資源一號02C衛星數據在北京巖溶水資源勘查評價工程中的應用

程洋， 童立強， 郭兆成， 莫源富,紀軼群

(1．中國地質科學院巖溶地質研究所，桂林 541004；2．中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；3.北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195)

資源一號02C衛星數據在北京巖溶水資源勘查評價工程中的應用

程洋1， 童立強2， 郭兆成2， 莫源富1,紀軼群3

(1．中國地質科學院巖溶地質研究所，桂林 541004；2．中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083；3.北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195)

以資源一號02C(ZY1-02C)衛星數據為數據源，以GIS為數據處理平臺，以遙感地質理論和水文地質理論為指導，將遙感技術應用于北京巖溶水資源勘查評價工程中。通過水文地質遙感解譯和綜合分析，優選了一處新的供水水源地，建立了適用于北方巖溶區的含水巖組和泉點的遙感解譯標志，提出了基于GIS的水文地質分析方法，擴展了國產資源衛星數據的應用領域。

遙感；資源一號02C(ZY1-02C)衛星；水文地質；巖溶水資源

0 引言

北京市水資源匱乏嚴重，水資源人均占有量不足300 m3，是全國人均水平的1/8，世界人均水平的1/30。為解決北京地區水資源供需矛盾，北京市政府啟動了北京巖溶水資源勘查評價工程，以期立足于本地水資源，尋找新的供水水源地。遙感技術(RS)具有視域寬廣、探測手段多樣、受地面條件限制小和經濟高效等特點，能快速、準確地獲取各類水文地質信息，是水文地質調查的重要手段之一。

遙感技術在水文地質調查工作中已得到了廣泛的應用：景志熙利用衛片和航片圈定了地下水富水塊段，判譯了暗河出入口和滑坡[1]；周笑綠等總結了一套在全掩蓋或半掩蓋區進行遙感水文地質解譯的工作方法[2]；江衛等利用Landsat TM 數據在西北隴縣—淳化巖溶區進行了水文地質解譯，獲取了工作區的水系、地貌、地層和構造信息[3]；劉春玲等應用遙感手段對云南九龍河流域的自然地理條件、巖性構造進行了研究，建立了一些水文地質要素遙感影像的解譯標志[4]；郭慶十[5]和羅太近[6]等分別總結了遙感技術在區域水文地質調查中的應用和MapGIS在水文地質調查中的應用；楊清華總結了水文地質與工程地質遙感調查技術標準體系的研究現狀與進展[7]。這些成果充分發揮了遙感技術強大的數據獲取能力，對本次研究具有指導意義。這些成果大多以單一的水文地質要素解譯為主，缺少系統的水文地質遙感分析；且多以Landsat TM，SPOT5等國外衛星為數據源，國產資源衛星應用實例還較少。

資源一號02C(ZY1-02C)衛星數據在基礎地質調查、地質災害調查與監測、礦產資源開發調查與監測和土地執法等領域得到了廣泛應用，成果豐碩。本次研究將ZY1-02C衛星數據應用于水文地質領域中，以尋找北京市新的供水水源地為目標，將國產高分遙感數據應用于北京巖溶水資源勘查評價工程中。既要實現尋找北京市新的供水水源地的目標，還要建立部分水文地質要素的遙感解譯標志，有利于促進國產資源衛星數據的應用,拓展國產資源衛星的應用領域。

1 研究區概況及數據源

以北京市平谷縣北山地區為研究區，該區碳酸鹽巖廣泛出露，是北方巖溶區的典型地區。地形與地貌輪廓控制了該區河流的流向和格局，區內的薊運河水系由北流向東南，形成了反映地勢總傾斜形態的似扇狀水系。研究區以碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組為主，是最主要的含水層；碎屑巖裂隙含水巖組、侵入巖裂隙含水巖組、火山巖裂隙含水巖組、變質巖裂隙含水巖組、松散堆積物孔隙-裂隙含水巖組是相對隔水層。巖溶地下水來源以裸露巖溶區大氣降水的入滲補給為主，地表水體滲漏和相鄰含水層的越流補給為輔。目前，研究區的巖溶水資源利用率還較低，有較大的潛力成為北京市新的供水水源地。

