遙感解譯在川藏鐵路昌都至林芝段的應(yīng)用研究

路瀚，孫海龍，周明霞，李進(jìn)

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球物理與空間信息學(xué)院，武漢 430074；2.中國冶金地質(zhì)總局西北地質(zhì)勘查院，西安 710119；3.吉林省煤炭地質(zhì)調(diào)查總院,長春 130033;4.西安星火地探遙感科技有限公司,西安 710016)

0 引言

遙感技術(shù)是20世紀(jì)70年代迅速發(fā)展起來的一門綜合性探測技術(shù)，經(jīng)過30多年的發(fā)展，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于資源環(huán)境調(diào)查與監(jiān)測、軍事、地質(zhì)調(diào)查和城市規(guī)劃等多個(gè)領(lǐng)域。究其原因，在于遙感技術(shù)具有客觀性、時(shí)效性、宏觀性、綜合性與經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)。

遙感影像具有覆蓋范圍廣、獲取速度快、信息量豐富等特點(diǎn)，因而在資源、環(huán)境、地質(zhì)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-6]。通過多波段遙感圖像綜合分析、對比及解譯，結(jié)合數(shù)字圖像處理技術(shù)，能快速識別公路、鐵路等線路工程中包括地質(zhì)災(zāi)害在內(nèi)的各種工程及地質(zhì)信息，定性或定量地預(yù)測滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)展趨勢、活動頻度、變化規(guī)律，科學(xué)地評價(jià)工程地質(zhì)條件及區(qū)域地質(zhì)環(huán)境[7-12]，有效地指導(dǎo)線路工程勘察及設(shè)計(jì)工作，彌補(bǔ)常規(guī)地面調(diào)查勞動強(qiáng)度大、工期長、花費(fèi)大等不足。

遙感解譯圖像能夠真實(shí)、準(zhǔn)確、直觀地表現(xiàn)出地殼運(yùn)動的構(gòu)造形跡和空間格架，為區(qū)域構(gòu)造地質(zhì)研究和填圖提供了多層次、多尺度和多信息源的構(gòu)造圖像。在遙感圖像的地質(zhì)解譯中，斷裂構(gòu)造解譯效果最好，能夠從淺表層到深部、從靜態(tài)到動態(tài)、從單一信息到多學(xué)科信息對區(qū)域構(gòu)造進(jìn)行綜合分析。

1 研究意義

2018年9月，中國鐵路總公司召開川藏鐵路雅安至林芝段預(yù)可行性研究評審會；10月，習(xí)近平主持召開中央財(cái)經(jīng)委員會第三次會議，全面啟動川藏鐵路規(guī)劃建設(shè)。

川藏鐵路是連接四川省與西藏自治區(qū)的快速鐵路，呈近東西走向，為第二條進(jìn)藏鐵路，也是西南地區(qū)的干線之一。川藏鐵路東起成都，經(jīng)雅安后穿過二郎山隧道進(jìn)入甘孜藏族自治州；經(jīng)康定、理塘、白玉后跨過金沙江，進(jìn)入西藏自治區(qū)貢覺、昌都、波密、林芝至拉薩，全長1514 km，圖1為川藏鐵路昌都至林芝(簡稱“CD-LZ”)段線路圖。

圖1 川藏鐵路CD-LZ段線路圖

川藏鐵路是西藏自治區(qū)對外運(yùn)輸通道的重要組成部分，對于完善西藏鐵路網(wǎng)結(jié)構(gòu)、改善沿線交通基礎(chǔ)設(shè)施條件、促進(jìn)西藏經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展、增進(jìn)中華民族團(tuán)結(jié)具有重要意義。對促進(jìn)四川西部、青藏高原東部地區(qū)交通不便的城鎮(zhèn)和四川省內(nèi)甘孜、阿壩等少數(shù)民族自治州經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展具有十分重要的意義。川藏鐵路建設(shè)，是促進(jìn)民族團(tuán)結(jié)、維護(hù)國家統(tǒng)一、鞏固邊疆穩(wěn)定的需要，是促進(jìn)西藏經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需要，是貫徹落實(shí)黨中央治藏方略的重大舉措。

