基于3S技術(shù)的庫(kù)區(qū)巖溶地質(zhì)研究
——以云南新莊水庫(kù)為例

周延國(guó)，宋紅克，吳國(guó)宏

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

采用現(xiàn)代GIS、遙感等空間技術(shù)并結(jié)合工程地質(zhì)分析原理和災(zāi)害評(píng)價(jià)分析相結(jié)合的手段研究庫(kù)區(qū)主要工程地質(zhì)問(wèn)題，尤其是庫(kù)區(qū)巖溶地質(zhì)問(wèn)題，對(duì)提高水庫(kù)工程地質(zhì)測(cè)繪、分析及研究工作的效率、工作質(zhì)量有很大的理論和實(shí)踐意義。

新莊水庫(kù)位于云南宜良縣境內(nèi)南盤江水系的二級(jí)支流馬蹄河上，水庫(kù)庫(kù)盆位于可溶巖地層中，溶蝕作用強(qiáng)烈，河谷兩岸巖溶洼地、落水洞、溶洞、巖溶泉等巖溶現(xiàn)象發(fā)育，水庫(kù)巖溶滲漏問(wèn)題復(fù)雜，為詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查驗(yàn)證和分析評(píng)估提供有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和工作重點(diǎn)索引，進(jìn)而為水庫(kù)巖溶滲漏評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐，利用3S技術(shù)研究分析了新莊水庫(kù)庫(kù)壩區(qū)巖溶地質(zhì)現(xiàn)象及問(wèn)題[1～2]。

1 研究工作方案及流程

以工程區(qū)落水洞、巖溶洼地等巖溶地質(zhì)現(xiàn)象，庫(kù)區(qū)地質(zhì)構(gòu)造分布，可溶性巖及非可溶性巖地層劃分，作為主要的研究對(duì)象，采用地形解譯、遙感圖像解譯和三維真彩色情景解譯相結(jié)合的多層次高精度解譯方法，解譯并完成給定區(qū)域的主要巖溶地質(zhì)分布圖，建立落水洞、巖溶洼地等不良地質(zhì)現(xiàn)象以及地層巖性(含覆蓋層)、斷層構(gòu)造信息，建立庫(kù)區(qū)綜合工程地質(zhì)GIS數(shù)據(jù)庫(kù)[3- 5]。

1.1 建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

(1)數(shù)據(jù)源：以2016年SPOT7影像數(shù)據(jù)為主要遙感信息源，如圖1所示。DEM數(shù)據(jù)采用現(xiàn)有地形數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字化提取生成，精度達(dá)到1∶1萬(wàn)；采用Landsat ETM影像作為輔助數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)巖溶、構(gòu)造及災(zāi)害進(jìn)行輔助解譯[6- 7]。

圖1 研究區(qū)域影像數(shù)據(jù)示意圖

(2)圖像處理：本次遙感圖像處理主要工作流程如圖2所示。

圖2 遙感圖像處理流程圖

1.2 解譯分析

在地形解譯、遙感影像解譯和三維真彩色情景解譯相結(jié)合的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)解譯分析巖溶等不良地質(zhì)現(xiàn)象，得到庫(kù)區(qū)不良地質(zhì)現(xiàn)象分布圖(分布位置、范圍、規(guī)模及邊界條件)；并對(duì)庫(kù)區(qū)內(nèi)的構(gòu)造展布、巖性分布、覆蓋層范圍等進(jìn)行重點(diǎn)解譯分析，完成庫(kù)區(qū)工程地質(zhì)GIS多源信息集成管理系統(tǒng)和三維真彩色演示瀏覽查詢系統(tǒng)。

2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析處理

2.1 地形分析

(1)DEM生成。DEM描述的是地面高程信息，它在測(cè)繪、水文、氣象、地貌、地質(zhì)、土壤、工程建設(shè)、通訊、軍事等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)以及人文和自然科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在地質(zhì)調(diào)查中，能夠提供直觀的三維地形信息，并為災(zāi)害的危險(xiǎn)性分區(qū)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

本次采用的基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)源為1∶1萬(wàn)地形圖，從中提取等高線及高程點(diǎn)，基于GIS系統(tǒng)，先通過(guò)插值算法獲取三角網(wǎng)模型TIN，然后在TIN算法基礎(chǔ)上采用線性、雙線性內(nèi)插法建成數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡(jiǎn)稱DEM)，如圖3所示。