研究使用的遙感圖像為2012年春夏時相的ZY1-02C衛星數據制作的正射影像圖(圖1)，該圖采用R(B3)G(B4)B(B2)合成，并與B1全色波段融合，空間分辨率為2.36 m。圖像立體感層次較分明，色調與對比度反差適中，地物邊緣清晰，滿足1∶5萬水文地質遙感解譯的需求。

圖1 研究區正射影像圖Fig.1 DOM of the study area

2 水文地質遙感解譯

地質遙感解譯的方法主要有直譯法、追索法、類比法及綜合分析法4種，在實際解譯過程中通常采用的是這4種方法的綜合應用。具體解譯步驟為：①初步解譯; ②野外踏勘，建立解譯標志; ③詳細解譯; ④野外驗證; ⑤補充解譯，完善解譯成果。

水文地質遙感解譯遵循地質遙感解譯的一般原則、方法和步驟，同時結合水文地質學的原理和對象進行解譯。

2.1 含水巖組的遙感解譯

根據水文地質遙感解譯的一般步驟，本次工作在分析已有資料的基礎上，基于02C彩色合成圖像的影像特征，結合野外踏勘建立了各個含水巖組的解譯標志(圖2)。

(a) 碳酸鹽巖含水巖組典型影像和實地照片 (b) 碎屑巖含水巖組典型影像和實地照片

(c) 侵入巖含水巖組典型影像和實地照片 (d) 火山巖含水巖組典型影像和實地照片

(e) 變質巖含水巖組典型影像和實地照片 (f) 松散堆積物含水巖組典型影像和實地照片

圖2 各類含水巖組的典型遙感影像和實地照片

Fig.2 Remote sensing images and photoes of water-bearing formation

1)碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組。與我國西南熱帶-亞熱帶巖溶區相比，研究區受雨熱條件控制，溶蝕作用較弱，碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組的影像特征不典型，解譯標志不甚顯著，不具備花生米狀的紋理等典型碳酸鹽巖的影像特征，也沒有溶蝕洼地，灰巖陡坎等典型巖溶地貌的影像特征。但與研究區其他類型含水巖組相比，因為存在一定的溶蝕作用，其溝谷切割程度高，近直線狀影像陰影較多，山脊較為圓潤，水系稀疏，色調多呈墨綠色。如圖2(a)。

2)碎屑巖裂隙含水巖組。研究區的碎屑巖較為堅硬，導致陡崖、陡坎等地形發育，水系以羽狀、菱格狀-樹枝狀為主，水系密度較小；多帶狀、條帶狀影紋，色調較碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組的要淺。如圖2(b)。

3)侵入巖裂隙含水巖組。侵入巖多數缺少層理影像特征，構成特殊的影紋圖案(粗斑狀、姜塊狀、雞爪狀)，由于球形風化和節理對沖溝、小水系發育的控制，具有鉗狀-樹枝狀、菱格狀-樹枝狀水系特征。如圖2(c)。

4)火山巖裂隙含水巖組。研究區火山巖的巖性變化較大，風化及含水性不同，影像圖上反映的地形地貌、植被發育差異大，解譯程度低。區別于其他含水巖組最主要的特征是具有蠕蟲狀、斑點狀、斑塊狀的影紋。如圖2(d)。

5)變質巖裂隙含水巖組。巖石類型復雜，巖相變化大，厚度大小不一，解譯標志復雜且不穩定，解譯難度較大。研究區區域變質巖以片麻巖為主，色調深淺交錯；有直線形、扭曲狀、環狀或不規則形狀的條紋條帶影紋，其影紋特征為主要解譯標志。水系多呈豐字形。如圖2(e)。

6)松散堆積物孔隙-裂隙含水巖組。研究區的松散堆積物主要是沖積、洪積、坡積和湖積等成因的第四紀堆積物。松散堆積物上人類活動強烈，多耕地、道路、水利設施等。相比其他基巖裂隙含水巖組，其影像特征明顯。如圖2(f)。