通過遙感工程地質(zhì)解譯和野外調(diào)查，全面查明路線方案走廊帶的工程地質(zhì)條件，重點(diǎn)查清影響主要橋梁和隧道工程的地質(zhì)因素，為路線工程地質(zhì)條件評價(jià)、路線方案走向和比選及工程設(shè)置提供地質(zhì)依據(jù)。

本次遙感解譯范圍及比例尺：①利用衛(wèi)星圖像對各路線方案走廊帶進(jìn)行1∶10 000遙感解譯，1∶10 000解譯范圍為擬建路線兩側(cè)各2 km、明線段范圍；②利用衛(wèi)星圖像對各路線方案走廊帶進(jìn)行1∶50 000遙感解譯，解譯范圍為擬建路線兩側(cè)各15 km。

2 基本方法

遙感解譯即為從遙感圖像中識別和提取某種影像，賦予特定的屬性和內(nèi)涵以及測量特征參數(shù)的專業(yè)化過程。

以遙感資料為信息源，以地質(zhì)體、地質(zhì)構(gòu)造和地質(zhì)現(xiàn)象對電磁波譜響應(yīng)的特征影像為依據(jù)，通過圖像解譯提取地質(zhì)信息，測量地質(zhì)參數(shù)，填繪地質(zhì)圖件和研究地質(zhì)問題的過程(行為)。遙感數(shù)據(jù)的收集，它包括遙感數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù)和地質(zhì)資料的收集，是遙感地質(zhì)調(diào)查工作的基礎(chǔ)。

本次研究采用計(jì)算機(jī)綜合解譯，解譯前熟悉已有地質(zhì)資料，再結(jié)合遙感影像圖進(jìn)行資料綜合對比分析，建立解譯標(biāo)志，然后在ArcGIS平臺上依據(jù)遙感影像解譯標(biāo)志進(jìn)行解譯，勾繪巖性分界線、斷裂構(gòu)造等。解譯過程中遵循先從地質(zhì)條件簡單、地質(zhì)研究程度高和地質(zhì)資料豐富的地區(qū)開始，再延到地質(zhì)條件復(fù)雜、地質(zhì)研究程度低和地質(zhì)資料較少的地區(qū)；從區(qū)域性宏觀解譯逐漸向局部性微觀問題過渡；從直觀信息提取逐漸向隱晦信息提取過渡，遵循循序漸進(jìn)、反復(fù)解譯的原則。

3 技術(shù)方法

3.1 遙感解譯內(nèi)容

本次研究遙感解譯內(nèi)容主要包括6個(gè)方面。

(1)地形地貌：①地貌類型、成因及分區(qū)界線；②地貌與地層和地質(zhì)構(gòu)造之間的關(guān)系；③地貌個(gè)體特征、組合關(guān)系及分布規(guī)律。

(2)地層巖性：①參照已有地質(zhì)資料確定地層、巖性和巖層產(chǎn)狀；②巖性和地層的劃分必須遵循從宏觀到微觀的原則，從界到組，按工程地質(zhì)條件以組劃分，厚度可根據(jù)分辨率和地質(zhì)學(xué)解譯進(jìn)行推斷；對路線區(qū)域有影響的巖性和地層進(jìn)行勾繪。

(3)地質(zhì)構(gòu)造：①斷裂的位置、規(guī)模、走向及性質(zhì)，判斷斷裂破碎帶的寬度；②斷裂與路線的關(guān)系；③褶皺類型、軸線走向、長度和傾覆方向。

(4)水文地質(zhì)：①大型泉水點(diǎn)或泉群出露位置和范圍；②地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄、分布范圍及相關(guān)關(guān)系。

(5)不良地質(zhì)：①圈定活動斷裂、滑坡、泥石流、崩塌、溜砂坡及巖堆不良地質(zhì)范圍；②研究不良地質(zhì)現(xiàn)象或潛在不良地質(zhì)現(xiàn)象的分布規(guī)律，分析其產(chǎn)生原因、危害程度、發(fā)展趨勢及其與路線之間的關(guān)系。

