，易于辨認(rèn)。圖6為區(qū)內(nèi)的一條山谷冰川，多條冰川匯合成一條冰川，沿山谷流動(dòng)，形似一條冰凍的河流。

圖6 山谷冰川Landsat 8遙感圖像

(2)冰斗

冰斗位于冰川的上部，多發(fā)育在陰坡上雪線附近，呈半圓形的劇場(chǎng)狀或圈椅狀，三面為環(huán)狀陡峭巖壁，開(kāi)口處為一高起的巖檻，底部為洼地。圖7為一處冰斗，呈圈椅狀，三面為峭壁，頂部為角峰，側(cè)壁向下為刃脊。

圖7 冰斗SPOT-6/7遙感圖像(疊加DEM)

(3)冰斗湖

冰斗湖位于冰川作用地區(qū)雪線附近的高山中，面積不大，一般三面為陡峻的山坡，另一側(cè)平緩開(kāi)口。圖8為幾處不同高度上的冰斗湖，由于雪線升高，遺留下來(lái)的老冰斗積水形成冰斗湖。

圖8 冰斗湖SPOT-6/7遙感圖像(疊加DEM)

5 地質(zhì)構(gòu)造解譯

遙感圖像能夠宏觀、真實(shí)地反映地質(zhì)構(gòu)造的行跡，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，可以快速、準(zhǔn)確地確定構(gòu)造的類(lèi)型、位置和性質(zhì)。首先，對(duì)Landsat 8 OLI /TIRS多光譜遙感圖像進(jìn)行假彩色合成，突出地質(zhì)構(gòu)造信息，結(jié)合收集到的區(qū)域地質(zhì)資料，進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造解譯。然后，利用經(jīng)融合處理后的GF-1和SPOT 6/7遙感圖像，進(jìn)行小型地質(zhì)構(gòu)造的解譯及具體位置的細(xì)化。將遙感圖像與DEM疊加，可以實(shí)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造的立體解譯。

5.1 斷裂構(gòu)造

遙感圖像上斷裂兩側(cè)地質(zhì)體的色調(diào)和紋理一般有差異，沿?cái)嗔哑扑閹П憩F(xiàn)為不同寬度的色線或色帶。圖9為區(qū)內(nèi)一條活動(dòng)斷裂。通過(guò)多角度的立體觀察，可見(jiàn)斷裂兩側(cè)的地貌單元有明顯差異，并伴有長(zhǎng)距離階地的錯(cuò)斷；山前洪積扇的前緣整體被切成直線，坡面沖刷形成的一系列小型洪積扇沿?cái)嗔殉示€狀排列，斷裂的解譯標(biāo)志明顯。

圖9 活動(dòng)斷裂GF-1遙感圖像(疊加DEM)

5.2 褶曲構(gòu)造

褶曲構(gòu)造在遙感圖像上的色調(diào)和紋理呈對(duì)稱(chēng)式分布，或平面呈現(xiàn)橢圓狀、環(huán)狀、藕節(jié)狀、弧狀、“之”形的色帶或影紋(如圖10)。

圖10 褶曲構(gòu)造Landsat 8遙感圖像

6 不良地質(zhì)解譯

對(duì)于泥石流、滑坡、崩塌、危巖、落石等具有空間特征的不良地質(zhì)，僅從平面遙感圖像上一般不易判斷。將遙感圖像與DEM疊加，對(duì)地形地貌進(jìn)行虛擬再現(xiàn)，不僅可以從形態(tài)上進(jìn)行識(shí)別，而且能夠從地貌特征及空間多角度進(jìn)行綜合解譯，從而提高解譯的準(zhǔn)確率。

6.1 泥石流

工作區(qū)內(nèi)泥石流溝的形態(tài)較為典型，遙感圖像上泥石流溝的形成區(qū)、流通區(qū)和沉積區(qū)特征明顯。圖11為區(qū)內(nèi)一處典型的泥石流溝，沉積區(qū)形成的洪積扇植被覆蓋率較高，且有一條道路位于其上，表明該泥石流形成時(shí)期較早，洪積物較為穩(wěn)定。

圖11 泥石流GF-1遙感圖像(疊加DEM)

圖12為一處新形成的泥石流，形成區(qū)平面呈瓢形，山坡陡峻，巖體破碎，松散物豐富；流通區(qū)可見(jiàn)坡面滾石；沉積區(qū)為扇形洪積物堆積，無(wú)植被覆蓋，可見(jiàn)眾多漫流狀溝槽，表明該泥石流仍在發(fā)展。

圖12 泥石流GF-1遙感圖像(疊加DEM)

6.2 滑坡

滑坡的平面形態(tài)多呈簸箕形、舌形或梨形。在GF-1和SPOT 6/7遙感圖像上可見(jiàn)到滑坡壁、滑坡臺(tái)階、滑坡舌、滑坡裂縫等微地貌形態(tài)。區(qū)內(nèi)滑坡多發(fā)育在峽谷中的緩坡、分水嶺的陰坡、侵蝕基準(zhǔn)面急劇變化的主溝與支溝交匯處及其溝頭等處。圖13為區(qū)內(nèi)的幾處滑坡，位于緩坡的坡腳處，滑坡體上植被稀疏，色調(diào)與周邊存在顯著差異，局部可見(jiàn)新生沖溝。

