基于真實感場景影像的天隴鐵路勘察遙感解譯與分析

劉亞林

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

0 引言

隨著高分辨率衛星遙感、載人及無人機遙感、三維遙感可視化等數據獲取、處理技術的不斷革新發展，遙感技術作為鐵路工程地質勘察的有效手段之一，在鐵路勘察設計的各個階段得到了廣泛的應用[1]。遙感技術的發展為地質遙感判釋提供了多源多類型數據，但由于野外地質現象的復雜性和多變性，人工目視解譯判讀仍是地質遙感解譯信息獲取的主要手段[2]。信息技術的發展雖為其提供了多樣化的技術方法，但判釋方法多為基于正射影像或數字高程模型(digital elevation model,DEM)和正射影像相結合的2.5維場景[3-4]，以及采用航空攝影測量單像對判釋的方法[5]。這些方法可適當提高判釋的準確度，但無法較好地表征地表地質景觀特征，對技術人員要求也較高。提高地質信息判釋的準確性是擺在工程地質人員面前主要的技術難題，真實感大場景解譯技術提供了一種快捷的解決方案[6-7]。該技術以框幅式數碼影像數據為基礎，突破了傳統攝影測量單像對量測范圍小，地表景觀表征不全，技術人員使用要求高等限制，形成了大范圍、無縫、多尺度的量測場景。同時延續了數碼攝影測量影像分辨率高、量測精度高、信息量豐富、沉浸式真場景等優點，已在線路工程地質勘察、線路比選、大臨便道及臨電設計、無人機航測制圖等領域發揮著中重要的作用[8]。

天隴鐵路依次跨越黃土梁茆區、盆地中山區、秦嶺中山區3個差異明顯的地貌單元，沿線地形起伏大，地震頻發，構造活動強烈，滑坡、活動斷裂、巖溶等不良地質發育。為了快速獲取區內影響線路方案的關鍵性地質要素分布特征及強度信息，筆者團隊以天水至隴南鐵路勘測階段地質遙感調查為背景，采用衛星遙感與真實感場景相結合的技術方法，對沿線滑坡、活動斷裂、巖溶等開展了詳細的解譯分析，研究成果在外業工程地質勘察、線路方案比選中起到了重要的指導意義。

1 線路概況及遙感技術方法

1.1 線路概況

新建天隴鐵路主要指由甘肅省天水市至隴南市的一條待建客貨共線鐵路。由天水市東部清水縣向南，經麥積區、隴南市徽縣和成縣至武都區，線路全長約200 km。沿線地質地貌環境復雜、地質災害頻發，需兩次翻越秦嶺。線路選線勘測需徹底摸清沿線地層巖性、地質構造等基礎地質背景，探明滑坡、泥石流、巖溶塌陷、活動斷裂等不良地質要素分布位置、規模、活動性特征。尤其區內天水盆地滑坡群、安化盆地滑坡群等新生代黃土滑坡群，西秦嶺北緣斷裂、禮縣—羅家堡斷裂、武都—康縣斷裂等活動斷裂，成縣雞峰山巖溶發育區等3類關鍵性地質問題明顯控制了線路方案的展線設計、隧道口的選取、站場的擺設(圖1)。

1.2 技術方法

為支撐全方位開展方案確定及沿線工程地質勘測，筆者團隊充分采用“天-空-地”一體化勘察技術手段，將衛星遙感、航空遙感、地面調查有序結合，綜合開展分析研究工作。對全線開展了數碼航空攝影測量，利用固定翼載人飛機平臺搭載數碼航攝儀采集了全線分辨率優于20 cm的數碼影像數據，在獲取準確地形數據的同時，制作了三維真實感場景模型產品和配套的厘米級正射影像。收集了全區Landsat OLI 15 m多光譜影像以及12.5 m ALOS PALSAR DEM數據，結合外業現場調查成果對全線開展了詳細的遙感解譯及工程地質條件分析評價工作。

地質遙感解譯分析采用了室內解譯與外業調查相結合，地質解譯與信息提取相結合的綜合技術手段，在充分收集和分析前人已有地形地貌、地理環境、地質構造、地質災害等成果資料的基礎上。結合前期現場踏勘成果，在真實感場景模型以及不同尺度遙感影像中建立滑坡、活動斷裂、巖溶等要素解譯標志，開展全區各類地質信息的提取識別，精確獲取區內各滑坡(群)、活動斷裂帶以及巖溶區的發育位置、規模、強弱程度等信息。并根據線路方案走向及具體展布位置，分析和探討各地質問題對線路方案可能存在的影響和威脅，提出線路展線和工程布設的意見和建議。具體技術流程見圖2。