(6)第四紀(jì)地質(zhì)：①圈定第四紀(jì)坡積、崩積、沖積、洪積、河漫灘、河流階地等地貌范圍；②分析地貌與巖性、地層和地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系；③第四紀(jì)地質(zhì)的分布與路線之間的關(guān)系。

3.2 技術(shù)路線

采用遙感信息分析、工程地質(zhì)遙感解譯和野外驗(yàn)證相結(jié)合的方法，以GF-2+Landsat-8圖像信息為依據(jù)，以計(jì)算機(jī)信息提取為手段，以工程地質(zhì)遙感解譯、野外實(shí)地驗(yàn)證及鐵路工程地質(zhì)綜合分析為重點(diǎn)，對路線走廊帶的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、不良地質(zhì)及特殊地質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行全面的工程地質(zhì)條件解譯和調(diào)查驗(yàn)證，為路線方案優(yōu)選和工點(diǎn)布設(shè)提供詳實(shí)的工程地質(zhì)資料，具體技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線框圖

3.3 工作方法

3.3.1 收集基礎(chǔ)資料

主要包括路線走廊帶區(qū)域地質(zhì)調(diào)查資料(1∶200 000、1∶250 000)、區(qū)域水文地質(zhì)調(diào)查資料(1∶1000 000)及路線工程地質(zhì)調(diào)查資料的收集(川藏公路沿線重點(diǎn)病害地段整治調(diào)查報(bào)告；1∶500 000川藏公路沿線地質(zhì)災(zāi)害工程地質(zhì)調(diào)查報(bào)告；川藏公路病害整治工程可行性研究總報(bào)告；1∶50 000 G0613線和G4218線邦達(dá)機(jī)場至邦達(dá)兵站、林芝市公路遙感工程地質(zhì)調(diào)查報(bào)告)。

遙感數(shù)據(jù)包括：Landsat-8 OLI_TIRS數(shù)據(jù)和高分二號(GF-2)數(shù)據(jù)，Landsat-8 OLI_TIRS數(shù)據(jù)一共有11個(gè)波段，其中波段1～7、9為可見光波段，空間分辨率為30 m；波段8為全色波段，分辨率為15 m；波段10～11為熱紅外波段，空間分辨率為100 m。路線方案跨Landsat-8 OLI_TIRS數(shù)據(jù)共6景，軌道號分別為133/39、133/40、134/39、134/40、135/39、135/40，各景數(shù)據(jù)獲取時(shí)間及云量情況見表1。衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)清晰，僅在雪線以上有雪蓋區(qū)，云層覆蓋部分地區(qū)基本無干擾條帶，數(shù)據(jù)質(zhì)量好，滿足本次工程地質(zhì)遙感解譯的需要。

表1 路線走廊帶Landsat-8圖像數(shù)據(jù)參數(shù)一覽表

高分二號衛(wèi)星數(shù)據(jù)搭載有2臺高分辨率1.0 m全色、4.0 m多光譜相機(jī)，包括藍(lán)、綠、紅和近紅外4個(gè)波段，光譜范圍分別為0.45～0.52 μm，0.52～0.59 μm，0.63～0.69 μm，0.77～0.89 μm。星下點(diǎn)空間分辨率可達(dá)0.8 m。路線走廊帶內(nèi)共141景(圖3)。衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)清晰，滿足本次遙感地質(zhì)解譯需要。

圖3 GF-2遙感數(shù)據(jù)分布圖

3.3.2 遙感圖像處理與制作

本次遙感影像圖制作選取多光譜數(shù)據(jù)3、2、1波段組合，再將合成圖像與全色波段進(jìn)行融合處理。該方案既能較好反映地層巖性，又能較好反映地質(zhì)災(zāi)害體及地貌類型邊界。采用幾何精校正、色彩匹配、圖像鑲嵌等方法完成影像圖制作，通過巖性及構(gòu)造信息增強(qiáng)處理實(shí)現(xiàn)巖石類型或類型組合的提取。通過DEM提取地形直觀反映地形地貌的變化、微地貌線性特征變化和斷裂帶的存在。

