鐵路遙感地質勘察技術體系研究

高 山

(1.中國地質大學 (武漢)，武漢 430074;2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

如今鐵路項目的前期研究和設計方案受各類環境因素影響的加大，方案變更頻繁，要求在有限的工期和缺乏數據的情況下，快速高效完成選線設計和工程地質勘察工作。工程地質調查是工程地質勘察的重點和基礎工作，人工調查往往受一些特殊環境條件限制，如山區、高原、沙漠、濕地、禁區等，導致鐵路勘察進度緩慢、成本高的現狀［1］。

航空航天遙感正朝“三多”(多傳感器、多平臺、多角度)和“四高”(高空間分辨率、高光譜分辨率、高時相分辨率、高輻射分辨率)方向發展，極大地提高了遙感的觀測尺度、對地物的分辨本領和識別的精細程度，而且使遙感地質發生了由宏觀探測到微觀探測，由定性解譯到定量反演的質的飛躍，將遙感地質和應用都推向一個新的高度［2］。國內外航測遙感研究機構已在全數字攝影測量與遙感制圖、三維可視化鐵路選線、工程地質遙感圖像解譯、激光雷達測量技術等方向［3-6］，開展了大量的技術研究和開發工作，積累了較豐碩的技術成果，并在多條地形地質條件復雜的鐵路工程中得到應用，拓展了在鐵路遙感技術應用的深廣度。

目前，由于鐵路遙感勘察體系和某些關鍵技術還沒有完善和有效突破，以及生產應用中還存在較多問題，如技術方法可行性、精度質量可靠性、系統協同性、作業精細化、體系結構完整性等。因此，深入開展鐵路遙感地質勘察技術體系研究對于建設鐵路勘察信息一體化有著深遠的意義。

1 鐵路遙感地質勘察技術現狀

遙感技術為支持鐵路勘察、規劃和建設工作的數據采集和更新提供了必要的數據源;它的應用可以擴大地質勘察范圍，克服地面調查的局限性，增強預見性，并可減少外業工作量，提高調查效率［7］。鐵路遙感勘察技術已廣泛應用于鐵路建設預可研、可研階段，包括工程地質可行性評價，地質選線與優化，工程方案地質比選，線路地質災害調查與發展趨勢分析評價等。鐵路遙感勘察整個作業過程包括準備工作、初步判釋、外業驗證調查與復核判釋、最終判釋與資料編制［8］。判釋內容主要包括地形地貌分析、區域地質背景分析、地質災害分析，長隧道、特大橋、車站等重難點工程地段的地質分析及位置選擇等。

一般預可行性研究主要應用陸地衛星圖像和小比例尺航空遙感圖像兩者結合使用。衛星影像主要為美國資源衛星的TM、ETM等;航空遙感圖像目前主要是應用黑白航空像片，有時也應用彩色紅外片或其他航空遙感片種，比例尺1∶2萬～1∶5萬。可行性研究主要應用大比例尺黑白航空像片和高分辨率衛星影像(如 SPOT、IKONOS、QuickBird等)。遙感解譯精度評價主要體現在解譯目標的幾何位置、邊界形狀、屬性內容和相互關系等，鐵路工程地質遙感規程規定:踏勘、加深地質、初測、定測勘察階段成圖比例尺分別對應為1∶5萬～1∶20萬、1∶1萬 ～1∶5萬、1∶1萬 ～1∶20萬、1∶2 000～1∶10 000，要求遙感圖像解譯精度在空間尺度上符合相應的成圖比例。

鐵路遙感圖像空間分辨率、成圖比例尺、工程地質解譯要素對應關系，如表1所示。

表1 空間分辨率、成圖比例尺、工程地質解譯要素關系

根據已完成的多項鐵路遙感勘察項目，總結出以下問題:(1)各種比例尺的航衛片為解譯基礎資料，多借助立體鏡或軟件工具輔助專家判釋、手工標注，人工勞動強度大、效率低;(2)解譯詳細程度因人為因素局限性大，且多為定性描述，尚未實現巖性定量識別和單個地質體定量分析，難以拓展到后續勘察階段的工點測繪、勘探孔布置、棄砟場選址;(3)遙感勘察手段單一，很少利用高光譜巖石填圖、InSAR地表形變監測、高陡邊坡激光雷達成像的高精度、定量化遙感技術;(4)基礎數據綜合利用率低，工程地質條件分析與評價多為定性的主觀思維模式，缺乏行之有效的具有數據集成、信息提取、質量分析和定量評價的信息系統。