圖3 新莊水庫(kù)DEM圖

(2)坡度分析。坡度在一定程度上決定了地貌、地質(zhì)災(zāi)害等工程地質(zhì)信息、水庫(kù)、河流、流域等水文地質(zhì)信息、植被類型、土地利用等環(huán)境地質(zhì)信息的分布，故獲取工作區(qū)的坡度圖能夠很好的輔助解譯工作。

(3)坡向分析。坡向指斜坡傾斜的方位角。坡向?qū)ε卸ɑ轮骰较?、植被生長(zhǎng)情況等有一定輔助作用，一般應(yīng)與坡度、DEM共同進(jìn)行輔助分析[7]。

(4)地形陰影。地形陰影是指通過(guò)模擬太陽(yáng)光照強(qiáng)度來(lái)展示地形的起伏效果，從而在二維地圖上展現(xiàn)出三維地表的形態(tài)。地形陰影中灰度值從0-255，表示光照值，光照值大就是高地，值小的是洼地。在DEM或影像圖中疊加地形陰影，可以更直觀地展現(xiàn)研究區(qū)的三維地形效果，更好地輔助解譯工作。

2.2 GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

在資料收集整理的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生和制作了與水庫(kù)地形地質(zhì)研究相關(guān)的數(shù)據(jù)，全部整理為統(tǒng)一的坐標(biāo)(WGS1984)的GIS數(shù)據(jù)格式的文件，基于GIS可視化平臺(tái)，在WGS1984投影坐標(biāo)系下，以DEM、地形陰影及遙感影像為基礎(chǔ)，疊加基礎(chǔ)地理資料、地質(zhì)資料等相關(guān)信息，建立工作區(qū)GIS可視化解譯系統(tǒng)，為遙感解譯工作提供綜合的分析平臺(tái)[8- 11]。

2.3 三維遙感影像解譯系統(tǒng)構(gòu)建

研究項(xiàng)目所建立的三維遙感影像解譯系統(tǒng)采用地理坐標(biāo)系為WGS1984，地形數(shù)據(jù)采用由等高線生成的DEM，遙感影像分別采用SPOT7影像數(shù)據(jù)建立對(duì)應(yīng)三維遙感影像解譯系統(tǒng)，用于進(jìn)行對(duì)比分析解譯，三維遙感影像解譯系統(tǒng)如圖4所示。

3 基本地質(zhì)條件解譯分析

3.1 地形地貌

利用DEM數(shù)據(jù)對(duì)調(diào)查區(qū)地形進(jìn)行分析，包括邊坡角分布分析、傾向分析、地形陰影分析，如圖5—7所示，由此可定量地了解岸坡的地勢(shì)狀況。通過(guò)分析可知，河流溝谷處坡度明顯較大，而西部區(qū)域因發(fā)育河流較多，坡度也普遍較陡。研究區(qū)域內(nèi)整體西部較陡，中南部和東北部地區(qū)較緩。

圖6 研究區(qū)域坡向圖

圖7 研究區(qū)域地形陰影圖

3.2 地層巖性

本次解譯主要基于地形紋理特征與影像色調(diào)特征，初步將研究區(qū)域的地層按可溶性劃分為可溶性巖與非可溶性巖。其中，可溶性巖主要包括各類灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽巖。在所有的巖石解譯中，碳酸鹽巖的解譯效果是比較好的，尤其是濕熱地區(qū)的石灰?guī)r，由于形成千奇百怪的巖溶地貌而易與其他巖石相區(qū)別。濕熱地區(qū)的石灰?guī)r常構(gòu)成獨(dú)特的巖溶地貌，如深切的狹谷，尖銳的山脊以及殘丘、峰林、溶蝕洼地、坡立谷、漏斗、落水洞、暗河等，這些地貌形態(tài)成為解譯石灰?guī)r的重要標(biāo)志。石灰?guī)r一般呈偏淺色調(diào)，但當(dāng)石灰?guī)r表面風(fēng)化呈褐色時(shí)，在航空像片上呈深色調(diào)。濕熱地區(qū)石灰?guī)r的溶蝕洼地、漏斗等被淋濾殘積土所充填，構(gòu)成斑點(diǎn)狀圖案，且多辟為耕地，成為石灰?guī)r的較重要解譯標(biāo)志之一[12- 13]。