影像信息增強(qiáng)處理包括以背景影像圖制作為目的和以計(jì)算機(jī)自動信息提取為目的兩種。前者包括反差增強(qiáng)、邊緣增強(qiáng)、彩色增強(qiáng)及彩色變換增強(qiáng)(數(shù)據(jù)融合)，后者需進(jìn)行多種圖像處理(如比值運(yùn)算、差值運(yùn)算及主成分分析等)，保留主要信息，最大限度地減少波段的相關(guān)性，將圖像恢復(fù)到RGB彩色空間，達(dá)到增強(qiáng)或提取有用信息的目的。

3.3.3 野外調(diào)查與驗(yàn)證

對解譯成果進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查與驗(yàn)證并補(bǔ)充修改，對尚未確定的地層界線、巖性界線及對路線有影響斷裂構(gòu)造進(jìn)行100%的野外驗(yàn)證。重點(diǎn)對活動斷裂構(gòu)造開展調(diào)查驗(yàn)證，獲取影像上無法得到的信息，如地層厚度和巖層產(chǎn)狀等。對不良地質(zhì)抽取10%的初步解譯成果進(jìn)行驗(yàn)證，對路線附近的大中型不良地質(zhì)點(diǎn)開展100%的野外驗(yàn)證及進(jìn)一步調(diào)查。為確保遙感解譯成果的準(zhǔn)確性，野外調(diào)查中參照了奧維互動地圖，對規(guī)模較小的地質(zhì)體、不良地質(zhì)現(xiàn)象驗(yàn)證效果較好。

3.3.4 綜合解譯

根據(jù)初步解譯和野外調(diào)查與驗(yàn)證的成果，對路線走廊帶的地貌、地層巖性、構(gòu)造、水文地質(zhì)、不良地質(zhì)及特殊地質(zhì)進(jìn)行重新解譯與圈定，使解譯成果更全面、準(zhǔn)確地反映工程地質(zhì)條件和地質(zhì)狀況。

3.3.5 編制解譯成果圖件

在室內(nèi)解譯的基礎(chǔ)上，通過野外調(diào)查和驗(yàn)證、補(bǔ)充和修改后，提交最終的遙感解譯成果系列圖，主要包括1∶10 000、1∶50 000遙感工程地質(zhì)解譯圖及地貌圖、地層分區(qū)圖和地質(zhì)構(gòu)造的小插圖等。

4 遙感解譯與分析

4.1 地形地貌解譯

根據(jù)遙感圖像成像規(guī)律，不同地貌類型在遙感圖像上所顯示的不同解譯標(biāo)志，如地物類型的反射光譜，以及色調(diào)、形狀、大小、紋理、結(jié)構(gòu)、圖形等圖像特征的不同，使得各類宏觀地貌景觀特征的區(qū)別較為明顯。一般圖像上，山地、丘陵與平原之間的界線十分清晰，山地、丘陵間地表起伏的大小可用立體感強(qiáng)弱、圖像上陰影的寬窄加以識別。平原既無立體，也無陰影可利用，但平原耕地居多，因而，影像特征易于判讀。通過總結(jié)目視解譯及野外實(shí)地考察的結(jié)果，可將地貌景觀劃分為地層類景觀、構(gòu)造類景觀、地殼運(yùn)動類景觀和新構(gòu)造運(yùn)動景觀等。

4.2 地質(zhì)構(gòu)造遙感解譯

昌都至波密(簡稱“CD-BM”)段路線走廊帶位于三江縫合帶及周邊地區(qū)，以北西向斷裂為主，北西西向和近東西向次之，由于斷裂的多期活動及分段性，造成不同方向、不同性質(zhì)斷裂的多次疊加和交切改造，形成復(fù)雜多樣的構(gòu)造形態(tài)。在GF-2+Landsat-8衛(wèi)星影像上最直觀的特征表現(xiàn)為線性影像異常帶(圖4)。