圖13 滑坡GF-1遙感圖像(疊加DEM)

6.3 崩塌、危巖體

崩塌位于陡峻的山坡地段，上陡下緩，輪廓線明顯；崩塌體堆積在谷底或斜坡平緩地段，表面坎坷不平，影像具粗糙感。危巖體多發(fā)育在節(jié)理發(fā)育的硬質(zhì)巖地區(qū)，位于陡壁上，遙感圖像上色調(diào)反差較大，陰影明顯，其下有時(shí)可見(jiàn)星點(diǎn)狀落石分布，見(jiàn)圖14。

圖14 崩塌、危巖體GF-1遙感圖像(疊加DEM)

7 成果應(yīng)用

7.1 遙感解譯成果應(yīng)用

在遙感解譯的基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，重點(diǎn)對(duì)線路方案有影響和對(duì)解譯過(guò)程中有疑問(wèn)的地質(zhì)體或地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行外業(yè)調(diào)查驗(yàn)證，進(jìn)一步豐富和完善了解譯標(biāo)志。根據(jù)建立的解譯標(biāo)志，開(kāi)展全區(qū)范圍內(nèi)的遙感解譯，共解譯斷裂985條(含活動(dòng)斷裂46條)，泥石流1103處，滑坡932處，崩塌534處，危巖體124處。在此基礎(chǔ)上，繪制工作區(qū)地貌分區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)分布等遙感專(zhuān)題圖件。

7.2 遙感評(píng)價(jià)及選線建議

根據(jù)遙感解譯成果，對(duì)重點(diǎn)段落提出工程地質(zhì)遙感評(píng)價(jià)及選線建議如下。

(1)AK80+600-AK110+000

線路走行于烏孫山南麓的洪積扇邊緣，受活動(dòng)斷裂影響，泥石流形成的洪積扇穩(wěn)定性差。建議方案出隧道后跨越特克斯河，走行于特克斯河南側(cè)。

(2)AK210+000-AK260+000(哈爾克山隧道進(jìn)口至南天山隧道進(jìn)口段)

東、中、西三大走向方案均走行于深切峽谷之中，泥石流、崩塌等不良地質(zhì)發(fā)育。西線方案受冰川作用影響，東線方案穿越第三紀(jì)地層，巖性多為軟弱碎屑巖，滑坡等不良地質(zhì)較為發(fā)育。因此，中線方案優(yōu)于西線方案和東線方案。從遙感圖像上看，中線方案溝谷內(nèi)泥石流沉積區(qū)的扇形洪積物較穩(wěn)定，不控制線路方案。建議線路盡可能走行在泥石流沉積區(qū)的上游，以橋梁形式跨越。

(3)AK260+000-AK320+000(南天山隧道進(jìn)口至哈爾克山南麓段)

東、中、西三大走向方案均以隧道形式穿越哈爾克山主峰。隧道進(jìn)口崩塌發(fā)育，隧道出口泥石流、崩塌等不良地質(zhì)發(fā)育。線路出隧道后，東、中兩方案均走行于深切狹谷之中，不利于線路平面優(yōu)化，而西方案走向于較為寬闊的溝谷之中，有利于線路平面優(yōu)化，且隧道長(zhǎng)度較短，因此，從工程地質(zhì)遙感角度，西線方案優(yōu)于中線方案和東線方案。

(4)AK320+000-AK370+000

線路走行于天山南麓的洪積扇內(nèi)，為巖漠和礫漠風(fēng)蝕地貌區(qū)，且穿越區(qū)域性活動(dòng)斷裂，工程地質(zhì)條件較差。

(5)AK380+000-AK410+000

線路走行于洪積扇、礫漠區(qū)，且穿越褶曲構(gòu)造帶，工程地質(zhì)條件較差。

8 結(jié)論

(1)對(duì)于地形、地質(zhì)條件復(fù)雜的山區(qū)鐵路，采用基于多源數(shù)據(jù)的工程地質(zhì)遙感解譯方法，可以快速獲取選線所需的各類(lèi)工程地質(zhì)信息，有效提高方案研究的效率和質(zhì)量。

(2)遙感數(shù)據(jù)處理前，應(yīng)根據(jù)解譯目的和遙感數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，開(kāi)展測(cè)試和對(duì)比分析，選擇恰當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，以滿足工程地質(zhì)遙感解譯要求。

(3)采用基于多源數(shù)據(jù)的工程地質(zhì)遙感解譯方法，將收集到的遙感資料、地質(zhì)資料和地形資料進(jìn)行集成，通過(guò)多源數(shù)據(jù)的對(duì)比分析和綜合解譯，可以有效提高工程地質(zhì)遙感解譯的準(zhǔn)確率。

(4)根據(jù)遙感解譯成果，可以繪制工作區(qū)地貌分區(qū)、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)分布等各類(lèi)遙感專(zhuān)題圖件，進(jìn)而提出方案工程地質(zhì)遙感評(píng)價(jià)意見(jiàn)及選線建議，為方案研究提供地質(zhì)依據(jù)。