2 鐵路遙感地質勘察技術體系設計

2.1 體系目標

由于受地質環境的復雜性和多解性的客觀條件制約，鐵路工程地質調查長期處于外業勞動強度大、投入高產出低、質量難以保證的現狀，跟不上其他站前專業的信息化勘察技術的步伐，遙感地質勘察技術是改變這一被動局面的突破口。3S技術和地球空間信息技術的發展為工程地質調查提供了多方位、多視角、多層次和動態觀測的信息化技術，提供了開闊的人工調查視野和逼真的地理環境模型，為鐵路勘察提供了各種尺度和精度的地物、地形、地質的幾何形狀、空間位置、目標屬性信息。有必要深入研究遙感精細解譯關鍵技術和制定詳細作業程序，滿足不同地質環境、勘察階段、工程類型條件下的鐵路工程地質勘察業務需求，建設信息化、系統化、標準化的成套鐵路遙感地質勘察體系。最終達到精細指導地質調繪工作，提高綜合地質勘察質量和效率，減少外業工作量，解放勞動力的目標。

2.2 研究方法

充分考慮鐵路地質勘察、線路選線設計、遙感地質解譯等傳統工序和業務需求基礎上，以先進的地球空間信息技術前瞻性研究為指導，充分發揮遙感、GPS、GIS空間信息技術在鐵路勘察中的專業特長。研究方法主要包括技術調研、資料收集、可行性分析、生產試驗、系統開發、項目應用、質量評價、標準制定等，建設集遙感信息解譯、三維地理建模、工程地質調查、綜合勘察資料分析為一體的高層次的鐵路遙感地質勘察信息平臺，并建立起工程地質、線路、遙感作業接口，達到專業資料共享、互通的目的，形成鐵路遙感勘察技術標準和工作程序，改進傳統鐵路工程地質勘察方法。

2.3 技術體系結構

基于遙感圖像識別理論和工程地質遙感解譯的基礎理論，解決工程地質遙感空間信息提取關鍵技術，即基于多光譜影像的構造信息提取，基于機載LIDAR技術的微地貌地形信息提取，基于高光譜遙感技術的巖性信息定量提取，基于多時相InSAR地表形變調查與監測，基于地面激光掃描和三維成像技術的高陡邊坡調查。重點研究工程地質信息提取、遙感地質解譯知識庫、多源地學空間信息集成、三維鐵路地理環境建模、工程地質條件區劃與評價。技術體系結構見圖1。

具體實施步驟:

(1)根據鐵路勘察階段及工程地質調查內容要求，針對性選取遙感圖像、圖像處理方法和組合方式，確定遙感圖像分辨率、解譯精度與成圖比例尺關系;

圖1 技術體系結構

(2)基于ENVI遙感圖像處理軟件IDL二次開發，實現基于多光譜、高光譜、雷達數據的工程地質解譯要素提取算法，建立工程地質遙感解譯信息模型;

(3)基于Google Earth數字地球平臺二次開發，實現多源空間數據集成、線路平縱斷面定線及三維可視化影像解譯的業務應用系統;

(4)遙感解譯數據和非遙感數據基于ArcGIS空間分析模塊開發，進行工程地質條件分區、不良地質致災可能性及其危害性評價;

(5)結合工程項目，針對不同地貌類型、勘察階段、工程地質條件和工程設計，選取針對性的遙感地質勘察方法，編制遙感勘察大綱、作業細則和技術文檔;

(6)遙感勘察資料與現場地質測繪、物探、鉆探、試驗資料進行對比驗證、解譯精度評價與質量分析。

3 鐵路遙感地質勘察系統關鍵技術

3.1 工程地質遙感解譯知識庫模型

工程地質遙感解譯知識庫，是為了配合專家系統對遙感圖像進行解譯而建立的數據庫。其搭建目的是將專家解譯的實際經驗及解譯分析數據進行整理合并，保證在自動解譯中的數據供給和調用。由于不同巖土體及工程地質現象的波譜特征及時空特征在遙感圖像上的顯示不同，解譯知識庫將常用的典型地物解譯信息進行歸類入庫，描述其不同波譜下的解譯原則［9］。具體研究有微地貌、水系結構、巖石巖性、斷層構造、不良地質等工程地質圖像特征和解譯標志關系，引入GIS、高程知識、紋理知識、空間幾何特征及其組合進行系統分析，建立圖像實體與工程地質對象之間的地學信息關系圖譜，提煉出較通用的圖例、符號語言、圖形、圖解方法，應用GIS空間關系數據模型建立工程地質解譯標志數據庫。