圖4 CD-BM段主要斷裂構(gòu)造圖

主要斷裂帶有：膽巴哇斷裂(F1)、余馬桶斷裂(F2)、瓦拖斷裂(F3)、瀾滄江結(jié)合帶西界斷裂—扎西錯—亞隆斷裂(F5)、金達(dá)斷裂(F6)、羊達(dá)斷裂(F10)、怒江斷裂南段(F12)、雜那東斷裂(F15)、打龍弄斷裂(F17)、麥牙斷裂(F18)、洛隆—八宿斷裂(F24)、康夏斷裂(F26)、江云斷裂(F30)、拉不學(xué)斷裂(F32)、巴曲—東村斷裂(F36)，共15條斷裂，斷裂性質(zhì)以逆斷裂為主，斷面傾角變化較大。

4.3 不良地質(zhì)遙感解譯

川藏鐵路CD-LZ路線走廊帶東起昌都，到達(dá)夏里經(jīng)過洛隆、過多吉進(jìn)入波密。地處青藏高原東南部，屬構(gòu)造剝蝕高山峽谷、冰川冰緣作用高山地貌，沿線跨越瀾滄江、色曲、玉曲、怒江、冷曲、波堆藏布江、帕隆藏布江、培龍貢支、東久曲，地表水系發(fā)育，山高坡陡，海拔5000 m以上的高山與2000 m左右的深谷緊挨在一起，山高坡陡，谷深水急。在西段伯舒拉嶺至林芝一帶，現(xiàn)代冰川積雪盤踞的高山區(qū)有豐富的冰雪融水，大氣降水多且集中，暴雨強(qiáng)度大。山區(qū)年降水量一般在400～700 mm左右，最大可達(dá)2000 mm以上，不良地質(zhì)主要以滑坡、泥石流、巖堆等為主。在東段昌都向伯舒拉嶺一帶，降水量逐漸減少，河流下切強(qiáng)烈，谷緣與谷底高差達(dá)1500～3000 m，河谷多為峽谷，水流湍急。在干流和支流的兩側(cè)沖溝和支溝形成羽狀排列的峽谷，溝床狹窄縱坡大。由于河流密集，河間山體很窄，地面極為崎嶇破碎，切割深度大，谷坡陡，一般為40°～60°，易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害，圖5為川藏鐵路CD-BM段路線走廊帶不良地質(zhì)解譯圖。

圖5 川藏鐵路CD-BM段路線走廊帶不良地質(zhì)解譯圖

圖6為川藏鐵路BM-LZ段路線走廊帶不良地質(zhì)解譯圖，該段路線走廊帶東起波密經(jīng)過古鄉(xiāng)、索通到達(dá)通麥鎮(zhèn)，向西經(jīng)過拉月、東久到達(dá)魯朗鎮(zhèn)，最終進(jìn)入林芝。區(qū)域新構(gòu)造運(yùn)動活躍，地震頻發(fā)，風(fēng)化剝蝕作用強(qiáng)烈，巖石破碎，第四紀(jì)松散堆積物廣泛分布，主要為冰磧物、雪崩堆積物、巖崩和滑坡堆積物、殘坡積物及階地松散堆積物，造成了崩塌、滑坡、泥石流、巖堆、溜坍等淺表地質(zhì)災(zāi)害異常發(fā)育。

圖6 川藏鐵路BM-LZ 段路線走廊帶不良地質(zhì)解譯圖

通過遙感解譯和野外調(diào)查，在CD-LZ貫通線(CK)方案、CD-BM(經(jīng)八宿)方案(ICK)、波密—通麥(經(jīng)傾多)方案(IVCK)走廊帶共解譯出泥石流、崩塌、滑坡、溜砂坡、溜坍、巖堆等不良地質(zhì)體2998處(圖5、圖6)。其中滑坡368處，崩塌146處、冰川泥石流328處，溝谷泥石流252處，坡面泥石流359處，巖堆742處，溜砂坡498處，溜坍126處，危巖179處。

對路線有較大影響的不良地質(zhì)體有242處，包括冰川泥石流56處(35處巨型，19處大型，1處中型，1處小型)，溝谷泥石流31處(20處巨型，10處大型，1處中型)，坡面泥石流20處(9處巨型，9處大型，2處中型)，滑坡33處(15處特大型，11處大型，7處中型)，巖堆45處(33處特大型，12處大型)，崩塌12處(8處特大型，4處大型)，溜砂坡15處(13處特大型，2處大型)，危巖19處(6處特大型，8處大型，5處中型)，溜坍11處(8處特大型，3處大型)。

