三維“大場景”遙感技術(shù)在西康高鐵地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

肖述文

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

1 概述

遙感解譯技術(shù)在鐵路選線地質(zhì)勘察方面應(yīng)用極為廣泛，尤其在山坡陡峻、地形困難且地層巖性復(fù)雜的山區(qū)[1-5]。為提高復(fù)雜地質(zhì)勘察效率和解譯質(zhì)量，三維高精度遙感勘察技術(shù)[6-7]、三維可視化遙感影像解譯[8-11]、多源遙感技術(shù)[12-13]、三維多尺度遙感技術(shù)[14-15]、三維大場景遙感解譯等相繼被應(yīng)用于鐵路選線地質(zhì)勘察中。呂希奎等[16-17]建立虛擬鐵路選線系統(tǒng)的三維真實(shí)地理環(huán)境，利用遙感技術(shù)和數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行快速選線，實(shí)現(xiàn)了虛擬環(huán)境選線系統(tǒng)地形三維可視化的要求。楊新亮[18]綜合遙感解譯技術(shù)和野外地質(zhì)調(diào)查手段，勘察了庫格鐵路阿爾金山區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征，為鐵路選線提供了重要依據(jù)。劉桂衛(wèi)等[19]在蒙華鐵路地質(zhì)勘察中將高分辨率遙感和三維遙感相結(jié)合，對(duì)不良地質(zhì)分布特征進(jìn)行解譯，為鐵路地質(zhì)選線提供參考。

西康高鐵沿線溝谷狹窄、山坡陡峻、地形困難，地層巖性復(fù)雜，巖石軟硬不均，工程性質(zhì)差，不良地質(zhì)和斷裂構(gòu)造發(fā)育。以常規(guī)方法進(jìn)行勘察很難使勘察資料滿足要求，為指導(dǎo)地質(zhì)調(diào)繪工作，提供地質(zhì)工作效率及精度，在工作區(qū)域開展三維“大場景”遙感地質(zhì)解譯工作，以更好的查明該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性和不良地質(zhì)，經(jīng)與野外勘察對(duì)比，為高鐵選線地質(zhì)勘察提供重要依據(jù)。

2 三維“大場景”遙感技術(shù)

2.1 定義及構(gòu)成

三維“大場景”遙感技術(shù)又稱真實(shí)感場景遙感技術(shù)，是指利用影像數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)生成的一種真三維空間場景技術(shù)。大場景遙感技術(shù)體系由本單位自主研發(fā)，該技術(shù)體系構(gòu)建了以高精度的大范圍三維地形場景為基礎(chǔ)的線路協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，為鐵路工程地質(zhì)勘察及選線設(shè)計(jì)提供一套全新的手段和環(huán)境。

三維“大場景”遙感技術(shù)主要由兩套軟件系統(tǒng)構(gòu)成：即ImageStereo系統(tǒng)和StereoMaker系統(tǒng)。其中ImageStereo為用戶端，主要用于立體觀測(cè)解譯，該系統(tǒng)的主要功能包括：恢復(fù)帶狀航空大場景三維立體影像環(huán)境；立體觀測(cè)及畫線解譯；與CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)雙向映射等。ImageStereo為數(shù)據(jù)生產(chǎn)端，主要用于立體數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。

2.2 三維“大場景”立體數(shù)據(jù)的生產(chǎn)

大場景立體數(shù)據(jù)的生產(chǎn)主要有三方面內(nèi)容：一是按測(cè)段生成DEM數(shù)據(jù)；二是按測(cè)段生成正射影像；三是利用DEM數(shù)據(jù)和正射影像生成大場景立體。

DEM數(shù)據(jù)的制作需要EO文件(航片的外方位元素)。航空攝影在初始航飛獲取影像文件時(shí)，同時(shí)會(huì)獲取單個(gè)像片的初始EO文件，該EO文件記錄了每張航片曝光點(diǎn)的X、Y、Z位置信息及飛行的姿態(tài)參數(shù)φ(滾轉(zhuǎn)角)、ω(俯仰角)、κ(航偏角)，再經(jīng)過外業(yè)刺點(diǎn)及內(nèi)業(yè)航測(cè)空三加密處理，可獲取單像片精確的EO文件，最后利用最終的EO文件及相機(jī)文件，利用Inpho按測(cè)段生成DEM數(shù)據(jù)，再利用DEM數(shù)據(jù)對(duì)航空影像進(jìn)行正射糾正，獲取航空正射影像。

