基于多源數據的伊阿鐵路工程地質遙感解譯及選線

謝 猛

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

對于地形、地質條件復雜的山區鐵路，控制線路方案的地質因素較多[1-2]，加之在方案研究階段，工作區范圍往往較大，采用常規的地質調查方法很難在短時間內查明工作區地質情況[3-4]。利用遙感技術可以快速、宏觀、全面地獲取某一區域的地質信息，為方案研究提供可靠的地質依據[5-6]。然而，常規的遙感解譯方法多局限于單一數據，缺少與地質資料、地形資料的對比分析和綜合解譯，工作效率和準確率不高。因此，有必要探索一種基于遙感數據、地質資料、地形資料等多源數據的遙感解譯方法，開展對比分析和綜合解譯，以提高遙感解譯的工作效率和準確率。

1 工程概況

新建伊寧至阿克蘇鐵路(以下簡稱“伊阿鐵路”)北起既有鐵路精霍線伊寧站，向南橫穿天山山脈進入塔里木盆地北緣阿克蘇地區，全長約520 km。線路穿越天山的高山、極高山區，海拔3 500～5 200 m，河流下切作用強烈，兩岸地形陡峻，山谷呈“V”形，泥石流、滑坡、崩塌、危巖、落石等不良地質發育，極高山區遍布常年積雪和冰川，自然環境惡劣。

(1)地質構造

線路穿越兩個二級大地構造單元，北部為中南天山褶皺系，三級構造單元為伊犁凹陷盆地和南天山冒地槽褶皺帶；南部為塔里木地臺，三級構造單元為塔里木中-新生代凹陷盆地。區內新構造運動具有差異性、間歇性等特點，地質構造復雜。

(2)地層

線路穿越中南天山與塔里木兩大地層分區，沿線地層主要包括第四系、第三系、白堊系、侏羅系、三疊系、二疊系、石炭系、泥盆系、志留系地層和侵入巖等。

(3)氣象

測區屬于溫帶大陸性氣候區，受天山山脈影響，南北疆氣候差異尤為明顯。北疆地區春季溫暖，夏季炎熱少雨，秋季涼爽，冬季寒冷，具有濕潤大陸性中溫帶氣候特征；南疆地區降水稀少，氣候干燥，冬季寒冷，夏季涼爽，晝夜溫差大，屬溫帶大陸性干旱氣候；南天山地區降雨隨海拔升高略有增多，冬季寒冷、多風，晝夜溫差大，兼具中溫帶亞干旱氣候區及暖溫帶干旱氣候區的特征。

(4)地震動參數

沿線地震動峰值加速度為0.10～0.30g，地震基本烈度為Ⅶ～Ⅷ度。

2 工作方法

地形地貌、地質構造和不良地質是控制伊阿鐵路方案比選的主要因素。采用基于遙感數據、地質資料、地形資料等多源數據的工程地質遙感解譯方法，對工作區地形地貌、地質構造和不良地質進行解譯，提出工程地質遙感評價及選線建議，為方案研究提供地質依據。工作方法及流程如圖1所示。

圖1 工作方法及流程

3 收集資料

收集資料包括三大類：遙感資料、地質資料和地形資料。

3.1 遙感資料

根據工作區工程地質特點，方案研究階段的遙感資料應滿足地形地貌、宏觀地質構造以及大、中型不良地質的解譯要求。收集的遙感資料如下。

(1)GF-1遙感數據

空間分辨率：4波段多光譜8 m，全色2 m；獲取時間：2016～2017年。

(2)SPOT 6/7遙感數據

空間分辨率：4波段多光譜6 m，全色1.5 m；獲取時間：2016～2017年。

(3)Landsat 8 OLI /TIRS遙感數據

空間分辨率：8波段多光譜30 m，熱紅外100 m，全色15 m；獲取時間：2016年。

根據解譯目的及數據特點，對收集到的遙感數據有選擇地進行輻射校正、幾何校正、圖像配準、圖像增強、圖像融合等處理[7-8]。經測試和對比分析，對于GF-1和SPOT 6/7遙感數據，將多光譜數據及全色數據進行融合處理，有利于目視解譯[9-10]；對于Landsat 8 OLI/TIRS遙感數據，選擇多光譜數據的7、4、1波段進行組合，再與全色數據進行融合，有利于地質構造、不良地質的解譯[11-12]。