圖2 真實感場景地質遙感解譯分析技術流程Fig.2 The technical process of geological remote sensinginterpretation and analysis of realistic scenes

2 遙感解譯與分析

2.1 天水盆地、安化盆地滑坡群

天隴鐵路依次穿越天水盆地和安化盆地，盆地內地層主要為新生代以來沉積的弱膠結泥巖、黃土等軟弱層，在多期次強烈地震活動、強降雨、氣候驟變、人為干擾等綜合因素的影響下，盆地內表層地層失穩，發生滑坡，具有多期次、群發性、周期性等特點，多為黃土、黃土-基巖順層滑坡及泥巖切層滑坡[9]。真實感場景影像模型中，滑坡影像標志典型，與周邊正常地表界線截然，整體多呈凹陷狀或連續的錯落陡坎，多見近似圈椅狀、圓弧狀后壁，前緣常見鼓丘狀隆起，部分近期滑坡體地表可見拉張裂縫或封閉的匯水洼地等標志(圖3)。通過解譯分析，與線路方案關系密切的滑坡主要位于天水盆地的牛頭河、潁川河谷兩岸，安化盆地北峪河兩岸等區域(圖4(a)、圖5(a))。

圖3 真實感場景三維解譯觀測環境Fig.3 3D interpretation of the observationenvironment in realistic scene

結合現場調查，可知牛頭河、潁川河兩岸滑坡以黃土-基巖滑坡為主，基巖主要為早古生代大理巖、片麻巖，新近系砂巖、泥巖等，該區共發育滑坡100余處，以連續發育中大型滑坡為特征，單個滑坡長度200～1 200 m，寬度100～1 500 m，厚度5～50 m不等，影像中呈典型的鍋鏟狀、簸箕形等凹槽狀斑塊，滑坡后壁可見清晰陡坎，滑坡體表面可見橫向的滑坡臺坎、拉張裂縫等影像痕跡。結合現場調查及鉆探驗證，對兩區域進行了詳細解譯分析，表明牛頭河、潁川河兩岸滑坡具有以下特點： ①連續群發性，滑坡連續分布，以淺表層黃土滑坡為主，基巖滑坡為輔，滑坡厚度多小于20 m，個別可達50 m，滑面多為黃土與下覆巖基接觸面，多以灰褐色深色含水層為界面； ②低角度，結合DEM高程數據，滑面角度較常規滑坡緩，多在10°～30°之間； ③多期次發育，影像顯示，滑坡多具2～3次滑動痕跡，滑坡前緣多平坦，為早期滑體受風化剝蝕改造所遺留痕跡，滑體上部多鼓起，可見較新鮮錯落臺坎、裂縫，為最新滑坡地表體現，如牛頭河上倪滑坡(圖4(b))。

安化盆地北峪河兩岸滑坡以黃土-基巖滑坡為主，基巖主要為新近系紅色泥巖、砂巖，該區發育有滑坡50余處，規模不一，分布較散亂，具多期次活動特征，以馬街鎮東北側宮堆滑坡為典型，該滑坡體寬約1.4 km，長約600 m，影像色彩特征典型： 整體呈扇形影像斑塊，錯落臺坎影紋清晰，后壁新鮮基巖呈磚紅色影像，至少可見3次活動跡象，滑坡體內部可圈定7處次級滑坡，滑坡體表面發育拉張裂縫，局部存在繼續滑動的可能(圖5(b))。

2.2 活動斷裂

斷裂構造的解譯識別多以其引起的“線狀溝谷、錯斷陡崖、山脊埡口、斷層三角面、水系錯位、連續地下水露頭”等特殊影像形跡為標志，結合區域地質構造背景特征，圈定判釋斷裂構造發育的位置、展布規律等，并根據其是否對第四系地層造成錯斷，區分其是否為第四紀活動斷裂。真實感場景影像可清楚展現斷裂延伸區地表“埡口、臺階、錯斷位移”等微地貌特征，對于斷裂構造的識別、性質的分析優勢明顯。天隴鐵路整體位于華北板塊與華南板塊的拼接部位，由北至南穿越秦嶺—昆侖緯向構造體系和武都山字型構造體系，發育一系列斷裂和構造盆地，新構造運動活躍，活動斷裂發育，與線路相關的區域性全新世活動斷裂主要有西秦嶺北緣斷裂、禮縣—羅家堡斷裂、武都—康縣斷裂等[10]，為降低活動斷裂對線路安全可能存在的威脅，需探清各斷裂發育延伸位置、規模、活動性及影響范圍等。

