遙感與GIS技術支持下的機場選址與工程地質分析

李天華,楊武年

(1.成都空軍勘察設計院,成都 610041;2.成都理工大學 遙感與GIS研究所,成都 610059)

遙感與GIS技術支持下的機場選址與工程地質分析

李天華1,楊武年2

(1.成都空軍勘察設計院,成都 610041;2.成都理工大學 遙感與GIS研究所,成都 610059)

研究將“3S”技術(RS、GIS、GPS)應用到機場地址勘察中,主要是采用現代化遙感技術,以最新遙感圖像LANDSAT ETM(最高空間分辨率15m),SPOT圖像(2.5m)和QU ICKB IRD圖像(0.61m)等作為信息源,通過遙感圖像數據融合、數字鑲嵌和影像增強等數字處理,制作不同類型、不同波段和不同分辨率的正射遙感影像及正射影像地圖,為機場工程地質勘察提供最佳圖像資料。通過遙感圖像增強處理、信息提取及GIS空間分析等,對研究區的地質構造,地質災害等進行解譯。并借助GPS進行野外現場調研,查明研究區地質構造的特征,尤其是隱伏斷裂、活動性斷裂的分布,以及巖溶漏斗、洼地等水文地質現象,為小哨機場工程地質勘察工作提供了基礎資料。

“3S”技術;地質勘察;機場選址;正射影像

1 機場概況

昆明小哨地區位于云貴高原中部,處于云南省境內自西北向東南遞降地勢的第二大階梯上。大部份地區海拔在1 500m～2 800m之間,最高點是北部祿勸縣拱王山脈的馬鬃嶺,海拔4 247.7m;最低點是祿勸縣則黑鄉小河坪子東北1 km處普渡河與金沙江交匯點,海拔746m。該區內有二條主要山脈:①川西魯南山脈越過金沙江南下的拱王山脈,蜿蜒盤旋于祿勸、富民、西山、安寧、晉寧等地,最高峰馬鬃嶺,海拔4 247.7m,為區內最高峰;②與滇東北烏蒙山脈連接的梁王山脈,分布于嵩明、官渡、呈貢、宜良、石林等縣區,最高峰海拔2 833m。受主體構造線方向的控制,二條山脈走向近南北向。研究區大部份地形呈波狀起伏,平均海拔2 000m左右,平均自然坡度5°～8°,表現為丘陵略有起伏溶蝕平原和沖洪積平原。

作者在本次研究的方案與技術思路,如圖1(見下頁)所示。

2 遙感圖像數字處理

考慮要進行機場選址設計和工程勘察,作者選用了QuickB ird圖像、SPOT圖像、TM圖像,作為主要原始圖像數據。

通過對原始遙感圖像進行多波段數據融合,圖像增強,正射精校正,高精度DEM生成等處理,并調用DEM中的高程信息和遙感圖像展現的形狀、色彩、質地等信息,將二種信息融合到一起,形成對研究區地貌的三維可視化。從而提供可供反復使用的真實、客觀、信息連續的宏觀分析地面景觀影像,使機場建設工作者在一種接近現實的虛擬環境中,進行機場選址設計,場區的構造地質、工程地質、環境地質等特征信息提取和綜合評價。

2.1 遙感圖像正射精校正

由于正射校正可以消除投影差的影響,因此是衛星區域鑲嵌圖和標準地理分幅遙感圖像制作的基礎。正射精校正的原理和幾何精校正差不多,但正射精校正有其自身的特點:①用于正射精校正的地面控制點,必須具有高程信息;②進行正射精校正時,必須利用數字高程模型(DEM)。遙感影像正射校正是遙感正射影像地圖的重要信息源,同時它也是進行其它遙感圖像處理(遙感圖像融合、鑲嵌等)的基礎。

