衛星遙感在黃河中下游河流地貌地質遺跡調查中的應用

文 | 劉雪萍 董穎 朱雪征 董曉晨 陳梓慧

1.北京大學城市與環境學院 2.中國地質環境監測院 3.華北科技學院

一、前言

地質遺跡是指在地球演化過程中，由內、外地質營力作用形成的各類地質地貌現象。地球表面的不同規模和各種特征的地貌形態，是地殼構造運動和巖漿活動等地球內營力作用和流水、波浪、冰川和氣候等地球外營力作用的結果，地表的巖石、土壤、河流和地貌（包括完整的和殘留的）包含著地球發展的證據，使地球的歷史不斷被認識。地質遺跡具有突出的普遍科學價值，是人類認識地質現象、推測地質環境和演變條件的重要自然遺產。地質遺跡的類型主要包括：巖土體地貌、巖石地貌、主要化石產地、水體地貌、火山地貌等。然而由于自然原因和人類活動的影響，地質遺跡存在被破壞和消失的威脅，地質遺跡的保護成為國內外地學和自然保護領域關注的問題，而地質遺跡調查是地質遺跡保護的首要內容。

河流地貌類地質遺跡是地質遺跡的重要類型。根據地質遺跡與河流地貌的定義，河流地貌類地質遺跡是指由河流作用形成的地貌景觀。在世界自然保護聯盟（IUCN）制定的《地質遺跡全球框架》中，將河流地質遺跡劃分為一個專門類別；還有些學者將河流地質遺跡劃分到水文分類中；在中國地質調查局編制的《重要地質遺跡調查技術要求（暫行）》中屬于地貌景觀類的水體地質遺跡。黃河是我國第二條大河，是中華民族的母親河。黃河流域地形復雜，在地貌上從西到東跨越我國地貌的三大階梯，包括青藏高原東北部、黃土高原、太行山區和華北平原等地貌單元。黃河中下游是黃河流域中人口分布最集中的區域，與黃河流域生態保護和高質量發展的重大國家戰略密切相關。調查和研究黃河中下游地質遺跡為系統保護黃河資源，推動黃河自然遺產保護提供科學依據。

遙感具有覆蓋范圍廣、獲取信息速度快，周期短、可重復性強，限制條件少、手段多，信息量大的特點，在河流地貌地質遺跡調查中具有獨特的作用。

二、 河流地貌地質遺跡遙感調查方法

地質遺跡調查主要的技術方法包括遙感圖像預處理技術、一般的遙感圖像處理技術，也包括針對地質遺跡的特征分析解譯的技術，主要表述如下。

1.光譜特性分析

河流地貌物質組成的不同，形成了遙感圖像的不同地物光譜特性。這一特征是進行河流地貌解譯的基礎，主要河流地貌類型的光譜響應曲線如圖1所示。

圖1 河流地貌類型的光譜特性

從圖中可以看出，河床、牛軛湖對光的吸收能力強，反射率低，這是由于該類型區域是由水體構成，水體是遙感圖像中最醒目的圖斑；但黃河中下游含泥沙量大，較一般的河流反射率大，在遙感圖像上反而多呈淺色調（夏秋季含泥沙量較大多為黃褐色，冬春季含泥沙量較少為藍綠色）。河漫灘具有泥沙和礫石的二元結構，在反射特征上呈現較高的反射率，有些河漫灘含水量較大，生長灌草，表現為植被的光譜特征；階地的光譜特征比較復雜，由階地覆蓋的物質決定，覆蓋物有黃土、礫巖、灌木、灌草，因此單從階地的光譜特征判斷地貌類型還不能完全確定，需要結合土地覆蓋類型和地質環境來確定。圖2為黃河中游（陜北）曲流河及不同季節的河流水體圖像。

圖2 黃河中游（陜北）曲流河及不同季節的河流水體圖像（上部冬春季圖像，水體變窄，河漫灘及河心洲出露較多，水體呈藍綠色；下部夏秋季圖像，水體變寬，河漫灘及河心洲出露少，水體含沙量高，呈淺褐色）

