基于3S技術的庫區巖溶地質研究
——以云南新莊水庫為例

周延國，宋紅克，吳國宏

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

采用現代GIS、遙感等空間技術并結合工程地質分析原理和災害評價分析相結合的手段研究庫區主要工程地質問題，尤其是庫區巖溶地質問題，對提高水庫工程地質測繪、分析及研究工作的效率、工作質量有很大的理論和實踐意義。

新莊水庫位于云南宜良縣境內南盤江水系的二級支流馬蹄河上，水庫庫盆位于可溶巖地層中，溶蝕作用強烈，河谷兩岸巖溶洼地、落水洞、溶洞、巖溶泉等巖溶現象發育，水庫巖溶滲漏問題復雜，為詳細的現場調查驗證和分析評估提供有效的基礎數據和工作重點索引，進而為水庫巖溶滲漏評價提供技術支撐，利用3S技術研究分析了新莊水庫庫壩區巖溶地質現象及問題[1～2]。

1 研究工作方案及流程

以工程區落水洞、巖溶洼地等巖溶地質現象，庫區地質構造分布，可溶性巖及非可溶性巖地層劃分，作為主要的研究對象，采用地形解譯、遙感圖像解譯和三維真彩色情景解譯相結合的多層次高精度解譯方法，解譯并完成給定區域的主要巖溶地質分布圖，建立落水洞、巖溶洼地等不良地質現象以及地層巖性(含覆蓋層)、斷層構造信息，建立庫區綜合工程地質GIS數據庫[3- 5]。

1.1 建立基礎數據庫

(1)數據源：以2016年SPOT7影像數據為主要遙感信息源，如圖1所示。DEM數據采用現有地形數據通過數字化提取生成，精度達到1∶1萬；采用Landsat ETM影像作為輔助數據來對巖溶、構造及災害進行輔助解譯[6- 7]。

圖1 研究區域影像數據示意圖

(2)圖像處理：本次遙感圖像處理主要工作流程如圖2所示。

圖2 遙感圖像處理流程圖

1.2 解譯分析

在地形解譯、遙感影像解譯和三維真彩色情景解譯相結合的基礎上，重點解譯分析巖溶等不良地質現象，得到庫區不良地質現象分布圖(分布位置、范圍、規模及邊界條件)；并對庫區內的構造展布、巖性分布、覆蓋層范圍等進行重點解譯分析，完成庫區工程地質GIS多源信息集成管理系統和三維真彩色演示瀏覽查詢系統。

2 基礎數據分析處理

2.1 地形分析

(1)DEM生成。DEM描述的是地面高程信息，它在測繪、水文、氣象、地貌、地質、土壤、工程建設、通訊、軍事等國民經濟和國防建設以及人文和自然科學領域有著廣泛的應用。在地質調查中，能夠提供直觀的三維地形信息，并為災害的危險性分區、風險評估提供必要的數據基礎。

本次采用的基礎地形數據源為1∶1萬地形圖，從中提取等高線及高程點，基于GIS系統，先通過插值算法獲取三角網模型TIN，然后在TIN算法基礎上采用線性、雙線性內插法建成數字高程模型(Digital Elevation Model，簡稱DEM)，如圖3所示。

圖3 新莊水庫DEM圖

(2)坡度分析。坡度在一定程度上決定了地貌、地質災害等工程地質信息、水庫、河流、流域等水文地質信息、植被類型、土地利用等環境地質信息的分布，故獲取工作區的坡度圖能夠很好的輔助解譯工作。

(3)坡向分析。坡向指斜坡傾斜的方位角。坡向對判定滑坡主滑方向、植被生長情況等有一定輔助作用，一般應與坡度、DEM共同進行輔助分析[7]。

(4)地形陰影。地形陰影是指通過模擬太陽光照強度來展示地形的起伏效果，從而在二維地圖上展現出三維地表的形態。地形陰影中灰度值從0-255，表示光照值，光照值大就是高地，值小的是洼地。在DEM或影像圖中疊加地形陰影，可以更直觀地展現研究區的三維地形效果，更好地輔助解譯工作。

