铁路遥感地质勘察技术体系研究

高 山

(1.中国地质大学 (武汉)，武汉 430074;2.中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

如今铁路项目的前期研究和设计方案受各类环境因素影响的加大，方案变更频繁，要求在有限的工期和缺乏数据的情况下，快速高效完成选线设计和工程地质勘察工作。工程地质调查是工程地质勘察的重点和基础工作，人工调查往往受一些特殊环境条件限制，如山区、高原、沙漠、湿地、禁区等，导致铁路勘察进度缓慢、成本高的现状［1］。

航空航天遥感正朝“三多”(多传感器、多平台、多角度)和“四高”(高空间分辨率、高光谱分辨率、高时相分辨率、高辐射分辨率)方向发展，极大地提高了遥感的观测尺度、对地物的分辨本领和识别的精细程度，而且使遥感地质发生了由宏观探测到微观探测，由定性解译到定量反演的质的飞跃，将遥感地质和应用都推向一个新的高度［2］。国内外航测遥感研究机构已在全数字摄影测量与遥感制图、三维可视化铁路选线、工程地质遥感图像解译、激光雷达测量技术等方向［3-6］，开展了大量的技术研究和开发工作，积累了较丰硕的技术成果，并在多条地形地质条件复杂的铁路工程中得到应用，拓展了在铁路遥感技术应用的深广度。

目前，由于铁路遥感勘察体系和某些关键技术还没有完善和有效突破，以及生产应用中还存在较多问题，如技术方法可行性、精度质量可靠性、系统协同性、作业精细化、体系结构完整性等。因此，深入开展铁路遥感地质勘察技术体系研究对于建设铁路勘察信息一体化有着深远的意义。

1 铁路遥感地质勘察技术现状

遥感技术为支持铁路勘察、规划和建设工作的数据采集和更新提供了必要的数据源;它的应用可以扩大地质勘察范围，克服地面调查的局限性，增强预见性，并可减少外业工作量，提高调查效率［7］。铁路遥感勘察技术已广泛应用于铁路建设预可研、可研阶段，包括工程地质可行性评价，地质选线与优化，工程方案地质比选，线路地质灾害调查与发展趋势分析评价等。铁路遥感勘察整个作业过程包括准备工作、初步判释、外业验证调查与复核判释、最终判释与资料编制［8］。判释内容主要包括地形地貌分析、区域地质背景分析、地质灾害分析，长隧道、特大桥、车站等重难点工程地段的地质分析及位置选择等。

一般预可行性研究主要应用陆地卫星图像和小比例尺航空遥感图像两者结合使用。卫星影像主要为美国资源卫星的TM、ETM等;航空遥感图像目前主要是应用黑白航空像片，有时也应用彩色红外片或其他航空遥感片种，比例尺1∶2万～1∶5万。可行性研究主要应用大比例尺黑白航空像片和高分辨率卫星影像(如 SPOT、IKONOS、QuickBird等)。遥感解译精度评价主要体现在解译目标的几何位置、边界形状、属性内容和相互关系等，铁路工程地质遥感规程规定:踏勘、加深地质、初测、定测勘察阶段成图比例尺分别对应为1∶5万～1∶20万、1∶1万 ～1∶5万、1∶1万 ～1∶20万、1∶2 000～1∶10 000，要求遥感图像解译精度在空间尺度上符合相应的成图比例。

铁路遥感图像空间分辨率、成图比例尺、工程地质解译要素对应关系，如表1所示。

表1 空间分辨率、成图比例尺、工程地质解译要素关系

根据已完成的多项铁路遥感勘察项目，总结出以下问题:(1)各种比例尺的航卫片为解译基础资料，多借助立体镜或软件工具辅助专家判释、手工标注，人工劳动强度大、效率低;(2)解译详细程度因人为因素局限性大，且多为定性描述，尚未实现岩性定量识别和单个地质体定量分析，难以拓展到后续勘察阶段的工点测绘、勘探孔布置、弃砟场选址;(3)遥感勘察手段单一，很少利用高光谱岩石填图、InSAR地表形变监测、高陡边坡激光雷达成像的高精度、定量化遥感技术;(4)基础数据综合利用率低，工程地质条件分析与评价多为定性的主观思维模式，缺乏行之有效的具有数据集成、信息提取、质量分析和定量评价的信息系统。