圖1 研究方案與技術思路Fig.1 Research p rogram s and technical ideas

正射精校正的精度與DEM、GCP或DRG的精度有關,還與衛星影像自身的分辨率有關。作者對研究區進行了正射精校正,針對不同的圖像采用不同的正射校正方法。對于Spot5圖像,利用的Erdas中Spo t5模型對圖像進行了正射校正。對于QuickB ird圖像,作者采用了RPC(有理多項式)校正方法實現對圖像的正射校正。正射校正的精度一般控制在半個像元內,其地面控制點(GCP)的高程值通過DEM自動提取。校正好的正射影像圖與等高線套合,效果較好,可滿足1∶5 000區調填圖和遙感解譯使用。

2.2 遙感圖像三維可視化實現

遙感圖像三維可視化實現的技術和思想,就是依據DEM建立表面模型來顯示真實地形,然后再疊加遙感影像或航片等數字影像進行紋理疊加,來顯示地表細節。充分發揮計算機圖示技術及虛擬現實技術的優勢,利用遙感圖像、地理要素和文字符號標注等多種數據,生成三維地形影像[5]。將這些可視化數據集成套合成三維地形影像,必須做到不同數據間的坐標配準,目的是將不同來源的同一地區的圖像、地理要素,以及文字符號等數據,轉換到同一坐標系中[6]。作者在本文中是以地形圖的地理坐標作為配準參考,其它數據均需轉換到地形圖所在的坐標系中。

遙感圖像地質解譯三維可視化,與影像動態分析系列動畫制作工序主要包括以下內容:

(1)遙感圖像數字處理。遙感圖像數字處理是數字區調工作中信息提取的重要環節。圖像處理的目的,是對原始遙感圖像進行輻射校正、幾何校正和投影差改正、地理編碼、圖像鑲嵌、圖像增強,以及不同時相不同傳感器不同分辨率的多波段遙感圖像數據融合等,最終制作出統一規格標準的高質量遙感圖像,提高數字區調地質解譯應用效果[2～4]。

多類型遙感影像數據融合,是一種通過高級影像處理技術來復合多源遙感影像數據的技術,其目的是將單一傳感器的多波段信息或不同類傳感器所提供的信息加以綜合,消除多傳感器信息之間可能存在的冗余和矛盾,加以互補,降低其不確定性,減少模糊度,以增強影像中信息透明度,提高圖像解像力和解譯精度[5、6]。

(2)高精度DEM生成。高精度三維立體圖像需要高精度的DEM來支撐,在遙感圖像的正射處理中,各像點的投影差改正也需要對應點的高精度DEM[4]。高精度DEM生成常用有三種方法:①利用地形圖數字化求得;②利用立體像對(具有立體效果的航片、衛星圖像等)使用專門的軟件求得;③利用干涉雷達圖像處理技術求得。

(3)三維飛行路線選取。根據工作區的地質構造復雜程度和工作需要,按照一定的規則進行飛行勘察路線部署。

(4)三維可視化系列動畫產品制作。首先進行三維飛行的參數設置,如航高、時速、夸大系數、屏幕大小、視角設置及背景效果等;然后根據布置的飛行路線完成三維動畫制作。

(5)三維可視化產品輸出。根據選擇的飛行路線,逐條生成遙感圖像地質解譯三維可視化及影像動態分析系列動畫,并把這些產品轉化成通用動畫所支持的格式打包,如QuickTim eM ovie格式等,刻盤提交給有關的工作人員使用。

(6)信息提取。地質構造、巖溶地貌解譯和影像判讀等。

作者在本次工作中共制作了四條飛行路線,分別位于測區的西部、中部和東部,其目的是為了了解測區的總體區域地質構造格局以及巖溶發育、地貌特征等情況(見圖2)。

3 基于“3S”技術機場工程地質分區

在上述所有工作基礎上,綜合運用遙感與GIS對遙感圖像、機場數字DEM、三維可視化(見圖2),以及前期工作中提取的地貌、地層、構造等信息進行分析,將小哨機場地區試驗方案劃分為四個,并以方案三區為例,對該區工程地質條件進行了評價。