2.2 GIS數據庫的建立

在資料收集整理的基礎上，產生和制作了與水庫地形地質研究相關的數據，全部整理為統一的坐標(WGS1984)的GIS數據格式的文件，基于GIS可視化平臺，在WGS1984投影坐標系下，以DEM、地形陰影及遙感影像為基礎，疊加基礎地理資料、地質資料等相關信息，建立工作區GIS可視化解譯系統，為遙感解譯工作提供綜合的分析平臺[8- 11]。

2.3 三維遙感影像解譯系統構建

研究項目所建立的三維遙感影像解譯系統采用地理坐標系為WGS1984，地形數據采用由等高線生成的DEM，遙感影像分別采用SPOT7影像數據建立對應三維遙感影像解譯系統，用于進行對比分析解譯，三維遙感影像解譯系統如圖4所示。

3 基本地質條件解譯分析

3.1 地形地貌

利用DEM數據對調查區地形進行分析，包括邊坡角分布分析、傾向分析、地形陰影分析，如圖5—7所示，由此可定量地了解岸坡的地勢狀況。通過分析可知，河流溝谷處坡度明顯較大，而西部區域因發育河流較多，坡度也普遍較陡。研究區域內整體西部較陡，中南部和東北部地區較緩。

圖6 研究區域坡向圖

圖7 研究區域地形陰影圖

3.2 地層巖性

本次解譯主要基于地形紋理特征與影像色調特征，初步將研究區域的地層按可溶性劃分為可溶性巖與非可溶性巖。其中，可溶性巖主要包括各類灰巖、白云巖等碳酸鹽巖。在所有的巖石解譯中，碳酸鹽巖的解譯效果是比較好的，尤其是濕熱地區的石灰巖，由于形成千奇百怪的巖溶地貌而易與其他巖石相區別。濕熱地區的石灰巖常構成獨特的巖溶地貌，如深切的狹谷，尖銳的山脊以及殘丘、峰林、溶蝕洼地、坡立谷、漏斗、落水洞、暗河等，這些地貌形態成為解譯石灰巖的重要標志。石灰巖一般呈偏淺色調，但當石灰巖表面風化呈褐色時，在航空像片上呈深色調。濕熱地區石灰巖的溶蝕洼地、漏斗等被淋濾殘積土所充填，構成斑點狀圖案，且多辟為耕地，成為石灰巖的較重要解譯標志之一[12- 13]。

波段的選擇主要考慮地物光譜特征差異，為了突出巖石、地質構造信息，選擇了Landsat- 7 ETM+衛星的7(2.08-2.35μm)、5(1.55-1.75 μm)、1(0.45-0.52 μm)波段，并賦于紅、綠、藍彩色合成了假彩色圖像，經與其它波段合成片對比，此圖像是最佳圖像見表1。

表1 ETM+各波段用途一覽表

經解譯分析，碳酸鹽巖主要分布在研究區域的中部，其在ETM融合圖像上呈現灰色、淡黃色色調，植被也較發育，如圖8—9所示。碳酸鹽巖分布范圍以外，主要巖性均為非可溶性巖。

圖8 ETM融合圖像

圖9 碳酸鹽巖分布圖

3.3 地質構造

本區域內及附近斷層解譯一般存在以下幾個要點：

(1)色調標志：色調反差界面有明顯異常帶；

(2)地形地貌：兩種截然不同的地貌單元呈較長的直線(或平滑曲線)相接，；山脊線、階地、夷平向、洪積扇等地貌要素的錯動；出現明顯的長而直的線形負地形、包括斷層崖、斷層三角面、斷層埡口、斷層溝谷、斷裂裂口以及串珠狀盆地、洼地等[14]。如圖10—11所示。

圖10 典型的斷層構造(地貌單元線性相接)

圖11 典型的斷層構造(斷層三角面)

(3)地層巖性：沉積巖地區巖層的不對稱重復或缺失；巖性突變；地層、侵入體、巖脈或不整合接觸面被切斷或錯開；巖層產狀沿某方向發生突然變化；侵入體、巖脈、礦體、松散沉積物等呈帶狀或線狀分布。