1)西秦嶺北緣斷裂。西秦嶺北緣斷裂作為是青藏高原早期的北東邊界，整體呈NWW向展布，全長延伸大于400 km，是由多條次級斷裂組成的復合構造帶，其新生代構造活動控制了兩側的盆地沉積演化和構造變形。全新世以來，該斷裂帶主要表現為持續左旋走滑運動特征，歷史上斷裂帶附近曾發生過多次強震破裂活動： 公元734年、公元143年、公元128年地震或均與該斷裂帶有關，以上地震活動也是引起天水盆地大型滑坡群主要誘因。對該斷裂帶的研究由來已久，但前期該斷裂帶在天水市區東側具體延伸位置不明，與天隴鐵路線路關系不清。本次研究在分析已有資料的基礎上，利用真實感場景影像，結合DEM地貌渲染圖，識別提取了斷裂延伸區可能的地表露頭標志： 連續的山凹、鞍部、陡坎等地形標志，規律發育的滑坡、溜灘等地表形變標志。解譯出斷裂帶可能在牛頭河口社棠鎮北部向陽村一帶呈N70°W通過，經過現場核實，斷裂位置解譯準確，現場為一兼具走滑性質壓扭性斷層，可見約3 m斷層壓碎巖帶，兩側巖性產狀變化較大(圖6)。通過分析區域地質資料，推測西秦嶺北緣斷裂帶在該區域處于“半隱伏至半出露狀態”，該組通過解譯識別的斷裂為其地表次級分支，主斷裂帶或隱伏于底部。

圖6 西秦嶺北緣斷裂影像及照片Fig.6 Images and photos of the north front fault belt of the west Qinling Mountains

2)禮縣—羅家堡斷裂。禮縣—羅家堡斷裂整體位于隴南市宕昌縣、禮縣至天水市羅家堡、天水鎮一帶，沿NEE向(70°～80°)延伸，傾向以SSE為主，為兼具正傾滑分量的左旋走滑斷裂[11]。其在天水鎮以西遙感影像較為清晰，沿斷裂可見陡坎、連續沖溝、山凹以及斷頭溝、水系同步錯位等典型影像特征，可較精確識別斷裂延伸的位置，其中在禮縣—羅家堡段沿斷裂兩側發育若干大小不等的滑坡體，影像中可以清晰地識別出單體滑坡及滑坡群的范圍，表明該區段活動性最強，被認為是1654年甘肅禮縣8級地震發震斷裂； 天水鎮以東，至天水市甘泉鎮一帶，斷裂影像形跡逐漸模糊，僅可大致識別其延伸位置，在甘泉鎮區域受中新世—更新世(N-Q3)等新生代地層覆蓋以及后期滑坡群地表形變影響，無明顯斷裂形跡，僅可通過其延伸趨勢以及斷續的山脊埡口地貌，推測其可能延伸軌跡(圖7)。

圖7 禮縣—羅家堡斷裂遙感影像Fig.7 Image of Lixian-Luojiabao fault

3)武都—康縣斷裂。武都—康縣斷裂在區域上整體呈近EW向弧狀展布，西起甘肅省隴南市角弓鄉馬槽灣一帶，經佛崖鄉、鞏家集鄉至陜西康縣境內，斷裂帶全長大于200 km，由西至東可細分為馬槽灣—殿溝里斷裂、馬半山斷裂(北支)、大山子斷裂(南支)、康縣—略陽斷裂等次級斷裂[12]，對線路方案可能造成影響的區段主要為馬半山斷裂武都區佛崖鄉區段。通過影像識別分析，顯示馬半山斷裂形跡較清晰，呈近東西向舒緩波狀延伸，長約60 km，影像中沿斷裂可見連續山體陰影、山凹、沖溝等標志，通過真實感場景影像三維立體測量，結合現場調查，顯示沿該斷裂發育多處左旋斷錯微地貌、斷層陡坎等典型斷層地貌，斷層水平左旋錯位1～15 m之間，局部可達50 m，垂向錯位0.5～2.5 m之間，顯示其具多期次、不同強度逆沖走滑特征，或代表了不同年代、不同強度的地震破裂事件(圖8)。據袁道陽等對武都—康縣斷裂活動速率及活動性研究成果，馬半山斷裂在晚更新世有過活動痕跡，其在全新世以來走滑速率為1.1 mm/a，相對較小，在該區段表現出弱活動性特征[13]。