3.2 工程地質巖性信息提取

北方山區具有氣候惡劣、交通不便和植被稀少的特點，地面調查困難，采用高光譜數據進行巖性識別，其高維信息具有良好巖石巖性診斷性特征［10］。此外，光譜吸收特征反映了巖石的礦物成分、化學成分、結構構造及其風化層的物性特征。南方山區具有高植被覆蓋和巖石風化強烈的特點，巖石零星裸露，巖性信息微弱，高光譜定量識別困難，僅利用多光譜遙感難以實現巖土工程性質分類，還需要融合其他多源信息［11］，例如地層巖性、地形地貌、地面調查等。多源信息的獲取和選擇是關鍵，遙感影像的植被、光譜和紋理信息以及坡度和斜坡結構作為數據源，并進行多源數據融合，再利用支持向量機進行巖土工程性質分類，最后對分類結果進行評價。

3.3 地質災害遙感識別

(1)滑坡識別

滑坡識別的主要目的是自動或人機圈定可能發生滑坡區域，將滑坡目視解譯的先驗知識(描述性特征)進行定量描述和表達。通過多源數據融合識別滑坡，從而降低滑坡的誤判性，提高滑坡識別率。通過對遙感影像、地形、地質信息的空間分析，進行面向斜坡單元的滑坡識別。斜坡單元是山谷線和山脊線圍成的斜坡區域，而面向滑坡提取的斜坡單元要考慮滑坡發育的斜坡特征，疊加坡度分級圖對斜坡單元進一步劃分。

(2)崩塌識別

崩塌信息提取方法，對已知崩塌的遙感影像進行光譜和紋理特征分析，獲取崩塌識別先驗知識;利用DEM提取坡度大于一定閾值的區域;通過高分辨率影像提取基巖裸露(或高反射率)區域;綜合上述信息圈定崩塌范圍。崩塌提取的關鍵是裸地和弱植被圖斑的提取與篩選及地形陰影的去除，崩塌在影像上本底信息的關鍵指數除了植被指數外，還有土壤亮度指數、第一主成分變換信息及地形數據等通過集成計算圖像作為裸地提取的源數據。

(3)潛在泥石流識別

采用劃分的泥石流流域作為評價基本單元，選取構成泥石流潛在形成條件的因素作為關聯因子。采取的潛在泥石流隱患區判別方法，類同于地質災害危險區劃分方法，以其潛在風險程度的高低作為判定泥石流潛在形成可能性大小的依據［12］。評價指標的基礎數據均為定量描述的數據，采用標準化、規格化、均勻化方法統一量綱，代入評價模型。擬采用GIS的疊加分析法，將生成的表示各個指標的流域柵格圖層，參考前人的標準重新分級量化，然后分別賦予權重進行所有因子柵格圖層的地圖代數運算，得出最終預測結果。

(4)斷裂構造識別

斷裂構造是影響鐵路工程基礎穩定的主要因素，活動斷裂沿線常常伴隨著堰塞湖、巖堆、沖積堆、滑坡、泥石流等不良地質現象。斷裂構造的解譯標志包括斷裂構造幾何學、運動學和動力學特征以及斷裂性質的解譯標志。通過三維遙感圖像和山體陰影圖的半透明疊加，可以突出斷裂構造信息，同時參考地形信息、地質圖信息，以及經過邊緣增強圖像、亮度反轉、彩色空間變換和銳化等處理方法所得到的圖像，再進行目視解譯，有利于提取斷裂構造信息。

3.4 工程地質條件評價模型

工程地質條件具有多因素、多層次、不確定性強等特點，需要對評價的目標、決策變量、功能和作用深入分析，確定主要組分的最相關因子，如地震烈度、降雨量、坡度坡向、溝谷切割密度、斷層性質、巖性、巖石質量、斜坡結構、地下水、工程類型等，為每個因子的每一分類等級規定出相應的級別值，計算出各項因素評價指標值，運用GIS空間分析方法計算出綜合工程地質特性最優值指標，編制評價分級圖［13］。對于評價因子的選取，必須結合工程地質特征和工程特性(隧、橋、路、站)，找出影響工程穩定性的最大貢獻率的因子組合，作為評價綜合指標。采用ArcGIS數據圖層的疊加操作的方法，將每個準則圖層與對應的權重相乘(加權過程)，然后對加權后的準則圖層進行邏輯疊加操作，得到工程地質條件綜合評價圖。

4 結語

由于傳統鐵路遙感勘察多用于小比例尺地質調查或大型地質災害調查，尚未實現全線大比例尺調查，缺少針對單體工程的精細遙感勘察方法，造成后期勘察中遙感作用十分有限的現狀。基于現代遙感對地觀測技術和大比例尺解譯技術研究，提出以遙感系列技術手段為主與地面驗證為輔的工程地質遙感調查方法，突破了傳統鐵路帶狀地質測繪的模式，可以滿足不同地理環境、地質條件、工程類型的地質調查業務需求，達到減少外業工作量，提高調查效率和質量，并有效指導地質測繪、勘探布置和工程地質條件評價的目的，推進鐵路勘察信息一體化建設進程。

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