3.2 地質資料

(1)1∶20萬區域地質圖及報告。

(2)新疆維吾爾自治區區域地質志(含1∶150萬地質圖)。

(3)新疆地質構造-建造圖說明書(含1∶200萬地質圖)。

3.3 地形資料

地形資料包括METI/NASA發布的ASTER GDEM 數據(空間分辨率為30 m)、不同比例的地形圖等。ASTER GDEM數據經DEM 融合、高程基準偏移、重采樣處理，以滿足工程地質遙感解譯要求[13-14]。

3.4 多源數據集成

為了便于各類資料的對比分析和綜合解譯，提高工程地質遙感解譯的準確率，將處理后的遙感數據、地質資料、地形資料等多源數據進行集成[15]，建立統一坐標系的工程地質遙感解譯平臺。

4 地貌解譯

工作區地貌類型主要包括流水地貌、風蝕地貌、冰川地貌三大類。對于地貌類型復雜的區域，很難直接從遙感圖像的色調及紋理差異上劃分出不同的地貌類型，而DEM則可以根據高程變化信息來提取地貌邊界。將處理后的遙感圖像與DEM疊加，實現地形地貌的立體解譯，同時結合區域地質資料，建立工作區地形地貌的解譯標志。

4.1 流水地貌

(1)洪積扇

洪積扇主要分布在山前溝口地帶，空間位置和扇狀形態是其主要解譯標志。扇頂植被不發育，扇前(緣)的潛水溢出帶形成弧線形的外緣線。圖2為區內兩處典型的洪積扇。

圖2 洪積扇GF-1遙感圖像(疊加DEM)

(2)河床

可根據遙感圖像上河床中水流所呈現的條帶狀影像判定河床的位置。山區河流的河床較狹窄，平面形態較平直，河谷深切；流經山間盆地的河流，往往河床變寬，且河曲發育，遙感圖像上可見牛軛湖、迂回扇等河床遷移等標志。平原區河流的河床多呈曲流型或蜿蜒型。圖3為伊犁河，河床蜿蜒曲折，多次改道，形成數個牛軛湖。

圖3 河床Landsat 8遙感圖像

(3)河流階地

河流階地位于河谷兩側，可通過遙感圖像上其錯落有序的階梯狀地形進行判別。較新的階地一般位于河床附近，階面形態平整，耕地、樹木較多；老的階地位于較高地段，階面支離破碎，不完整。確定各級階地之間的界線時，相鄰階地之間的陡坎是重要的解譯標志。圖4為特克斯河，河床寬而淺，水流散亂，白色區域為河漫灘，各級階地之間的界線明顯。

圖4 河流階地GF-1遙感圖像

4.2 風蝕地貌

(1)巖漠

巖漠一般位于干旱地區高山邊緣的低山地帶，地表起伏，基巖裸露，植被稀少，主要通過遙感圖像上其粗糙的紋形進行辨認。圖5為天山南麓的一處巖漠，由于長期遭受強烈的風蝕作用，地表基巖裸露，巖石表層可見剝落或崩解現象，幾乎無植被覆蓋，景色荒涼。

圖5 巖漠SPOT-6/7遙感圖像

(2)礫漠

礫漠又稱“戈壁”，地表平坦，幾乎完全被礫石和石塊所覆蓋，一般分布在山麓處，水文網多為暫時性水流，且切割不深，植被稀少，呈斑點狀分布。

4.3 冰川地貌

(1)山谷冰川

山谷冰川多位于山間低洼處，受地形限制，遙感圖像上表現為特殊的條帶狀紋理、舌狀前緣，色調為近于白色的淺色調，其解譯標志穩定，易于辨認。圖6為區內的一條山谷冰川，多條冰川匯合成一條冰川，沿山谷流動，形似一條冰凍的河流。