圖8 武都—康縣斷裂(馬半山斷裂)影像及照片Fig.8 Image and photo of Wudu-Kangxian fault (Mabanshan fault)

2.3 雞峰山巖溶區

巖溶區地表多形成橢圓狀、疊狀、倒錐狀溶蝕洼地及巖溶漏斗等典型巖溶地貌，遙感影像特征與碎屑巖、巖漿巖等地層區差異明顯。徽成盆地南緣斷裂南部為連續高聳山脈，地勢陡峭，山脈整體呈近EW向展布，與北側盆地區呈基巖陡崖“截然”相接，資料顯示，雞峰山地區出露地層主要為下白堊統東河群，巖性以鈣質膠結的礫巖夾泥巖為主，礫巖成分主要為灰巖。

通過解譯識別，顯示在雞峰山地區頂部發育有清晰的巖溶漏斗、溶蝕洼地、落水洞、峰叢等典型巖溶地貌標志，與砂巖、礫巖地層區界線清晰，主要分布在五仙洞—亂山—劉家梁、旱地灣以及刀背梁等區域，面積約7.0 km2。五仙洞—亂山村—劉家梁一帶呈典型溶蝕洼地影像，可見多處圓形、橢圓形洼地影紋，低緩渾圓山包影紋，洼地呈負地形，以碟狀或倒錐狀影像為主，灰綠與灰白深淺交替斑狀影像，整體分布不連續，部分次尖棱連續山脊影紋區巖性以砂巖、礫巖等為主，溶蝕程度較弱； 亂山村北部觀音洞、五仙洞、八仙洞區域發育典型落水洞、溶洞影像，可見地形異常下陷、溶蝕洼地徑流截然終止、背陽方向陰影發育等典型影像特征(圖9)。

圖9 雞峰山巖溶較發育區影像特征Fig.9 Image characteristics of the relatively developed karst area in Jifeng Mountain

結合地形及影像特征，表明區內落水洞、溶洞主要為地下暗河出口或入口，其中五仙洞東側為洼地、天坑最低處，其對周邊洼地區域內自然降水、巖溶水等起匯集、排泄作用，為暗河入口； 觀音洞洞口處相對高位，影像中可見向西北側坑灣一帶降低的自然溝谷，為暗河出口。

3 討論及建議

新生代以來，印度板塊向北俯沖，與歐亞板塊碰撞后造山，引起青藏高原的持續隆起，進而導致青藏高原東南緣地塊發生一系列構造拉伸變形。中新世—晚更新世期間，受NW-SE向持續性區域構造伸展作用的控制，甘肅南部形成了一系列的拉分盆地： 武山盆地、天水盆地、安化—成縣—徽縣盆地(簡稱安化盆地)等，即盆—嶺構造地貌雛形。在后期差異化隆升作用的影響下，盆—嶺地貌不斷接受改造變形，形成目前“斷裂夾持狹長盆地”的特殊地貌現狀[14-15]。天隴鐵路由北至南跨越多個微地貌單元，沿線需穿越巨型滑坡群、活動斷裂構造延伸區、集中性巖溶區等地質環境復雜區域，本次采用基于真實感場景影像的遙感解譯分析手段，配合外業現場調查，快速獲取了各關鍵性要素的準確信息。

通過遙感綜合解譯分析，顯示天水盆地、安化盆地內均發育大型滑坡群，以黃土滑坡為主，滑坡體幾乎“布滿”河谷兩岸。線路在上述區域設計展線中，需提前繞避大型滑坡及滑坡群，選擇滑坡規模小、穩定性好、地下水不發育且可防治區域通過，隧道工程盡量做到早進洞，晚出洞，隧道口選擇地層、坡面穩定區域，且提前預防后期工程擾動發育次級滑坡的可能。