2 铁路遥感地质勘察技术体系设计

2.1 体系目标

由于受地质环境的复杂性和多解性的客观条件制约，铁路工程地质调查长期处于外业劳动强度大、投入高产出低、质量难以保证的现状，跟不上其他站前专业的信息化勘察技术的步伐，遥感地质勘察技术是改变这一被动局面的突破口。3S技术和地球空间信息技术的发展为工程地质调查提供了多方位、多视角、多层次和动态观测的信息化技术，提供了开阔的人工调查视野和逼真的地理环境模型，为铁路勘察提供了各种尺度和精度的地物、地形、地质的几何形状、空间位置、目标属性信息。有必要深入研究遥感精细解译关键技术和制定详细作业程序，满足不同地质环境、勘察阶段、工程类型条件下的铁路工程地质勘察业务需求，建设信息化、系统化、标准化的成套铁路遥感地质勘察体系。最终达到精细指导地质调绘工作，提高综合地质勘察质量和效率，减少外业工作量，解放劳动力的目标。

2.2 研究方法

充分考虑铁路地质勘察、线路选线设计、遥感地质解译等传统工序和业务需求基础上，以先进的地球空间信息技术前瞻性研究为指导，充分发挥遥感、GPS、GIS空间信息技术在铁路勘察中的专业特长。研究方法主要包括技术调研、资料收集、可行性分析、生产试验、系统开发、项目应用、质量评价、标准制定等，建设集遥感信息解译、三维地理建模、工程地质调查、综合勘察资料分析为一体的高层次的铁路遥感地质勘察信息平台，并建立起工程地质、线路、遥感作业接口，达到专业资料共享、互通的目的，形成铁路遥感勘察技术标准和工作程序，改进传统铁路工程地质勘察方法。

2.3 技术体系结构

基于遥感图像识别理论和工程地质遥感解译的基础理论，解决工程地质遥感空间信息提取关键技术，即基于多光谱影像的构造信息提取，基于机载LIDAR技术的微地貌地形信息提取，基于高光谱遥感技术的岩性信息定量提取，基于多时相InSAR地表形变调查与监测，基于地面激光扫描和三维成像技术的高陡边坡调查。重点研究工程地质信息提取、遥感地质解译知识库、多源地学空间信息集成、三维铁路地理环境建模、工程地质条件区划与评价。技术体系结构见图1。

具体实施步骤:

(1)根据铁路勘察阶段及工程地质调查内容要求，针对性选取遥感图像、图像处理方法和组合方式，确定遥感图像分辨率、解译精度与成图比例尺关系;

图1 技术体系结构

(2)基于ENVI遥感图像处理软件IDL二次开发，实现基于多光谱、高光谱、雷达数据的工程地质解译要素提取算法，建立工程地质遥感解译信息模型;

(3)基于Google Earth数字地球平台二次开发，实现多源空间数据集成、线路平纵断面定线及三维可视化影像解译的业务应用系统;

(4)遥感解译数据和非遥感数据基于ArcGIS空间分析模块开发，进行工程地质条件分区、不良地质致灾可能性及其危害性评价;

(5)结合工程项目，针对不同地貌类型、勘察阶段、工程地质条件和工程设计，选取针对性的遥感地质勘察方法，编制遥感勘察大纲、作业细则和技术文档;

(6)遥感勘察资料与现场地质测绘、物探、钻探、试验资料进行对比验证、解译精度评价与质量分析。

3 铁路遥感地质勘察系统关键技术

3.1 工程地质遥感解译知识库模型

工程地质遥感解译知识库，是为了配合专家系统对遥感图像进行解译而建立的数据库。其搭建目的是将专家解译的实际经验及解译分析数据进行整理合并，保证在自动解译中的数据供给和调用。由于不同岩土体及工程地质现象的波谱特征及时空特征在遥感图像上的显示不同，解译知识库将常用的典型地物解译信息进行归类入库，描述其不同波谱下的解译原则［9］。具体研究有微地貌、水系结构、岩石岩性、断层构造、不良地质等工程地质图像特征和解译标志关系，引入GIS、高程知识、纹理知识、空间几何特征及其组合进行系统分析，建立图像实体与工程地质对象之间的地学信息关系图谱，提炼出较通用的图例、符号语言、图形、图解方法，应用GIS空间关系数据模型建立工程地质解译标志数据库。