圖6 山谷冰川Landsat 8遙感圖像

(2)冰斗

冰斗位于冰川的上部，多發育在陰坡上雪線附近，呈半圓形的劇場狀或圈椅狀，三面為環狀陡峭巖壁，開口處為一高起的巖檻，底部為洼地。圖7為一處冰斗，呈圈椅狀，三面為峭壁，頂部為角峰，側壁向下為刃脊。

圖7 冰斗SPOT-6/7遙感圖像(疊加DEM)

(3)冰斗湖

冰斗湖位于冰川作用地區雪線附近的高山中，面積不大，一般三面為陡峻的山坡，另一側平緩開口。圖8為幾處不同高度上的冰斗湖，由于雪線升高，遺留下來的老冰斗積水形成冰斗湖。

圖8 冰斗湖SPOT-6/7遙感圖像(疊加DEM)

5 地質構造解譯

遙感圖像能夠宏觀、真實地反映地質構造的行跡，結合區域地質資料，可以快速、準確地確定構造的類型、位置和性質。首先，對Landsat 8 OLI /TIRS多光譜遙感圖像進行假彩色合成，突出地質構造信息，結合收集到的區域地質資料，進行區域地質構造解譯。然后，利用經融合處理后的GF-1和SPOT 6/7遙感圖像，進行小型地質構造的解譯及具體位置的細化。將遙感圖像與DEM疊加，可以實現地質構造的立體解譯。

5.1 斷裂構造

遙感圖像上斷裂兩側地質體的色調和紋理一般有差異，沿斷裂破碎帶表現為不同寬度的色線或色帶。圖9為區內一條活動斷裂。通過多角度的立體觀察，可見斷裂兩側的地貌單元有明顯差異，并伴有長距離階地的錯斷；山前洪積扇的前緣整體被切成直線，坡面沖刷形成的一系列小型洪積扇沿斷裂呈線狀排列，斷裂的解譯標志明顯。

圖9 活動斷裂GF-1遙感圖像(疊加DEM)

5.2 褶曲構造

褶曲構造在遙感圖像上的色調和紋理呈對稱式分布，或平面呈現橢圓狀、環狀、藕節狀、弧狀、“之”形的色帶或影紋(如圖10)。

圖10 褶曲構造Landsat 8遙感圖像

6 不良地質解譯

對于泥石流、滑坡、崩塌、危巖、落石等具有空間特征的不良地質，僅從平面遙感圖像上一般不易判斷。將遙感圖像與DEM疊加，對地形地貌進行虛擬再現，不僅可以從形態上進行識別，而且能夠從地貌特征及空間多角度進行綜合解譯，從而提高解譯的準確率。

6.1 泥石流

工作區內泥石流溝的形態較為典型，遙感圖像上泥石流溝的形成區、流通區和沉積區特征明顯。圖11為區內一處典型的泥石流溝，沉積區形成的洪積扇植被覆蓋率較高，且有一條道路位于其上，表明該泥石流形成時期較早，洪積物較為穩定。

圖11 泥石流GF-1遙感圖像(疊加DEM)

圖12為一處新形成的泥石流，形成區平面呈瓢形，山坡陡峻，巖體破碎，松散物豐富；流通區可見坡面滾石；沉積區為扇形洪積物堆積，無植被覆蓋，可見眾多漫流狀溝槽，表明該泥石流仍在發展。

圖12 泥石流GF-1遙感圖像(疊加DEM)

6.2 滑坡

滑坡的平面形態多呈簸箕形、舌形或梨形。在GF-1和SPOT 6/7遙感圖像上可見到滑坡壁、滑坡臺階、滑坡舌、滑坡裂縫等微地貌形態。區內滑坡多發育在峽谷中的緩坡、分水嶺的陰坡、侵蝕基準面急劇變化的主溝與支溝交匯處及其溝頭等處。圖13為區內的幾處滑坡，位于緩坡的坡腳處，滑坡體上植被稀疏，色調與周邊存在顯著差異，局部可見新生沖溝。