2.水域及河流形態特征識別

水體指數是快速準確提取水域的方法，有歸一化差值水體指數（NDWI）、修正歸一化差值水體指數（MNDWI）、增強型水體指數（EWI）。可以利用水體指數快速提取水體，由于指數型方法快速簡便，得到了廣泛應用。

流域內水體象元的識別能夠獲取河流平面輪廓，如線狀、帶狀、格狀、放射狀，形成對河型類型特征的認識。

3.圖像融合

圖像的地面分辨率反映出地物尺度的識別能力。中分辨率遙感數據的分辨率為100～20m，而高分辨率遙感圖像的分辨率達到5～0.6m。由于各種遙感傳感器的設計應用于不同的目的，其波段的選擇、傳感器的設計也有各自的特點，即使是相同的觀測系統，其各波段影像的空間分辨率也有所差別，如高分二號圖像，多光譜的分辨率為4m，全色波段的分辨率為1m。經過圖像融合算法，彩色圖像地面分辨率達到1m，提高了識別河流微地貌的能力。

4. 多時相遙感影像動態分析

利用遙感圖像多時相的特點，對同一地質遺跡不同時段的遙感影像進行對比，可以分析出地質遺跡演化的過程，氣候、溫度、地質、流水等營力作用對地貌的影響都在不同時相的遙感影像對比中有所發現和驗證，并對未知的地質遺跡的演化發展予以預測和發現。

5.波段比值

比值運算可以呈現地貌的隱伏構造，通過不同波段比值，突出波段間地物光譜的差異，對土壤富水性差異、微地貌變化，起到了圖像增強的效果。比如古河道的解譯，可以通過波段比值加以顯示。

6.3D GIS遙感技術

解譯地表高程起伏較大的地質遺跡如階地、瀑布、跌水時，增加數字高程模型（DEM）是有效的方法。利用3D GIS技術可以實現三維可視化、3D虛擬現實分析，立體顯示地質遺跡的地貌形態，提高解譯的準確度和可視性。利用衛星數據建立的河流流域的DEM，建立沿河流流向的縱剖面和垂直河流流向的橫剖面圖。從河流縱剖面上，可以看到由于巖性不同產生的抵抗河流侵蝕能力差異產生的巖檻、跌水和瀑布等地質遺跡；河流橫剖面圖可以識別河漫灘、江心洲、階地等地質遺跡（圖3）。

圖3 河流橫剖面圖

三、調查成果與分析

黃河中游起點在內蒙古托克托縣河口鎮，中游分界點在鄭州桃花峪，桃花峪之下為下游，孟津以下為黃河三角洲。

黃河中游的大部分地區位于黃土高原，地勢在100～2000m，主要由黃土高原、秦嶺及太行山等構成。河口至禹門口一段流經晉陜峽谷，受到下切和側蝕的作用，發育了典型的曲流；禹門口至三門峽區間，黃河河谷擴展，水流緩慢，汾河、洛河、涇河、伊洛河等支流在此匯聚，河段在汾渭平原迂回擺動，形成了自由曲流。

黃河下游河道位于華北斷塊沉降區，通過開封凹陷、東明斷陷及魯西隆起等地質構造單元，在自然營力和人類活動雙重機制作用下，黃河下游河道已發展演變為舉世聞名的地上懸河，是由典型的游蕩性河床向彎曲型河床過渡的河道。

黃河三角洲地勢西南高東北低，與黃河入海的方向相一致。由于黃河尾閭擺動的影響，這里的地面形成許多溝壑交錯的廢棄河道及防水堤壩，雖經多年風雨剝蝕、人為填補，至今仍見崗、坡、洼相間分布的地形，以及波浪漣漪狀的地貌。黃河帶來的大量泥沙，使三角洲平均每年以2～3km的速度向渤海推進，形成大片的新增陸地。