3.2 工程地质岩性信息提取

北方山区具有气候恶劣、交通不便和植被稀少的特点，地面调查困难，采用高光谱数据进行岩性识别，其高维信息具有良好岩石岩性诊断性特征［10］。此外，光谱吸收特征反映了岩石的矿物成分、化学成分、结构构造及其风化层的物性特征。南方山区具有高植被覆盖和岩石风化强烈的特点，岩石零星裸露，岩性信息微弱，高光谱定量识别困难，仅利用多光谱遥感难以实现岩土工程性质分类，还需要融合其他多源信息［11］，例如地层岩性、地形地貌、地面调查等。多源信息的获取和选择是关键，遥感影像的植被、光谱和纹理信息以及坡度和斜坡结构作为数据源，并进行多源数据融合，再利用支持向量机进行岩土工程性质分类，最后对分类结果进行评价。

3.3 地质灾害遥感识别

(1)滑坡识别

滑坡识别的主要目的是自动或人机圈定可能发生滑坡区域，将滑坡目视解译的先验知识(描述性特征)进行定量描述和表达。通过多源数据融合识别滑坡，从而降低滑坡的误判性，提高滑坡识别率。通过对遥感影像、地形、地质信息的空间分析，进行面向斜坡单元的滑坡识别。斜坡单元是山谷线和山脊线围成的斜坡区域，而面向滑坡提取的斜坡单元要考虑滑坡发育的斜坡特征，叠加坡度分级图对斜坡单元进一步划分。

(2)崩塌识别

崩塌信息提取方法，对已知崩塌的遥感影像进行光谱和纹理特征分析，获取崩塌识别先验知识;利用DEM提取坡度大于一定阈值的区域;通过高分辨率影像提取基岩裸露(或高反射率)区域;综合上述信息圈定崩塌范围。崩塌提取的关键是裸地和弱植被图斑的提取与筛选及地形阴影的去除，崩塌在影像上本底信息的关键指数除了植被指数外，还有土壤亮度指数、第一主成分变换信息及地形数据等通过集成计算图像作为裸地提取的源数据。

(3)潜在泥石流识别

采用划分的泥石流流域作为评价基本单元，选取构成泥石流潜在形成条件的因素作为关联因子。采取的潜在泥石流隐患区判别方法，类同于地质灾害危险区划分方法，以其潜在风险程度的高低作为判定泥石流潜在形成可能性大小的依据［12］。评价指标的基础数据均为定量描述的数据，采用标准化、规格化、均匀化方法统一量纲，代入评价模型。拟采用GIS的叠加分析法，将生成的表示各个指标的流域栅格图层，参考前人的标准重新分级量化，然后分别赋予权重进行所有因子栅格图层的地图代数运算，得出最终预测结果。

(4)断裂构造识别

断裂构造是影响铁路工程基础稳定的主要因素，活动断裂沿线常常伴随着堰塞湖、岩堆、冲积堆、滑坡、泥石流等不良地质现象。断裂构造的解译标志包括断裂构造几何学、运动学和动力学特征以及断裂性质的解译标志。通过三维遥感图像和山体阴影图的半透明叠加，可以突出断裂构造信息，同时参考地形信息、地质图信息，以及经过边缘增强图像、亮度反转、彩色空间变换和锐化等处理方法所得到的图像，再进行目视解译，有利于提取断裂构造信息。

3.4 工程地质条件评价模型

工程地质条件具有多因素、多层次、不确定性强等特点，需要对评价的目标、决策变量、功能和作用深入分析，确定主要组分的最相关因子，如地震烈度、降雨量、坡度坡向、沟谷切割密度、断层性质、岩性、岩石质量、斜坡结构、地下水、工程类型等，为每个因子的每一分类等级规定出相应的级别值，计算出各项因素评价指标值，运用GIS空间分析方法计算出综合工程地质特性最优值指标，编制评价分级图［13］。对于评价因子的选取，必须结合工程地质特征和工程特性(隧、桥、路、站)，找出影响工程稳定性的最大贡献率的因子组合，作为评价综合指标。采用ArcGIS数据图层的叠加操作的方法，将每个准则图层与对应的权重相乘(加权过程)，然后对加权后的准则图层进行逻辑叠加操作，得到工程地质条件综合评价图。

4 结语

由于传统铁路遥感勘察多用于小比例尺地质调查或大型地质灾害调查，尚未实现全线大比例尺调查，缺少针对单体工程的精细遥感勘察方法，造成后期勘察中遥感作用十分有限的现状。基于现代遥感对地观测技术和大比例尺解译技术研究，提出以遥感系列技术手段为主与地面验证为辅的工程地质遥感调查方法，突破了传统铁路带状地质测绘的模式，可以满足不同地理环境、地质条件、工程类型的地质调查业务需求，达到减少外业工作量，提高调查效率和质量，并有效指导地质测绘、勘探布置和工程地质条件评价的目的，推进铁路勘察信息一体化建设进程。

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