斷裂帶區域風化層模型構建與測繪數據分析

摘 要：本文針對斷裂帶區域風化層特性，提出了一種數字空間模型構建與測繪數據分析方法。本研究整合高分辨率遙感影像、地質調查數據以及現場實測資料，并結合地理信息系統（GIS）技術，構建了精細的三維風化層模型。運用機器學習和深度學習算法對海量數據進行分析，準確識別不同風化程度的區域，并揭示風化過程與斷裂活動性的內在聯系。本研究不僅為斷裂帶區域的地質災害預警、資源勘查規劃提供了科學依據，還推動了數字地球技術在地球科學領域的應用與發展。

關鍵詞：斷裂帶；風化層；數字空間模型；測繪數據分析

中圖分類號：P 23 文獻標志碼：A

在地球科學研究中，斷裂帶區域地質構造復雜并不斷動態演化，對地質災害、礦產資源和生態系統具有重要影響。風化作用是地表演變的關鍵驅動力，在斷裂帶尤為復雜，受地質結構、氣候和地形等多重因素影響[1]。因此，精確描述斷裂帶內風化層的空間分布及其與斷裂活動的關系至關重要。傳統方法在處理此類問題過程中面臨數據獲取難、分析手段有限等挑戰。隨著GIS、遙感技術、數字化測繪和大數據分析方法發展，本文提出了一種“斷裂帶區域風化層數字空間模型構建與測繪數據分析”方法。該方法基于先進測繪技術，結合GIS平臺，整合高分辨率遙感影像、地質調查和實測數據，構建了精細的三維風化層模型。采用機器學習和深度學習算法，對海量數據進行智能分析，以準確識別不同風化區域，揭示風化與斷裂活動的內在聯系[2]。本研究旨在填補斷裂帶風化層精細建模與綜合分析的空白，推動數字地球技術在地球科學中的應用與發展，為地質災害預警、資源勘查規劃和生態環境保護提供科學依據。本研究優化了數據處理流程和模型參數，可提升模型的實用性和預測能力，為相關領域的研究與實踐提供有力支持。

本研究聚焦于深圳市南山區的后海斷裂帶，該區域位于深圳市的核心地帶，具有重要的地質研究價值。為深入探索后海斷裂帶的構造特征及其對區域穩定性的影響，本研究廣泛收集了多種地理數據，并進行了系統的數據標準化處理與空間建模。

1 研究區域地理數據概況

本研究聚焦深圳市南山區后海斷裂帶，該區域地質復雜，對區域穩定影響深遠。項目廣泛收集多種地理數據，包括1∶1000和1∶10000數字化地形圖、南山地區高精度數字高程模型等，為區域三維空間建模提供堅實基礎。同時，整合了工程勘察數據庫、鉆孔柱狀圖、水文資料、工程勘察報告以及風化層等值線圖，盡管面臨數據標準不一、格式多樣和部分缺失等挑戰，項目團隊進行了細致的數據標準化處理，統一了技術標準與格式，構建了綜合地理數據庫。在此基礎上，本項目采用先進的曲線、曲面內插技術，對工程數據進行加密處理，成功構建了填土（石）層、淤泥層和不同風化等級（強、中和微風化）的數字空間模型（DSM）。這些模型不僅精確反映了后海斷裂帶的地質結構，還揭示了風化層與斷裂活動的內在聯系，為后續地質災害預警、資源勘查和生態保護研究提供了強有力的數據支撐。

2 數據收集和預處理

2.1 數據收集

數據收集是構建數字空間模型的首要步驟，主要包括遙感影像數據、地形數據、地質圖件和實地調查數據等。1） 遙感影像數據。利用衛星或無人機等遙感設備獲取斷裂帶區域的遙感影像數據。這些數據能夠提供地表覆蓋信息，包括植被、水體和巖石裸露情況等，為風化層的識別提供重要依據。2） 地形數據。利用數字高程模型（DEM）或地形圖等數據，獲取斷裂帶區域的地形信息。地形數據能夠反映地表的起伏變化，對分析風化層的空間分布和形成機制具有重要意義。3） 地質圖件。收集斷裂帶區域的地質圖件，包括地層、構造和巖性等地質信息。這些圖件是分析風化層形成和分布的基礎資料，對理解地質背景和構建數字空間模型至關重要。4） 實地調查數據。進行野外實地調查，獲取風化層的實際分布、類型和程度等信息。實地調查數據是驗證遙感影像解譯結果和地質圖件信息的重要手段，也是完善數字空間模型的重要依據。