圖13 滑坡GF-1遙感圖像(疊加DEM)

6.3 崩塌、危巖體

崩塌位于陡峻的山坡地段，上陡下緩，輪廓線明顯；崩塌體堆積在谷底或斜坡平緩地段，表面坎坷不平，影像具粗糙感。危巖體多發育在節理發育的硬質巖地區，位于陡壁上，遙感圖像上色調反差較大，陰影明顯，其下有時可見星點狀落石分布，見圖14。

圖14 崩塌、危巖體GF-1遙感圖像(疊加DEM)

7 成果應用

7.1 遙感解譯成果應用

在遙感解譯的基礎上，通過現場踏勘，重點對線路方案有影響和對解譯過程中有疑問的地質體或地質現象進行外業調查驗證，進一步豐富和完善了解譯標志。根據建立的解譯標志，開展全區范圍內的遙感解譯，共解譯斷裂985條(含活動斷裂46條)，泥石流1103處，滑坡932處，崩塌534處，危巖體124處。在此基礎上，繪制工作區地貌分區、地質構造、不良地質分布等遙感專題圖件。

7.2 遙感評價及選線建議

根據遙感解譯成果，對重點段落提出工程地質遙感評價及選線建議如下。

(1)AK80+600-AK110+000

線路走行于烏孫山南麓的洪積扇邊緣，受活動斷裂影響，泥石流形成的洪積扇穩定性差。建議方案出隧道后跨越特克斯河，走行于特克斯河南側。

(2)AK210+000-AK260+000(哈爾克山隧道進口至南天山隧道進口段)

東、中、西三大走向方案均走行于深切峽谷之中，泥石流、崩塌等不良地質發育。西線方案受冰川作用影響，東線方案穿越第三紀地層，巖性多為軟弱碎屑巖，滑坡等不良地質較為發育。因此，中線方案優于西線方案和東線方案。從遙感圖像上看，中線方案溝谷內泥石流沉積區的扇形洪積物較穩定，不控制線路方案。建議線路盡可能走行在泥石流沉積區的上游，以橋梁形式跨越。

(3)AK260+000-AK320+000(南天山隧道進口至哈爾克山南麓段)

東、中、西三大走向方案均以隧道形式穿越哈爾克山主峰。隧道進口崩塌發育，隧道出口泥石流、崩塌等不良地質發育。線路出隧道后，東、中兩方案均走行于深切狹谷之中，不利于線路平面優化，而西方案走向于較為寬闊的溝谷之中，有利于線路平面優化，且隧道長度較短，因此，從工程地質遙感角度，西線方案優于中線方案和東線方案。

(4)AK320+000-AK370+000

線路走行于天山南麓的洪積扇內，為巖漠和礫漠風蝕地貌區，且穿越區域性活動斷裂，工程地質條件較差。

(5)AK380+000-AK410+000

線路走行于洪積扇、礫漠區，且穿越褶曲構造帶，工程地質條件較差。

8 結論

(1)對于地形、地質條件復雜的山區鐵路，采用基于多源數據的工程地質遙感解譯方法，可以快速獲取選線所需的各類工程地質信息，有效提高方案研究的效率和質量。

(2)遙感數據處理前，應根據解譯目的和遙感數據的特點，開展測試和對比分析，選擇恰當的處理方法，以滿足工程地質遙感解譯要求。

(3)采用基于多源數據的工程地質遙感解譯方法，將收集到的遙感資料、地質資料和地形資料進行集成，通過多源數據的對比分析和綜合解譯，可以有效提高工程地質遙感解譯的準確率。

(4)根據遙感解譯成果，可以繪制工作區地貌分區、地質構造、不良地質分布等各類遙感專題圖件，進而提出方案工程地質遙感評價意見及選線建議，為方案研究提供地質依據。