波段的選擇主要考慮地物光譜特征差異，為了突出巖石、地質(zhì)構(gòu)造信息，選擇了Landsat- 7 ETM+衛(wèi)星的7(2.08-2.35μm)、5(1.55-1.75 μm)、1(0.45-0.52 μm)波段，并賦于紅、綠、藍(lán)彩色合成了假彩色圖像，經(jīng)與其它波段合成片對(duì)比，此圖像是最佳圖像見(jiàn)表1。

表1 ETM+各波段用途一覽表

經(jīng)解譯分析，碳酸鹽巖主要分布在研究區(qū)域的中部，其在ETM融合圖像上呈現(xiàn)灰色、淡黃色色調(diào)，植被也較發(fā)育，如圖8—9所示。碳酸鹽巖分布范圍以外，主要巖性均為非可溶性巖。

圖8 ETM融合圖像

圖9 碳酸鹽巖分布圖

3.3 地質(zhì)構(gòu)造

本區(qū)域內(nèi)及附近斷層解譯一般存在以下幾個(gè)要點(diǎn)：

(1)色調(diào)標(biāo)志：色調(diào)反差界面有明顯異常帶；

(2)地形地貌：兩種截然不同的地貌單元呈較長(zhǎng)的直線(或平滑曲線)相接，；山脊線、階地、夷平向、洪積扇等地貌要素的錯(cuò)動(dòng)；出現(xiàn)明顯的長(zhǎng)而直的線形負(fù)地形、包括斷層崖、斷層三角面、斷層埡口、斷層溝谷、斷裂裂口以及串珠狀盆地、洼地等[14]。如圖10—11所示。

圖10 典型的斷層構(gòu)造(地貌單元線性相接)

圖11 典型的斷層構(gòu)造(斷層三角面)

(3)地層巖性：沉積巖地區(qū)巖層的不對(duì)稱重復(fù)或缺失；巖性突變；地層、侵入體、巖脈或不整合接觸面被切斷或錯(cuò)開(kāi)；巖層產(chǎn)狀沿某方向發(fā)生突然變化；侵入體、巖脈、礦體、松散沉積物等呈帶狀或線狀分布。

(4)水系：河流、湖泊、沼澤等水體出現(xiàn)被切割或錯(cuò)移等現(xiàn)象；湖舊、沼澤等水體突然由寬變窄；出現(xiàn)斷頭河、對(duì)口河、釣鉤河等；一些河流或湖泊、海岸的岸界呈較長(zhǎng)的直線或折線狀；一系列河流在某條線上出現(xiàn)異常，例如數(shù)條河流沿某一方向同時(shí)發(fā)生彎折，或突然變寬或變窄，或在某區(qū)間均出現(xiàn)曲流，或沿某一方內(nèi)突然發(fā)牛下跌，形成瀑布等；湖泊、沼澤、濕地、泉水等呈線狀分布。如圖12所示。

圖12 為研究區(qū)域典型的斷層構(gòu)造(對(duì)口河)

(5)其他自然現(xiàn)象：侵入體、火山錐、植被等呈線狀分布。

4 巖溶地質(zhì)遙感解譯分析

4.1 溶蝕洼地

根據(jù)地質(zhì)等高線資料，進(jìn)行洼地分析，由研究區(qū)域等高線生成DEM文件，在ArcGIS中計(jì)算出DEM數(shù)據(jù)中的洼地區(qū)域[7]，如圖13所示，深色的區(qū)域是可能的洼地區(qū)域，并在三維系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確定巖溶洼地36處，洼地多分布于1750～1850m高程范圍內(nèi)，洼地面積達(dá)幾千平方米至數(shù)萬(wàn)平方米，并對(duì)其統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，典型的洼地如圖14所示。