本文選擇了5個地點作為地質遺跡遙感調查的研究區，研究區內典型地質遺跡見表1。

表1 調查區典型地質遺跡列表

1.山地曲流地質遺跡

山地曲流地質遺跡主要解譯河流的平面形態，從河流蜿蜒度判斷河流的彎曲度。河流蜿蜒度是指河床中心線長度與河床兩端之間直線距離之比。

晉陜峽谷段的黃河是典型的山地曲流（圖4）。在陜西延川縣附近，黃河呈現有7個大彎，永和關彎、乾坤彎、盤龍彎、仙人彎等，此段蛇曲彎多且彎曲程度高，彎曲度最高達到320°，乾坤彎處連續彎曲形成“S”形大彎，經計算此段河流蜿蜒度為2.63，這個數值在晉陜峽谷多個河曲中最高，其彎曲程度表明了河流的流水作用不斷側蝕的河流發展變化過程；在一個區域內有連續的多個彎曲在深切曲流中較為稀有，具有典型性。山地曲流的形成更多是受到地質構造運動，地殼抬升，曲流深切到基巖中而形成的。在地質構造和流水作用的共同影響下，形成了奇特的深切河流形態的地貌景觀。在山地曲流巖壁發育凹槽、曲流中心灘、邊灘，是曲流地質遺跡的不同地貌景觀。

圖4 晉陜峽谷的黃河曲流

2.階地地質遺跡

河流下切侵蝕使原先的河谷底部（河漫灘或河床）超出一般洪水位以上，呈階梯狀分布在河谷谷坡上，這種地形為河流階地。河流階地是第四紀地質時期的河流遺跡，黃河多個區域有明顯的階地。階地沿河呈條帶分布在河谷兩側，與河床縱向平行，多次地殼運動、氣候變化等原因引起的河床下切或堆積變化，形成了多級階地。從圖5 的遙感圖像上可以看出，階地條帶的寬窄特征有所不同，階地一般階面平坦，覆蓋物多為第四紀土壤，下層為河漫灘堆積的礫石層，最下層為基巖。一般來說，河谷中高程最高的時代最老的階地，位于谷坡之上，形態不完整；靠河近的階地是年輕的階地，色調較淺，有一定的連續性。

圖5 黃河中游（陜北-山西）白家峁、-神山村段河流階地衛星遙感影像圖

3.剖面形態地質遺跡

剖面形態地質遺跡指從河流縱剖面或橫剖面上觀察地質遺跡的方法，包括瀑布、跌水、巖檻與壺穴。這類地質遺跡在河床之中，由地勢變化引起。地貌特征為地表起伏較大、分布規模較小，需要高分辨率的遙感影像和DEM數據相結合進行綜合解譯。

瀑布是斷層差異形成的河流從高處泄落的地貌景觀。河流在發育過程中發生斷層，河床的局部高差發生變化，河水垂直或近似垂直傾瀉形成瀑布。

壺口一帶出露的基巖主要是三疊系中部的紙坊組、銅川組地層，其巖性主要為砂巖、泥巖、頁巖互層。砂巖較為堅硬，頁巖松軟破碎，易遭流水侵蝕，在險峻的峽谷中，奔騰的激流在垂直下切時遇到軟硬相間巖石交替沉積的地質條件，其堅硬巖石易形成巖坎，也是斷崖裂點，較軟的巖層則因激流侵蝕而深凹。

巨大河流落差使河水形成了高速噴射的破碎飛沫，飛沫的反射率比河水高，改變了水體光譜的吸收特性，在遙感圖像上瀑布的區域顯示為白色的高反射圖斑，與瀑布周邊的河水形成了明顯差異，瀑布的這一光譜特征是進行瀑布解譯的重要特征（圖6）。

圖6 壺口瀑布衛星遙感影像

因受瀑布水流作用的影響，在壺口瀑布的位置區域產生了多種地貌，包括邊灘、沖蝕凹槽、側蝕洞穴、巖檻與壺穴巖、谷中谷等地質遺跡。利用遙感影像和DEM數據相結合，形成區域裂點前后1600m縱剖面地形高程變化，為解譯地質遺跡增加輔助信息（圖7）。