受遙感影像對比度和時相的影響，色調標志不是含水巖組的主要解譯標志，紋理標志才是區分各類含水巖組的主要依據。

2.2 泉點解譯

泉點是含水層或含水通道與地面相交處產生地下水涌出地表的現象，是地下水的天然露頭，是地下水的一種重要排泄方式。

由于持續干旱導致地下水位下降，人類生活用水增加和鄉村旅游開發，北京市的泉(特別是水量較大的泉)基本都被開發利用，成為居民生活用水的水源地，或水產養殖基地，泉口多被封閉管道引流，地表基本不形成徑流，或者水量小徑流不明顯；同時，由于北京市山區生態環境持續好轉，植被茂盛，遮蔽了地表徑流，遙感影像特征不明顯。因此，泉的直接遙感影像解譯標志非常不明顯(圖3)。

(a) 植被異常標志 (b) 干河道出水點標志 (c) 養魚池標志 (d) 人工建筑標志標志

圖3 泉點的遙感解譯標志

Fig.3 Interpretation marks of spring

1)在遙感圖像上的不規則線狀的植被異常茂盛，附近有水庫、池塘等地表水域，其上游存在泉點。如圖3(a)。

2)干涸河道的出水處，可識別為泉點。北方地區暗河系統不發育，在干河道的出水處，多數為泉水出露的位置，而不是巖溶干谷內地下河的出口。如圖3(b)，在河道的上游有較大型的塊石散落，沒有明顯的地表流水，在大塊石消失的部位，有水體出現，此干涸河道的出水處即為泉點。

3)在小型水體周圍出現規則的養魚設施附近區域肯定有泉水，尤其是巖溶泉水的出露點。規則的養魚設施主要養殖經濟價值較高的冷水魚類(如虹鱒魚)，其對水源的要求較高，必須有溫度較低、溫差小、水量較為恒定的水源。巖溶泉水滿足這樣的條件，因此，規則的養魚設施附近肯定有泉點。如圖3(c)。

4)人類聚居區附近或山前的小型人工建筑。在村落附近或匯水條件好的山前會有水窖，這類水窖通常都是在自然泉點的基礎上經人工擴建而成。周圍有連接村落的道路和地下富水的指示,即異常的茂盛植被。如圖3(d)。

泉點的遙感解譯標志已經超出了地物的大小、幾何形狀、色調、飽和度、紋理結構等傳統遙感解譯標志的范疇，需要結合地形地貌，植被覆蓋，人類活動等多方面的因素進行解譯。

2.3 線性影像單元解譯

研究區的線性影像包括斷層和裂隙。根據遙感地質學的原理，斷層的解譯標志主要體現在以下5個方面: ①巖性、地層影像標志被切割和錯開地層重復或缺失，形成線性異常影像; ②直線狀或者串珠狀分布的近圓形負地形是巖溶區斷層的重要解譯標志; ③影像具有明顯的水系直角灣、山脊錯動、穿過山脊的線性影像特征; ④相鄰水系的同步扭曲是平移斷層的重要標志之一，其中以支流平行水系的同步扭曲最為典型; ⑤影像上直接可見的破碎帶和近直線狀分布的采石場是斷層的重要解譯標志。根據野外調查經驗，采石場往往都會分布在斷層破碎帶附近，以降低開采難度，減少工作量。

與斷層相比，裂隙沒有明顯的水系同步彎曲、山脊錯動等影像特征，其解譯標志為直線狀或者近于直線狀溝谷及線性展布的多條較小規模溝谷。

2.4 地表水系及流域解譯

地表水對地下水的補給、運移和排泄有重要影響，是巖溶地下水的補給方式之一。研究區的地表流域-水系要素都采用機助方法自動提取，并通過影像及地形資料分析進行了人工分級。相比于傳統方法，這樣做不僅速度快、效率高，而且成果準確，內容更為豐富(如對沖溝信息也得到了很好反映)。