航空正射影像及DEM數(shù)據(jù)生產(chǎn)完成后，就可以利用大場景系統(tǒng)軟件Stereomaker進(jìn)行立體數(shù)據(jù)生產(chǎn)，最終生成立體觀測(cè)文件及其他輔助性文件。

2.3 三維“大場景”遙感解譯系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

三維“大場景”遙感解譯系統(tǒng)與傳統(tǒng)的遙感地質(zhì)解譯方法相比具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：(1)立體效果逼真，所反映的地形地貌及地質(zhì)特征極為清晰；(2)解譯過程方便，易于控制，實(shí)時(shí)更新解譯成果到CAD中；(3)解譯尺度靈活，放大縮小自由操作，可進(jìn)行動(dòng)態(tài)多尺度觀測(cè)解譯；(4)解譯過程可參考既有矢量資料，即CAD中的矢量文件可實(shí)時(shí)映射到立體環(huán)境中，二者可“自由通信”；(5)立體定位快速靈活，大場景的智能驅(qū)動(dòng)功能可根據(jù)坐標(biāo)值或里程位置快速定位解譯目標(biāo)，克服了航空影像定位查找耗時(shí)費(fèi)力的缺點(diǎn)；(6)解譯成果易于修改和更新，采用圖層控制功能使得修改過程變得簡單方便；(7)解譯的效率及精度較高。

2.4 遙感技術(shù)應(yīng)用

以大比例尺DMCⅡ230數(shù)字航空遙感圖像(分辨率為0.5 m)作為遙感解譯數(shù)據(jù)源，采用高精度三維大場景遙感技術(shù)及航空正射影像圖相結(jié)合的方法進(jìn)行遙感地質(zhì)解譯。在遙感應(yīng)用手段上采用以遙感為基礎(chǔ)的3S一體化技術(shù)方法，即利用遙感技術(shù)、結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)、全球定位技術(shù)及本單位自主研發(fā)的真實(shí)感場景(大場景)三維遙感技術(shù)等高科技手段，采用地質(zhì)學(xué)相關(guān)分析的綜合系列方法，進(jìn)行遙感地質(zhì)判釋工作；在不良地質(zhì)判釋的過程中，采用二維與三維遙感影像相結(jié)合的方法進(jìn)行，利用航測(cè)空三加密數(shù)據(jù)獲取的DEM，輔以三維瀏覽軟件(如ERDAS、ARCGIS、ARCSCENE、大場景三維系統(tǒng)等軟件)，在三維地形模型上疊加遙感影像圖紋理和恢復(fù)航空影像的真實(shí)感場景，制作出三維立體解譯環(huán)境，進(jìn)而從不同角度、不同的高度對(duì)地質(zhì)災(zāi)害體進(jìn)行觀察和判讀，通過對(duì)二維與三維圖像進(jìn)行一體化的觀察與分析，最終在二維平面及三維大場景立體環(huán)境中進(jìn)行畫線判釋。二維、三維結(jié)合，使得判釋出的成果更加可靠，精度更高。

2.5 工程地質(zhì)解譯及精度

三維大場景立體解譯環(huán)境除了提供高精度無縫的三維帶狀立體影像外，還具有豐富的編輯解譯功能，也可將諸多輔助解譯矢量要素映射到三維立體環(huán)境中，進(jìn)行綜合認(rèn)知和解譯。

遙感解譯首先以收集的地質(zhì)資料作為解譯的先驗(yàn)標(biāo)志，初步總結(jié)圖像信息特征，再經(jīng)野外調(diào)查驗(yàn)證建立準(zhǔn)確的解譯標(biāo)志。在遙感應(yīng)用程序上，堅(jiān)持室內(nèi)判釋—野外核對(duì)-室內(nèi)復(fù)判不斷深化的過程；先用遙感指導(dǎo)地面調(diào)繪，再用地面調(diào)繪驗(yàn)證和修改遙感判釋資料。通過各種遙感數(shù)據(jù)的不同層次信息，從宏觀到微觀的信息傳遞，進(jìn)行相關(guān)判釋、對(duì)照及現(xiàn)場驗(yàn)證，提高了判釋質(zhì)量和判釋效果。工作區(qū)遙感圖像反映的地質(zhì)信息相對(duì)比較清晰，解譯標(biāo)志明顯，尤其是對(duì)大中型滑坡的解譯有很高的準(zhǔn)確性。由于地質(zhì)環(huán)境情況在圖像上反映得十分清楚，能夠快速判定重點(diǎn)調(diào)查部位和調(diào)查路線，大大提高了野外調(diào)查工作的目的性和測(cè)圖速度，提高了成圖質(zhì)量。