2.2 數據預處理

數據預處理是保證數據質量和提高模型構建精度的關鍵步驟。主要包括數據格式的轉換、坐標系的統一、數據的清洗和整理等。1） 數據格式轉換。將收集的各種數據轉換為統一格式，以便于后續的數據處理和分析。例如，將遙感影像數據轉換為GIS軟件可識別的柵格數據格式，將地形數據轉換為DEM數據格式等。2） 坐標系統一。保證所有數據的坐標系一致，以便進行空間疊加和分析。根據研究區域的實際情況，選擇合適的坐標系（例如WGS84坐標系或地方坐標系），并將所有數據轉換到該坐標系下。3） 數據清洗。對收集的數據進行檢查和清理，去除重復、錯誤或無效的數據，包括檢查遙感影像的云層覆蓋、去除地形數據中的異常值等。4） 數據整理。將清洗后的數據進行分類、整理和歸檔，以便于后續的數據分析和模型構建。例如，將遙感影像數據按照不同的波段進行分離，將地形數據按照不同的高程等級進行劃分等。

經過上述數據收集與預處理過程，獲得準確、完整和一致的數據集，為后續的數字空間模型構建和測繪數據分析奠定堅實基礎。

3 斷裂帶區域風化層數字空間模型構建

3.1 數據內插研究

本文采用58個程勘察項目的3817個鉆孔點，但是并非均勻分布在研究區域（約9km2），也不是每個鉆孔都采樣到微風化層，為使建立的各風化層模型更合理、光滑，需要對部分沒有鉆孔的區域進行數學內插加密鉆孔點。TIN高冪次內插在構建風化層數字空間模型中表現優異，應主要歸因于其顯著優勢。1） 細節捕捉能力較強。高冪次內插能精細刻畫地形微變，提升模型精確度。2） 失真降低，能使DEM更貼近實際地形，準確反映表起伏。3） 表面更趨平滑，可減少數據稀疏或噪聲引起的突變，增強視覺自然度。4） 能有效抑制噪聲，提高模型穩定性和可靠性。5） 擅長處理復雜地貌，尤其在山區、丘陵地帶，能精準模擬山脊、山谷等地形，增強真實感。6） 模型適應性增強，調整冪次可靈活應對不同地形，優化模型表現。綜上所述，TIN高冪次內插方法因其高精度、平滑度和復雜地形處理能力而成為構建風化層DSM的理想選擇。

3.2 數字空間模型構建

在構建數字空間模型前，需要對收集的地質數據進行預處理和標準化處理，包括數據的清洗（去除異常值、填補缺失值等）、坐標轉換（統一到同一坐標系下）以及數據標準化（如歸一化處理），以保證數據的準確性和一致性。建立數字空間模型一般遵循以下3個步驟。

第一，將離散點（等高線上的頂點也作為離散點處理）建立不規則三角網（TIN），采用線性或高冪次內插標準格網點Z值，5次內插方程式如公式（1）所示。

（1）

式中：cki為趨勢面系數；k為一個重要系數；i為積分上限；x、y為空間中具體的坐標點。

高冪次多項式內插（以二元五次內插為例）的數學公式如公式（1）所示，它類似于線性內插，認為表面模型是連續和光滑的（其二階導數不為0）。從數學上說，由于5次多項式在內插過程中考慮相鄰三角形的幾何特性，因此垂直于每一個三角形的法線是連續變化的，相鄰三角形邊線上的法線無斷裂，內插的表面是光滑的。

第二，在TIN基礎上采用不同的內插方法，按照標準間隔內插建立標準格網（Lattice），即每個格網的中心點具有X、Y和Z值，在實際儲存中只儲存模型的左下角X/Y坐標、行數、列數、格網間距以及按照規則排列的Z值，使用者根據待求點X、Y坐標，按照規則就可以讀取該點的Z值。

第三，將Lattice按一定標準轉換成DEM數據文件（USGS的*.dem格式和ASCII文件）或圖像文件，供使用者應用，建立數字空間模型（DSM）的方法和流程如圖1所示。