2.5 水文地質遙感解譯成果

按照水文地質遙感解譯的一般原則和方法，結合遙感解譯標志，詳細解譯了研究區的各類水文地質要素。通過野外檢查和補充解譯完善了解譯成果，編制了水文地質遙感解譯成果圖(圖4)。

圖4 水文地質遙感解譯成果圖Fig.4 Map of remote sensing interpretation of hydrogeology

3 水文地質綜合分析

前述的水文地質遙感解譯工作充分發揮了遙感技術的優勢，快速準確地獲取了研究區與巖溶水資源密切相關的要素信息。以水文地質理論為指導，綜合分析這些解譯成果能夠進一步闡明研究區的水文地質條件和巖溶水資源的補給—徑流—排泄特征，實現圈定富水區，優選備用水源地。

3.1 含水巖組的富水程度分析

本次研究的對象是巖溶水資源，主要分析碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組的富水程度。根據水文地質理論，含水地層的富水程度與地層的厚度、巖性和裂隙發育程度密切相關，通常按照平水年的泉流量來劃分。這種劃分方法需要大量的長期觀測數據，通過遙感無法直接獲取這些數據。沖溝，斷層和裂隙的密集程度是巖石性質、地層厚度和裂隙發育程度在地表的綜合體現，與基巖的破碎程度和大氣降雨的入滲系數正相關，可以用來分析含水巖組的富水程度。本次研究按照碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組單位面積內的沖溝、斷層和裂隙的密度來劃分碳酸鹽巖含水巖組的富水程度。

將包含沖溝、斷層和裂隙空間分布信息的線文件與碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組的解譯成果進行空間疊加分析，計算出碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組中沖溝、斷層和裂隙的平均密度為2.3 km/km2；再利用GIS的網格統計功能，將沖溝、斷層和裂隙的密度高于平均密度的碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組定為強富水程度巖組，反之為中等富水程度巖組。其結果與1∶60萬北京市水文地質圖的成果基本吻合。

3.2 斷層的富水性分析

斷層是地下水的貯水空間、集水廓道、導水通道和隔水屏障，分析斷層的富水程度對富水區的分析有重要意義。

根據水文地質理論，斷層的富水程度取決于斷層的上下盤巖石類型、力學性質、規模和近期活動性等因素。本次研究在GIS平臺上分析斷層的富水程度。第一步，根據斷層的力學性質判斷斷層的富水程度，張性和張扭性斷層判斷為富水斷層。第二步，分析壓性及壓扭性斷層和性質不明斷層的富水程度：首先進行緩沖區分析，構建壓性及壓扭性斷層和性質不明斷層的10 m緩沖區，將斷層的“線”變為“區”,再進行空間疊加分析，將斷層緩沖區與研究區含水巖組遙感解譯成果進行空間疊加分析；然后進行屬性輸出，計算斷層10 m緩沖區內的各類含水巖組的面積；最后根據判斷原則分析其富水程度。判斷的原則是如果碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組面積大于或等于該斷層10 m緩沖區面積的1/2，則判斷該斷層為富水斷層，反之為非富水斷層。第二步的實質是通過定量分析斷層上下兩盤的巖石類型判斷斷層的富水性。第三步,將分析結果賦入斷層“線文件”的屬性中，在GIS中實現可視化。

3.3 富水區推斷

巖溶地下水的賦存條件與巖性、構造及地形地貌等因素密切相關。一般意義上，巖溶地區的4種類型區域最有可能成為巖溶地下水的富水區：①碳酸鹽巖質純層厚的巖溶發育區；②可溶巖與非可溶巖的接觸帶或者巖溶區巖相變化最大的地段；③巖溶區內的構造破碎帶和構造褶曲急劇變化帶；④巖溶區的地形低洼地段或者河谷地段。

根據水文地質遙感解譯成果和上述推斷依據，本次研究共推斷出3處巖溶地下水富集區(圖5)。每處巖溶地下水富水區域的上游都有碳酸鹽巖質純層厚的巖溶發育區，都位于巖溶區的地形低洼地段，處于巖溶水的排泄區，一般還能受基巖裂隙水和第四紀松散層孔隙水的補給，水的循環交替強烈，對巖溶地下水的補給和儲存非常有利。