3 遙感技術(shù)在地質(zhì)勘察中的應(yīng)用

3.1 工程概況及航空遙感影像覆蓋情況

西安至安康高速鐵路北起西安東站(紡織城站)，經(jīng)引鎮(zhèn)從大峪口西側(cè)穿越秦嶺主脈，于太和鄉(xiāng)穿出，后沿乾佑河西岸南下。經(jīng)柞水西、鎮(zhèn)安西、小河西站，南至安康西站，正線全長約175 km。包家山越嶺地段北起小河鎮(zhèn)南至安康西，長約39 km，寬約8.2 km，共320 km2，屬南秦嶺中山區(qū)地貌，溝谷狹窄、山坡陡峻、地形困難，地層巖性復(fù)雜，以泥盆系、志留系地層為主，巖石軟硬不均，尤其是千枚巖夾片巖，含炭質(zhì)夾層，巖質(zhì)軟弱，工程性質(zhì)差，不良地質(zhì)和斷裂構(gòu)造發(fā)育。

為指導(dǎo)地質(zhì)調(diào)繪工作，提供地質(zhì)工作效率及精度，在工作區(qū)域開展遙感地質(zhì)解譯工作，以更好地查明該區(qū)域的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性和不良地質(zhì)，為設(shè)計(jì)和工程設(shè)置提供依據(jù)。西康高鐵航空攝影工作于2017年2月完成，采用DMCⅡ230數(shù)字化航空攝影儀進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取。攝影面積約2 640 km2，攝影比例為1∶2 000，影像分辨率優(yōu)于0.2 m，全線共分7個(gè)測(cè)段進(jìn)行攝影測(cè)量工作(圖1)，最終獲取影像5 260張，其中本次工作覆蓋520張，面積約320 km2。

圖1 航空影像覆蓋示意

3.2 地質(zhì)構(gòu)造解譯及標(biāo)志

結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料及大場景遙感影像特征，工作區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造展現(xiàn)典型的解譯標(biāo)志，主要表現(xiàn)為線性負(fù)地形影像特征、水系沖溝、地貌的強(qiáng)烈反差及色調(diào)異常。經(jīng)遙感地質(zhì)判釋，斷裂構(gòu)造為工作區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造。

3.2.1 斷裂構(gòu)造解譯

線性負(fù)地形影像特征是該工作區(qū)斷裂構(gòu)造典型的解譯標(biāo)志，也是本線最普遍的解譯標(biāo)志[20-21]。遙感影像中，可見一系列平直如刀切狀或舒緩波狀的線性負(fù)地形影像特征，并呈現(xiàn)為定向排列的特點(diǎn)。這些負(fù)地形影像特征是明顯具有連續(xù)性或間斷連續(xù)性的線性影像特征，并且會(huì)切割山體，破壞了山體完整的空間地貌形態(tài)。除此之外，水系沖溝和色調(diào)異常也可以作為斷裂構(gòu)造的解譯標(biāo)志。色調(diào)異常主要表現(xiàn)為受斷裂控制的地層條帶表現(xiàn)出強(qiáng)烈的色調(diào)差異，受斷裂控制的盆地邊緣及山前斷裂帶處的色調(diào)異常，含水性差異所造成的色帶異常等。

對(duì)工作區(qū)斷裂構(gòu)造進(jìn)行判讀，再利用三維大場景技術(shù)對(duì)斷裂構(gòu)造的微觀特征進(jìn)行解譯，主要是根據(jù)斷裂構(gòu)造在三維“大場景”影像上反映出的地貌及形態(tài)特征，如根據(jù)兩種截然不同的地貌單元，帶狀負(fù)地形或斷層崖、斷層三角面、斷層埡口、裂口、對(duì)頭溝、對(duì)口溝、平直段河谷以及水系成直角拐彎等標(biāo)志進(jìn)行判釋。