區內可能影響線路方案布設的活動斷裂主要有西秦嶺北緣斷裂、禮縣—羅家堡斷裂、武都—康縣斷裂等。通過解譯分析，西秦嶺北緣斷裂在天水市麥積區以東處于“半隱伏至半出露狀態”，地表反映不強，建議設計線路方案在該斷裂帶延伸區以短隧道方式近似垂直通過，在做好抗震措施前提下，斷裂帶對線路影響較小； 結合區域地質資料，推測禮縣—羅家堡斷裂向東受西秦嶺北緣斷裂“阻截、牽引”影響，斷裂或呈隱伏狀且規模逐漸減弱，設計線路方案由甘泉鎮向南通行，在推測斷裂延伸區，建議以路基+淺埋隧道方式大角度通過，斷裂帶對線路影響小； 線路方案在武都區佛崖鄉北側呈向南凸出的弧形通過，與馬半山斷裂段近似平行延伸，長度約1 km，距離最近處約300 m，鑒于馬半山斷裂目前“活動性”不強，對線路工程影響一般，線路方案設計中，需盡量采用短橋或路基工程降低風險，并將方案盡量向北擺動，遠離馬半山斷裂影響區域。

雞峰山地區巖溶發育不均勻，強弱不等，以五仙洞至觀音洞一帶發育程度最強，可見明顯溶蝕“天坑、溶洞”影像，亂山村至劉家梁一帶次之，溶蝕洼地發育，其他區域相對較弱。參考地形數據、地表水系、斷裂構造發育特征，推測區內巖溶水排泄主要包括西北向和東北向2個方向。西北向排泄至小川鎮水源地一帶，以地下暗河為主，地表徑流不明顯； 東北向沿斷層或自然溝谷排泄至劉家坪一帶，以地表水系及地下暗河方式為主。參考區內地層巖性展布特征、產狀等，區內巖溶強發育區主要位于早白堊世礫巖地層中，其中強溶蝕區礫巖以鈣質膠結為主，礫石成分主要為灰巖、白云巖等碳酸鹽巖，鑒于雞峰山地層產狀較緩，傾角多小于15°，推測早期溶蝕孔洞主要沿層理呈水平方向延伸，后期受垂向構造裂隙影響，部分水平溶蝕坑洞“貫通”、“上下互聯”，形成目前地下暗河特征，綜合推測該區地下水主要為構造裂隙水與巖溶水，且受地表降雨影響較大，區內巖溶洼地、坑洞對其起到匯集排泄作用。線路方案的設計展線中，需要盡量繞避巖溶強發育區，同時遠離巖溶水地下排泄通道，降低隧道工程打破原有地下水排泄系統的風險，建議后期在推測的地下水排泄通道區域開展深部鉆孔驗證，保障隧道工程的安全穩定。

4 結論

本研究以真實感大場景高精度立體影像為基礎，對天隴鐵路沿線存在的各類地質問題開展了詳細的解譯分析工作，經過外業現場核查，得出以下結論：

1)天水盆地內牛頭河、潁川河兩岸滑坡密集發育，具有連續群發性、低角度、多期次發育特征； 安化盆地內北峪河兩岸滑坡分布相對散亂，同樣具備多期次活動特征，以宮堆滑坡為典型，線路方案須盡量繞避大型滑坡體，選擇地層、坡面穩定區域通行。

2)西秦嶺北緣斷裂、禮縣—羅家堡斷裂在線路通過區地形特征不明顯，均呈隱伏狀，武都—康縣斷裂形跡清晰，在設計線路南側通過，對線路可能存在影響。線路方案在斷裂延伸區須盡量大角度短距離通過，減少并行區間，并采用路基或短橋短隧方式降低風險。

3)雞峰山巖溶區內溶蝕洼地、天坑、溶洞等形跡較清晰，發育面積約7 km2，現場調查表明該區域巖溶發育不均勻，強弱不等，線路方案需要盡量繞避巖溶強發育區，同時遠離巖溶水地下排泄通道。

天隴鐵路作為典型的山區鐵路，地質環境復雜，地質災害頻發，除考慮帶動當地經濟、旅游發展等社會因素外，線路方案的布設受地質條件的制約明顯。該線路橋隧占比高，需要選擇出地質環境穩定、無不良地質威脅的安全區域作為隧道進出口，對外業地質勘察要求極高，受山區地形、交通以及視野局限性限制，在短時間內難以完成大面積的精確調繪。本研究借助遙感技術手段，利用其獨特的“天空”視角，快速、準確地識別出了前期制約線路方案的各類地質要素信息，配合外業調查，形成了高效實用的遙感技術信息成果，充分發揮了“天-空-地”一體化綜合勘察技術優勢，為今后此類復雜山區鐵路、公路建設提供了有力的理論技術支持。