3.1 場地工程地質分析

方案三出露泥盆系宰格組白云巖、海口組上段灰巖及下段砂巖、雙龍潭組白云巖、陡坡寺組砂巖及泥巖,未見斷層。但裂隙發育,碳酸鹽巖和碎屑巖相間分布,成為走向北東傾南東的單斜狀構造,極有利于巖溶的發育。單個漏斗的長軸方向受結構面控制,以近北東向、東西向及北西向為主,但漏斗的空間分布很大程度上具有層控性(巖性段控制)。地質構造對工程的影響主要是:①傾斜互層狀碳酸鹽巖與砂泥巖單斜構造導致區內巖溶發育;②產狀平緩,次級褶皺發育的宰格組內巖溶受橫張節理控制,漏斗星羅棋布,地下巖溶管道發育。

3.2 工程地質分區

綜合“3S”技術、綜合物探、區域地質、工程地質勘察等綜合分析,擬建場地的工程地質巖組可分以下幾個亞區(見下頁圖3):

(1)構造剝蝕丘陵。地貌為深丘,位于試驗區北緣,面積0.096 km2,海拔2 120.4 m～2 137m,坡度3°～10°,為非可溶性砂泥巖分布區,僅出現二處洼地,單個面積均達到4 900 m2以上。地形波狀起伏,殘積層厚,為工程挖方區,巖石單軸抗壓強度可以達到12M Pa～15M Pa。

圖2 昆明小哨機場遙感圖像三維可視化系列圖片之一幀(右上角箭頭指向南)Fig.2 One of the remo te sensing im agesof three-dim ensional visualization of X iao-shao airport in Kunm ing(the arrow points to South)

(2)剝蝕溶蝕丘陵。地形地貌為深丘,面積約0.027 km2,海拔2 095m～2 135m,坡度3°～10°,巖溶地貌漏斗和洼地發育,局部漏斗和洼地有落水洞。地層巖性為泥盆系中統海口組(D 2h2),由灰黃色中、厚層狀亮晶砂屑灰巖、礫屑灰巖夾瀝青質灰巖頂部為砂巖、雙龍潭組白云巖組成。上覆紅色粘土。巖體節理裂隙發育,巖石破碎,巖溶漏斗發育。巖質堅硬,屬堅硬巖,巖石單軸抗壓強度可達到50M Pa～90M Pa,是良好的基礎持力層。

③構造剝蝕丘陵。地形地貌為深丘,面積約0.14 km2,海拔2 095m～2 135m,坡度3°～10°,為海口組下段砂巖分布區,上覆厚度較薄的殘積。該區域出現八處洼地,單個面積在320 m2～1 400m2之間,少部份達到5 100m2以上。巖石單軸抗壓強度高,開挖后為良好的持力層。

④剝蝕溶蝕殘丘。地形地貌為淺丘,面積約0.377 km2,海拔2 075m～2 121m,坡度3°～8°,巖溶地貌漏斗和洼地特別發育,共出現洼地四十五處,面積大致在200m2～3 000 m2之間,其中以Kh323最大,面積達到21 418m2。

圖3 方案三工程地質分區示意圖Fig.3 Schem atic diagram of 3 engineering geo logy division diagram

4 結論

作者在本文中將“3S”技術應用到西部高原區機場選址和工程勘察中,虛擬了擬選機場場址的高精度三維遙感動態模型,從圖像的三維可視化和動態分析角度,進行了擬選機場場址的勘察和工程地質概況等遙感信息的提取。這改變了傳統的機場勘探工程中的思維方式,為機場勘察提供了新的技術平臺,為機場建設工程開拓了新思路,為決策者(各級領導、工程負責人等)從宏觀把握擬選機場場址提供了很好的工程評價平臺。同時,對加快機場建設工作現代化進程,具有重要意義和實用價值。

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TP 75

A

1001—1749(2011)01—0079—04

國家自然基金項目(60841006);云南政府重點建設項目(20070616009)

2010-06-30 改回日期:2010-11-03

李天華(1961-),男,博士,高級工程師,研究方向:“3S”技術及應用。