(1)區(qū)域性斷裂構(gòu)造

F13麻坪斷層：斷層整體呈舒緩波狀展布，走向?yàn)楸蔽飨颉鄬釉诰€路附近展布超過10 km，為一規(guī)模巨大的逆斷層。在三維大場景影像中，可明顯看見一條開闊的線性負(fù)地形，斷裂形成的線性谷地寬度約100 m，即形成了1條寬約100 m的斷裂谷(圖2)，保持了良好的線性構(gòu)造空間延展性。斷裂兩側(cè)均可見整齊排列的斷層三角面，斷裂谷與兩側(cè)主干溝谷呈近乎垂直狀，組成“豐”字形水系類型。本區(qū)主要的水系類型有樹枝狀、角狀、倒勾狀、平行狀及“豐”字形水系等，尤其在盆地的邊緣或是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈的地區(qū)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查驗(yàn)證，該斷裂走向N70°W，傾北，傾角54°，逆斷層，破碎帶寬50～100 m，主要由碎裂巖、斷層泥、斷層角礫組成。

圖2 麻坪斷層航空遙感影像特征

(2)次級(jí)斷裂

f71和f72斷層：f71斷層與f72斷層組成“Y”字形構(gòu)造，其大場景三維立體影像見圖3。可以看出兩個(gè)斷層中大多數(shù)地段地貌特征較為明顯，發(fā)育著一系列對(duì)頭溝和斷層埡口，埡口內(nèi)被第四系填充，線性負(fù)地形具有間斷連續(xù)性特征，形成了較規(guī)律的線性構(gòu)造。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查驗(yàn)證，f71斷層走向N36°W，傾北，傾角40°，逆斷層，破碎帶寬20～30 m，主要由碎裂巖、斷層角礫組成；f72斷層局部三角面較發(fā)育，斷層走向N74°W，傾北，傾角65°，逆斷層，破碎帶寬30～50 m，主要由碎裂巖、斷層泥、斷層角礫組成。

圖3 f71、f72斷層航空遙感影像特征

f73和f74斷層：f73斷層與f74斷層呈近似平行狀展布，其三維大場景立體影像見圖4。可以看出f73斷層北西端地貌特征較為明顯，斷續(xù)發(fā)育有斷層埡口，斷層三角面，斷層南東端遙感解譯標(biāo)志不明顯；f74斷層絕大多數(shù)地貌特征明顯，斷續(xù)發(fā)育有斷層埡口，斷層三角面，呈串珠狀分布。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查驗(yàn)證，f73斷層走向N6°W，傾北，傾角55°，逆斷層，破碎帶寬10～20 m，主要由碎裂巖、斷層泥、糜棱巖組成；f74斷層走向N67°W，傾北，傾角60°，壓扭性逆斷層，破碎帶寬10～20 m，主要由碎裂巖、斷層泥組成。

圖4 f73、f74斷層航空遙感影像特征

f75和f76斷層：f75斷層與f76呈近似平行狀展布，其三維大場景立體影像見圖5。可以看出兩個(gè)斷層大多數(shù)地貌特征明顯，斷續(xù)發(fā)育有對(duì)頭溝、斷層埡口等。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查驗(yàn)證，f75斷層走向N80°W，傾北，傾角60°，張扭性斷層，破碎帶寬10～30 m，主要由糜棱巖、斷層角礫、斷層泥組成；f76斷層走向N69°W，傾北，傾角85°，張扭性斷層，破碎帶寬10～30 m，主要由糜棱巖、斷層角礫、斷層泥組成。

圖5 f75、f76斷層航空遙感影像特征

3.2.2 地層巖性解譯

工作區(qū)地層巖性十分復(fù)雜，部分巖性呈過渡狀態(tài)，且存在兩種巖性互呈穿插接觸的情況，加之秦嶺南部中山區(qū)植被茂密，因此本區(qū)巖性界線的解譯較為困難，解譯程度較低。地貌的強(qiáng)烈反差是構(gòu)造解譯另一個(gè)重要的標(biāo)志，特別是在盆地的邊緣或山前地區(qū)，一般為隱伏構(gòu)造最重要的指示。根據(jù)遙感影像特征及區(qū)域地質(zhì)情況，巖性解譯根據(jù)主要巖性類別特征分為以下兩種。

(1)泥盆系灰?guī)r夾板巖類

主要分布于工作區(qū)域的東北角。在三維大場景立體影像中，該段地形相對(duì)陡峻，溝谷深切，地形切割相對(duì)強(qiáng)烈，山脊多尖棱狀，平行狀、樹枝狀、角狀、“豐”字形等水系類型發(fā)育。本段發(fā)育的石灰?guī)r地區(qū)由于巖質(zhì)堅(jiān)硬，一般呈明顯的正地形，受構(gòu)造擾動(dòng)的地段分化較重，局部呈負(fù)地形。板巖分布區(qū)區(qū)域最大的特征就是分化極為強(qiáng)烈，山脊山谷都有不同程度的第四系覆蓋層，某些受地質(zhì)構(gòu)造控制。千枚巖分布區(qū)域在影像中最典型的特征是千枚理特征極為清晰，呈明顯定向排列的特征，具有較明確的解譯標(biāo)志。