圖5 研究區的富水區Fig.5 Rich water area of study area

3.4 新水源地概況

位于平谷區峪口鎮附近的富水區是研究區的最優水源地(圖6)。峪口鎮位于山前傾斜平原，屬于巖溶區的地形低洼地段，地勢北高南低。地下水補給方式以大氣降雨補給為主，地表水和非巖溶地下水補給為輔。補給區面積超過400 km2，其中碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組的分布區約180 km2，松散堆積物空隙含水巖組的面積約150 km2，有利于大氣降雨的入滲補給；補給區內的2條河流流經了大片的巖溶區，部分地表水沿河床的巖溶裂隙滲入地下，地表水補給地下水；補給區內的F1，F2，F3，F4，F5和F6斷層都是富水斷層，橫切了碳酸鹽巖地層和其他非碳酸鹽巖地層，使碳酸鹽巖含水巖組與其周圍的非碳酸鹽巖隔水層發生了水力聯系，將非碳酸鹽巖隔水層中的裂隙水導入碳酸鹽巖含水巖組中，非碳酸鹽巖地下水補給巖溶地下水，斷層起了導水作用，為導水型的富水斷層。補給區北部和東部的邊界為碳酸鹽巖與碎屑巖和變質巖接觸的隔水邊界，西部邊界為碳酸鹽巖與埋藏型碎屑巖接觸的隔水邊界，3個方向都是巖性隔水邊界，不會發生大規模的潛排。根據遙感解譯和實地調查結果，3個方向上也沒有大泉排泄，地下水受隔水邊界的控制向地形的低洼區流動，整個區域內的地下水應該是自東北，西北和北部往南流，在峪口鎮附近以潛排的方式排泄，地下水資源豐富。

圖6 新水源地簡圖Fig.6 Map of new water sources

4 結論與討論

本次研究首先將ZY1-02C衛星數據應用與水文地質領域中，既尋找到了北京市新的供水水源地，又建立了一些水文地質要素對應ZY1-02C衛星數據的遙感解譯標志，有助于國產資源衛星數據的應用。

1)遙感技術是水文地質調查的重要手段，能夠快速、準確地解譯各類水文地質要素。充分利用遙感技術既能提高工作效率和成果的準確性，又能大大減輕人工勞動強度和野外工作量，節省人財物力。應進一步推廣遙感技術在水文地質調查工作中的應用，提高水文地質調查工作中高新技術的應用水平。

2)ZY1-02C衛星數據能夠廣泛地應用于水文地質調查中。作為國產的資源衛星，ZY1-02C衛星數據質量接近或達到國際同類衛星水平，數據價格低廉，應該進一步擴展其應用領域，使其得到最大化的利用。

3)基于ZY1-02C衛星數據，建立了部分水文地質要素的遙感解譯標志，對北方巖溶區的水文地質解譯有指導意義。

4)研究中利用遙感解譯成果，在GIS平臺上分析碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖組的富水程度和斷層的富水性，其結果與1∶60萬北京市水文地質圖的成果基本吻合。

5)利用ZY1-02C衛星數據圈定了3處富水區，并在峪口鎮附近優選了一處新的供水水源地。根據最新工作進展，在峪口鎮附近已成井見水，單日涌水量近4×104m3。研究也認為，利用遙感技術圈定的富水區范圍較廣，還需要綜合物探等其他技術手段確定井位。

6)本研究還存在一些不足，如沒有與物探、鉆探等其他技術手段的結合，建立的遙感解譯標志和提出的水文地質分析方法有地域性局限。這些不足是水文地質遙感調查仍需要深入研究的重點，也是作者未來的研究方向。

志謝：本研究得到了北京市水文地質工程地質大隊各級領導和專家的支持，在此表示衷心感謝。

[1] 景志熙.遙感圖象在區域水文地質普查中的應用——馬關幅航衛片解譯的幾個實例[J].中國巖溶,1986(s1):29-32. Jing Z X.The application of remote sensing images to the regional hydrogeological reconnaissance[J].Carsologica Sinica,1986(s1):29-32.