圖13 洼地計(jì)算結(jié)果

圖14 三維系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比確認(rèn)洼地位置

4.2 落水洞

遙感影像中落水洞為呈深灰-灰黑色調(diào)的小圓斑，是地表通向地下深處的水流通道，它常直接出露于地面，但也常分布在溶蝕漏斗、溶蝕洼地、干谷和盲谷的底部。發(fā)育在充填堆積土的漏斗、溶蝕洼地底部的落水洞，往往無(wú)法直接觀察到小孔穴，主要是因?yàn)樗闹苌L(zhǎng)植被而把小孔穴遮擋。因此，在充填堆積土的漏斗、溶蝕洼地的底部看到灌木叢、小草叢，則可確定其為落水洞。落水洞一般沿著裂隙發(fā)育或發(fā)育在幾組節(jié)理相交處，受裂隙的形態(tài)所控制，通過(guò)遙感解譯確定落水洞25處，圖15為研究區(qū)域內(nèi)幾個(gè)典型的落水洞。圖16為研究區(qū)洼地、落水洞解譯分布。

圖15 研究區(qū)域典型的落水洞圖

4.3 庫(kù)壩區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)律

對(duì)本次研究區(qū)范圍內(nèi)的巖溶現(xiàn)象進(jìn)行了特征統(tǒng)計(jì)分析。得出以下結(jié)論：

(1)工程區(qū)域內(nèi)巖溶發(fā)育強(qiáng)烈，通過(guò)遙感解譯分析，庫(kù)區(qū)巖溶現(xiàn)象主要為溶蝕洼地和落水洞。溶蝕洼地多分布在平緩山頂部位，落水洞一般分布在洼地的邊緣基巖出露部位，構(gòu)成地表水下滲的通道。

表2 研究區(qū)域內(nèi)巖溶洼地統(tǒng)計(jì)表

圖16 研究區(qū)域洼地、落水洞分布

(2)巖性是巖溶發(fā)育的內(nèi)在因素，地層巖性控制了巖溶現(xiàn)象的分布，巖溶現(xiàn)象分布與可溶巖地層的走向基本一致。左岸區(qū)：由于可溶巖直接出露，巖溶現(xiàn)象最為發(fā)育，以溶蝕洼地和落水洞為主，并且一處洼地內(nèi)分布多個(gè)落水洞。右岸區(qū)巖溶現(xiàn)象發(fā)育較弱，巖溶洼地和溶洞等均極為少見(jiàn)。

(3)巖溶發(fā)育程度受巖石可溶性控制，可溶性越強(qiáng)，發(fā)育程度越強(qiáng)。實(shí)驗(yàn)表明，碳酸鹽類巖石的相對(duì)溶解度，與巖石中CaO/MgO比值密切相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，碳酸鹽類巖石溶解度，從大到小依次為：石灰?guī)r>白云巖>硅質(zhì)灰?guī)r>泥灰?guī)r。而在各種碳酸鹽類巖石互層情況下，巖溶發(fā)育取決于優(yōu)勢(shì)易溶巖石的含量。庫(kù)壩區(qū)的解譯整體如圖17所示。

圖17 研究區(qū)域解譯整體圖

5 結(jié)語(yǔ)

巖溶地質(zhì)是碳酸鹽地區(qū)一種常見(jiàn)的地質(zhì)現(xiàn)象，查清其數(shù)量和分布特征對(duì)工程建設(shè)具有重大意義。傳統(tǒng)的巖溶地質(zhì)調(diào)查工作量大、周期長(zhǎng)。本文以SPOT7圖像為主要信息源，在遙感圖像數(shù)字處理的基礎(chǔ)上，結(jié)合基于地學(xué)知識(shí)的圖像識(shí)別和解譯技術(shù)，對(duì)研究區(qū)巖溶地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行判譯及統(tǒng)計(jì)分析，最后形成巖溶地質(zhì)解譯成果圖，并探討了其發(fā)育規(guī)律，形成了一套“3S”技術(shù)在巖溶地質(zhì)勘察評(píng)價(jià)的應(yīng)用方法體系[15- 16]，提升巖溶地質(zhì)勘察遙感解譯技術(shù)應(yīng)用水平。實(shí)際應(yīng)用表明，“3S”技術(shù)可以節(jié)約地質(zhì)工作成本、提高地質(zhì)工作精度、讓巖溶地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)成果更加清晰，內(nèi)容更為直觀和豐富。