4.4 不良地質(zhì)分布特征

4.4.1 沿江分布特征

路線方案走廊帶內(nèi)滑坡集中發(fā)育在色曲段、同卡—怒江大橋—夏里段、江云村—伯舒拉嶺段、排龍—雅江段；崩塌、巖堆集中發(fā)育在色曲段、怒江及其支流、德曲沿線、曲宗藏布及其支流及排龍—雅江段；泥石流集中發(fā)育在同卡—夏里段、擁巴、德曲沿線、波密—通麥段、易貢藏布段及東久—排龍段。而色曲、八曲、怒江及其支流、德曲及帕隆藏布下游排龍—雅江段是區(qū)內(nèi)新生滑坡、崩塌、巖堆的集中發(fā)育地區(qū)。

4.4.2 沿活動斷裂帶分布特征

色曲段位于瀾滄江斷裂帶的西界斷裂(F5)破碎帶中，八曲段位于班公湖—怒江結(jié)合帶中的麥牙活動斷裂(F18)中，波密—通麥段位于嘉黎—迫龍藏布斷裂帶(F48)中，排龍—魯朗段位于雅魯藏布江構(gòu)造混雜巖帶邊界斷裂(F51)中，通麥—排龍段位于通麥—通燈斷裂帶(F42)上。根據(jù)滑坡、崩塌、巖堆及泥石流的沿江分布特征，初步認(rèn)為沿班公湖—怒江結(jié)合帶，嘉黎斷裂帶發(fā)育的滑坡、泥石流數(shù)量多、密度大；沿瀾滄江結(jié)合帶、雅魯藏布江構(gòu)造混雜巖帶邊界斷裂帶(F51、F53)分布的崩塌、巖堆、泥石流數(shù)量多，且是新生滑坡、崩塌、巖堆的集中分布區(qū)。由于沿雅魯藏布江構(gòu)造混雜巖帶邊界斷裂(F51、F53)、班公湖—怒江結(jié)合帶內(nèi)部斷裂(F18)活動性強(qiáng)于嘉黎—迫龍藏布斷裂帶(F5、F7、F8)及瀾滄江結(jié)合帶邊界斷裂(F5)，其不良地質(zhì)發(fā)育程度更為強(qiáng)烈。

4.4.3 陽坡比陰坡不良地質(zhì)更為發(fā)育

帕隆藏布江沿岸的波密—通麥段和易貢藏布段，陽坡植被茂密程度和覆蓋度相對于陰坡均比較低，基巖及坡殘積出露面積比陰坡大；陽坡積雪較高，地形較陡，土層較薄，松散固體物質(zhì)豐富，地表徑流與冰雪融水較多。因此，滑坡、泥石流在帕隆藏布江北岸(陽坡)比南岸(陰坡)數(shù)量多、規(guī)模大，且易發(fā)性更強(qiáng)。

5 結(jié)論

通過遙感信息分析、工程地質(zhì)遙感解譯及野外驗(yàn)證相結(jié)合的方法，以GF-2+Landsat-8衛(wèi)星圖像信息為依據(jù)，對“新建川藏線CD-LZ段遙感工程地質(zhì)解譯”路線走廊帶的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及不良地質(zhì)進(jìn)行了全面的工程地質(zhì)條件解譯，為路線方案優(yōu)選和橋隧工程布設(shè)提供了詳實(shí)的工程地質(zhì)資料。

利用遙感解譯對路線中的地形地貌、斷裂構(gòu)造及不良地質(zhì)體等進(jìn)行了全方位的解譯，節(jié)省了很多勘察成本，技術(shù)方法應(yīng)用比較合理，為該路線進(jìn)行全面勘察規(guī)劃。整合路線方案，形成了對選線進(jìn)行多源、多時(shí)相、多角度和全域的對比分析。通過采用三維虛擬仿真輔助選線系統(tǒng)，為路線方案預(yù)審查提供了支撐。

致謝

對在本文研究中給予幫助的老師和同學(xué)表示真心的謝忱,對于本文的編輯、審稿專家表示感謝!