[2] 周笑綠,李賓亭.全掩蓋或半掩蓋區遙感水文地質調查方法探討[J].西北地質,1995,16(3):17-21. Zhou X L,Li B T.The investigation methods of covering the whole or half covered area of remote sensing geological[J].Northwestern Geology,1995,16(3):17-21.

[3] 江衛,李曦濱.遙感Landsat TM數據在水文地質測繪中的應用[J].河北建筑科技學院學報,2001,18(1):69-72. Jiang W,Li X B.Application of landsite TM data of remote sensing in hydrological surveying and drawing[J].Journal of Hebei Institute of Architectural Science and Technology,2001,18(1):69-72.

[4] 劉春玲,童立強,丁富海,等.云南九龍河流域的水文地質遙感影像特征研究[J].工程地質學報,2008,16(s1):188-192. Liu C L,Tong L Q,Ding F H,et al.The characteristics of hydro-geological remote sensing image of Jiulonghe river valley in Yunnan Province[J].Journal of Engineering Geology,2008,16(s1):188-192.

[5] 郭慶十.遙感技術在區域水文地質調查中應用研究[C]//中國遙感應用協會2010年會暨區域遙感發展與產業高層論壇論文集.南京,2010:128-133. Guo Q S.The application study of remote sensing technology in field hydrogeology survey[C]//China Remote Sensing Application Association 2010 Annual Meeting and Regional Remote Sensing Development and Industry Forum Proceedings.Nanjing,2010:128-133.

[6] 羅太近,李小青.MapGIS在貴州錦江、舞陽河流域水文地質調查中的應用[J].長江大學學報:自然科學版,2011,8(11):29-32. Luo T J,Li X Q.Application of MapGIS in hydrogeological investigation of Wuyang River Basin in Jinjiang,Guizhou[J].Journal of Yangtze University:Natural Science Edition,2011,8(11):29-32.

[7] 楊清華.遙感地質調查技術標準體系研究與進展[J].國土資源遙感,2013,25(3):1-6.doi:10.6046/gtzyyg.2013.03.01. Yang Q H.Research and progress of the technical standard system for remote sensing geological survey[J].Remote Sensing for Land and Resources,2013,25(3):1-6.doi:10.6046/gtzyyg.2013.03.01.

(責任編輯：李瑜)

Application of satellite data of ZY1-02C to the exploration engineering of Karst water resources in Beijing

CHENG Yang1， TONG Liqiang2， GUO Zhaocheng2， MO Yuanfu1,JI Yiqun3

(1.InstituteofKarstGeology,CAGS,Guilin541004，China; 2.ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenter,Beijing100083,China; 3.BeijingInstituteofHydrogeologyandEngineeringGeology,Beijing100195,China)

Using the satellite data of ZY1-02C as the data source,aided by GIS as the platform,and based on the remote sensing geological theory and hydrogeologic theory,the authors applied the remote sensing technology to the exploration of Karst water resources in Beijing. According to the remote sensing hydrogeological interpretation and comprehensive analysis，the authors delineated a new source of water supply through optimization， established the interpretation criteria of water-bearing formations and springs applicable to Karsts areas in northern China，presented a method for analyzing the hydrogeological conditions based on GIS， and expanded the application field of domestic resources satellites.

remote sensing；ZY1-02C satellite；hydrogeology；Karst water resources

2013-12-04；

2014-02-18

北京巖溶水資源勘查評價工程(BJYRS)資助。

10.6046/gtzyyg.2015.02.28

程洋，童立強，郭兆成，等.資源一號02C衛星數據在北京巖溶水資源勘查評價工程中的應用[J].國土資源遙感，2015,27(2)：183-189.(Cheng Y，Tong L Q，Guo Z C,et al.Application of satellite data of ZY1-02C to the exploration engineering of Karst water resources in Beijing[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(2)：183-189.)

TP 79

A

1001-070X(2015)02-0183-07

程洋(1987-)，男，助理研究員，從事遙感在地質領域的應用研究。Email：chengyang66666@sina.com。