(4)水系：河流、湖泊、沼澤等水體出現被切割或錯移等現象；湖舊、沼澤等水體突然由寬變窄；出現斷頭河、對口河、釣鉤河等；一些河流或湖泊、海岸的岸界呈較長的直線或折線狀；一系列河流在某條線上出現異常，例如數條河流沿某一方向同時發生彎折，或突然變寬或變窄，或在某區間均出現曲流，或沿某一方內突然發牛下跌，形成瀑布等；湖泊、沼澤、濕地、泉水等呈線狀分布。如圖12所示。

圖12 為研究區域典型的斷層構造(對口河)

(5)其他自然現象：侵入體、火山錐、植被等呈線狀分布。

4 巖溶地質遙感解譯分析

4.1 溶蝕洼地

根據地質等高線資料，進行洼地分析，由研究區域等高線生成DEM文件，在ArcGIS中計算出DEM數據中的洼地區域[7]，如圖13所示，深色的區域是可能的洼地區域，并在三維系統進行對比驗證，確定巖溶洼地36處，洼地多分布于1750～1850m高程范圍內，洼地面積達幾千平方米至數萬平方米，并對其統計見表2，典型的洼地如圖14所示。

圖13 洼地計算結果

圖14 三維系統進行對比確認洼地位置

4.2 落水洞

遙感影像中落水洞為呈深灰-灰黑色調的小圓斑，是地表通向地下深處的水流通道，它常直接出露于地面，但也常分布在溶蝕漏斗、溶蝕洼地、干谷和盲谷的底部。發育在充填堆積土的漏斗、溶蝕洼地底部的落水洞，往往無法直接觀察到小孔穴，主要是因為四周生長植被而把小孔穴遮擋。因此，在充填堆積土的漏斗、溶蝕洼地的底部看到灌木叢、小草叢，則可確定其為落水洞。落水洞一般沿著裂隙發育或發育在幾組節理相交處，受裂隙的形態所控制，通過遙感解譯確定落水洞25處，圖15為研究區域內幾個典型的落水洞。圖16為研究區洼地、落水洞解譯分布。

圖15 研究區域典型的落水洞圖

4.3 庫壩區巖溶發育規律

對本次研究區范圍內的巖溶現象進行了特征統計分析。得出以下結論：

(1)工程區域內巖溶發育強烈，通過遙感解譯分析，庫區巖溶現象主要為溶蝕洼地和落水洞。溶蝕洼地多分布在平緩山頂部位，落水洞一般分布在洼地的邊緣基巖出露部位，構成地表水下滲的通道。

表2 研究區域內巖溶洼地統計表

圖16 研究區域洼地、落水洞分布

(2)巖性是巖溶發育的內在因素，地層巖性控制了巖溶現象的分布，巖溶現象分布與可溶巖地層的走向基本一致。左岸區：由于可溶巖直接出露，巖溶現象最為發育，以溶蝕洼地和落水洞為主，并且一處洼地內分布多個落水洞。右岸區巖溶現象發育較弱，巖溶洼地和溶洞等均極為少見。

(3)巖溶發育程度受巖石可溶性控制，可溶性越強，發育程度越強。實驗表明，碳酸鹽類巖石的相對溶解度，與巖石中CaO/MgO比值密切相關，一般來說，碳酸鹽類巖石溶解度，從大到小依次為：石灰巖>白云巖>硅質灰巖>泥灰巖。而在各種碳酸鹽類巖石互層情況下，巖溶發育取決于優勢易溶巖石的含量。庫壩區的解譯整體如圖17所示。

圖17 研究區域解譯整體圖

5 結語

巖溶地質是碳酸鹽地區一種常見的地質現象，查清其數量和分布特征對工程建設具有重大意義。傳統的巖溶地質調查工作量大、周期長。本文以SPOT7圖像為主要信息源，在遙感圖像數字處理的基礎上，結合基于地學知識的圖像識別和解譯技術，對研究區巖溶地質現象進行判譯及統計分析，最后形成巖溶地質解譯成果圖，并探討了其發育規律，形成了一套“3S”技術在巖溶地質勘察評價的應用方法體系[15- 16]，提升巖溶地質勘察遙感解譯技術應用水平。實際應用表明，“3S”技術可以節約地質工作成本、提高地質工作精度、讓巖溶地質調查評價成果更加清晰，內容更為直觀和豐富。