本文在研究的斷裂帶區域中收集了地質勘探數據、遙感影像以及實驗室測試數據等。經過數據預處理和標準化處理后，應用這一理論和方法，采集地面高程數據（高程點和等高線），建立了南山地區數字高程模型（DEM），如圖2所示。

4 測繪數據分析

后海深厚風化槽地理信息系統（GIS）的主要功能是將本項目的研究成果按照GIS的理論和方法，在GIS系統下展現和分析南山地區地質地理數據、既往地質勘察成果和深厚風化槽不同風化層數據。本項目根據多種類型探測點探測的地層分層數據（本項目主要區分強風化層、中風化層和微風化層），分別建立了后海地區強風化層、中風化層和微風化層3個地層的數字高程模型（DEM），并研究各風化層頂部的DEM特征，包括其走向、深度，已基本判斷出后海地區深厚風化槽的深度和范圍：風化層最深處位于濱海大道-科苑南路交叉口西南側的紅土創新廣場與大成基金總部大廈附近（坐標：X=17071，Y=103080），其微風化層頂部高程為-155.4m，強風化層至中風化層厚度通常為60m左右，中風化層至微風化層厚度通常為30m左右。在該范圍和周邊地區，深厚風化槽呈北-南方向連續漏斗狀。分析風化層分層數據可知，后海斷裂帶基本呈北-南走向，長度約3.5km，最大寬度700m以上（位于紅土創新廣場附近）。南山地區地面模型、微風化層頂部模型與鉆孔深度間的分析如下：在ArcScene上，根據南山地區地面模型、微風化層頂部模型與鉆孔深度等數據可以直觀地分析三者間的關系，如圖3所示。

由系統數據分析共獲取2018年02月—2020年12月覆蓋監測區的52期重復軌道COSMO-SkyMedSAR影像，利用PS-InSAR技術提取533000余個特征點地表形變數據。分析監測區整體形變時空特征，統計監測區范圍內的148151個PS點形變速率、累積形變量，以掌握整體形變的分布情況。

5 不確定性分析與誤差評估

在斷裂帶區域風化層數字空間模型構建與測繪數據分析中，不確定性和誤差的存在是不可避免的[3-4]。這些不確定性主要源于數據采集的精度、模型構建的假設條件以及分析方法的局限性。首先，在數據采集過程中，由于儀器精度、人為操作誤差以及環境因素（例如天氣、地形等）的影響，所獲取的數據本身就存在一定的不確定性。這種不確定性會在后續模型構建和數據分析中進一步放大。其次，在模型構建過程中，為了簡化問題，通常需要對實際情況進行假設和近似。這些假設和近似的合理性直接影響模型的準確性。如果假設條件與實際情況相差較大，那么模型的不確定性也會相應增加[5]。最后，在數據分析過程中，不同的分析方法對數據的敏感度和處理效果也不同。一些分析方法可能無法充分反映數據的內在規律和特征，從而導致分析結果出現誤差。

6 結論

本文深入研究了斷裂帶區域風化層數字空間模型的構建與測繪數據，成功建立了高精度的可靠空間模型，并對該區域的風化層特征進行了全面分析。研究結果表明，數字空間模型能夠有效揭示風化層的空間分布規律和變化趨勢，為地質災害防治、工程建設和地質環境評估提供了科學依據。同時，對測繪數據的深入分析進一步增強了模型的可靠性和實用性。盡管在模型構建和數據分析過程中存在不確定性和誤差，但是本文采取了一系列措施，已經將其影響降至最低。未來研究將繼續優化模型構建方法，提高數據分析精度，為地質研究和應用貢獻更多力量。

參考文獻

[1]許珂.基于BIM與GIS技術的建筑體及其周邊環境的三維模型建立[J].信息記錄材料，2020（3）：122-124.

[2]白畯文，李念容，鄭永新.城市級三維GIS場景快速構建及應用實踐[J].國土資源信息化，2021（2）：54-59.

[3]程曉莉.GIS建庫技術在礦山測繪工程中的應用[J].中國金屬通報，2022（11）：246-248.

[4]李國慶.探析無人機遙感技術在測繪工程測量中的應用[J].電子質量，2022（6）：99-101，124.

[5]占華旺，蔡國富，張志偉.南海北緣古近紀斷裂活動規律及控盆特征：以陽江東凹為例[J].大地構造與成礦學，2021（1）：20-39.