(2)志留系、震旦系片巖、千枚巖類

主要分布于工作區(qū)域的西南角。在三維大場景立體影像中，該段地層與上述泥盆系地形最典型的區(qū)別是表現(xiàn)在地形地貌上，即地形相對(duì)較緩，溝谷淺，地形切割相對(duì)淺。山脊亦呈尖棱狀，波狀紋理清晰，樹枝狀、羽狀水系發(fā)育。巖石分化較重，山間分布第四系地層。

3.2.3 不良地質(zhì)解譯

工作區(qū)不良地質(zhì)主要有人為坑洞、巖溶、崩塌、危巖落石、滑坡等。其中滑坡在大場景上判釋標(biāo)志比較直觀，判釋效果較好，該工作區(qū)典型滑坡為魯家河滑坡和麻坪河滑坡群。人為坑洞，洞口一般在陡壁上，大場景上地貌特征不明顯。巖溶弱發(fā)育，主要以溶孔、溶隙及小溶洞為主，大場景上地貌特征不明顯。崩塌、危巖落石一般發(fā)育在陡峭的巖壁上，小規(guī)模的崩塌及危巖落石在大場景上地貌特征較明顯。

(1)魯家河滑坡

該滑坡體分布于桐木鎮(zhèn)魯家河邊，在大場景三維影像上可見滑坡圈椅狀地貌明顯，前緣略微隆起(圖6)。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，該前緣為第四系覆蓋，未見基巖。滑體上人工改造為耕地，坡面上的老房子有開裂現(xiàn)象，后緣可見基巖裂隙水滲出。

圖6 魯家河滑坡航空遙感影像特征

(2)麻坪河滑坡群

該滑坡群分布于麻坪河右岸，嚴(yán)格受麻坪斷層的控制，呈串珠狀分布。在大場景三維影像中，可見滑坡后緣的斷層三角面，滑坡體地貌上呈弧形地貌，坡體上植被稀疏，多開辟為耕地(圖7)。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證，滑坡體前緣為第四系覆蓋，未見基巖；前緣局部隆起，后緣能見明顯的滑坡后壁。

圖7 麻坪河滑坡群航空遙感影像特征

不良地質(zhì)判釋中大場景對(duì)滑坡的判釋效果較好，能宏觀和直觀上對(duì)滑坡體進(jìn)行判釋。工作區(qū)滑坡多為堆積土滑坡，滑坡體上植被稀疏，圈椅狀和弧形地貌明顯，有陡峭的滑坡壁和滑坡臺(tái)階，一般在大場景上均能較清晰反映。

4 結(jié)論

包家山越嶺段地質(zhì)條件復(fù)雜，為提高勘察效率和質(zhì)量，采用三維“大場景”立體解譯平臺(tái)，對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行了遙感解譯，得出結(jié)論如下。

(1)對(duì)工作區(qū)判釋程度較低的巖性做了宏觀解譯劃分。根據(jù)三維影像的微地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水系等類型，結(jié)合沖溝密度、紋理信息、形狀信息、色調(diào)異常等綜合遙感解譯標(biāo)志，對(duì)巖性進(jìn)行綜合判釋，建立了大的巖類基本的遙感影像解譯標(biāo)志。

(2)斷層和滑坡主要分布在包家山越嶺段，對(duì)地質(zhì)選線影響較大。通過遙感解譯，其特征表現(xiàn)為：麻坪斷層形成有寬度約100 m的線性谷地，魯家河滑坡圈椅狀地貌明顯，前緣略微隆起；麻坪河滑坡群可見滑坡后緣的斷層三角面，滑坡體地貌上呈弧形地貌，坡體上植被稀疏，多開辟為耕地。

(3)通過對(duì)地質(zhì)構(gòu)造及不良地質(zhì)體的判釋解譯，取得了較高精度的遙感地質(zhì)解譯信息，指導(dǎo)地面地質(zhì)調(diào)繪，縮短了工期，提高了工作效率。摸清了分布狀態(tài)及規(guī)模，并通過重點(diǎn)調(diào)查驗(yàn)證，反復(fù)判釋，其準(zhǔn)確率得到了很大的提高，為鐵路選線方案提供了重要依據(jù)。