圖7 河流瀑布區域縱向剖面示意圖

4.辮流地質遺跡

在河口或沖積平原上橫斷面放寬，河流流速降低，水流散亂，河床分成許多河汊，寬窄相間，形如發辮，這樣的河型稱為辮流，也叫游蕩型河段。辮流在山區和平原都有存在。

禹門口位于山西省河津市西北和陜西省韓城市北部的黃河峽谷中，為黃河晉陜峽谷的南端出口。黃河從這里流出晉陜峽谷，擺脫兩岸夾山束縛，形成流路不定的大河辮狀交織水流（圖8）。韓城斷裂與黃河河谷相交，晚更新世該斷裂活動使龍門山體抬升，黃河在禹門口形成裂點溯源侵蝕，不斷向上游溯源侵蝕。禹門口的辮流是典型的平原型河流地質遺跡。

圖8 禹門口黃河辮流遙感影像

禹門口有著特殊的歷史文化價值。禹門口也叫龍門，是大禹劈山治水和鯉魚跳龍門等中華文化歷史故事的地理地點。從科學性和文化價值及觀賞性上，禹門口的地質遺跡應得到重視并應盡快加以保護。

5.平原曲流地質遺跡

在河流中下游的平原地區，地質遺跡的類型有辮流、平原蛇曲、牛軛湖，在自然條件下，曲流彎曲、變直、下移是一個周期迂回過程，發生變化的時間周期與氣候、地質條件有關。與山區曲流的變化相比，平原曲流變化的周期更短，多則百年，少則幾十年。圖9為黃河靈寶市以北三門峽以東段河道不同年份的遙感影像對比，從圖中可以看到河曲在圖像上呈現很深的色調，其演變形跡在圖像上表現為一條條明暗相間的弧形條帶，沙壩收斂的一方指向河流上游，撇下的一方指向河流下游，隨著多年流水環流作用使河流曲流上下河段越來越接近，形成狹窄的曲流頸，洪水時曲流頸被沖開，河道裁彎取直，出現了沉積迂回扇、牛軛湖、曲流等地質遺跡。

圖9 平原曲流與牛軛湖發育形成過程

6. 三角洲地質遺跡

三角洲位于河流的河口地區，是河流入海的河流末端堆積體。三角洲的形成是河口區的堆積作用超過侵蝕作用的結果。河流帶來的大量泥沙沉積物，在河口外海濱區水深較淺坡度平緩的河口區堆積形成了扇形三角洲。通過查看多個時期遙感圖像顯示的不同色調，分析沉積物覆蓋的植被生長的差異和土地利用特點，識別黃河三角洲多種地質遺跡，包括亞三角洲堆積體、河流故道、三角洲消長和海岸帶變遷（圖10、11）。

圖10 黃河三角洲遙感影像河流故道示意圖

圖11 1980、1990、2000、2010年黃河三角洲遙感影像

四、結論

河流地貌類地質遺跡是區域宏觀的，同時具有不同尺度。利用遙感數據進行調查時，從面、線、點逐步進行分析，根據其基本形態、展布規律和空間關系、時間動態演化及與周邊環境的聯系，是解譯地質遺跡的形態并分析成因的有效方法。

黃河中下游的地質遺跡非常豐富，涵蓋了河流地貌的主要類型，利用衛星遙感圖像并結合地質資料和前人的研究成果，對比不同時期的遙感圖像，能夠發現河流演變的過程和地質遺跡的狀況。黃河的地質發育史長達約170萬年，歷經黃河雛形期、河湖并存期、青藏高原隆起期、黃河黃沙期，歷史上黃河決口泛濫約1500次，較大的改道二、三十次，其中有六次重大改道，因此，黃河流域水系的變化反映了區域地貌、地質變化的關聯，同時也對中國歷史的發展產生了很大影響。因此黃河的地質遺跡是非常獨特和典型的，并具有源遠流長的文化內涵。

黃河中下游地質遺跡資源豐富，但是還沒有得到系統性的挖掘和保護，結合黃河流域高質量發展的生態環境保護與經濟社會協調發展的國家重大需求，黃河流域的地質遺跡在科學研究和科普上的價值將為鄉村振興和弘揚黃河文化發揮重要作用。