资源一号02C卫星数据在北京岩溶水资源勘查评价工程中的应用

程洋， 童立强， 郭兆成， 莫源富,纪轶群

(1．中国地质科学院岩溶地质研究所，桂林 541004；2．中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083；3.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195)

资源一号02C卫星数据在北京岩溶水资源勘查评价工程中的应用

程洋1， 童立强2， 郭兆成2， 莫源富1,纪轶群3

(1．中国地质科学院岩溶地质研究所，桂林 541004；2．中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083；3.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195)

以资源一号02C(ZY1-02C)卫星数据为数据源，以GIS为数据处理平台，以遥感地质理论和水文地质理论为指导，将遥感技术应用于北京岩溶水资源勘查评价工程中。通过水文地质遥感解译和综合分析，优选了一处新的供水水源地，建立了适用于北方岩溶区的含水岩组和泉点的遥感解译标志，提出了基于GIS的水文地质分析方法，扩展了国产资源卫星数据的应用领域。

遥感；资源一号02C(ZY1-02C)卫星；水文地质；岩溶水资源

0 引言

北京市水资源匮乏严重，水资源人均占有量不足300 m3，是全国人均水平的1/8，世界人均水平的1/30。为解决北京地区水资源供需矛盾，北京市政府启动了北京岩溶水资源勘查评价工程，以期立足于本地水资源，寻找新的供水水源地。遥感技术(RS)具有视域宽广、探测手段多样、受地面条件限制小和经济高效等特点，能快速、准确地获取各类水文地质信息，是水文地质调查的重要手段之一。

遥感技术在水文地质调查工作中已得到了广泛的应用：景志熙利用卫片和航片圈定了地下水富水块段，判译了暗河出入口和滑坡[1]；周笑绿等总结了一套在全掩盖或半掩盖区进行遥感水文地质解译的工作方法[2]；江卫等利用Landsat TM 数据在西北陇县—淳化岩溶区进行了水文地质解译，获取了工作区的水系、地貌、地层和构造信息[3]；刘春玲等应用遥感手段对云南九龙河流域的自然地理条件、岩性构造进行了研究，建立了一些水文地质要素遥感影像的解译标志[4]；郭庆十[5]和罗太近[6]等分别总结了遥感技术在区域水文地质调查中的应用和MapGIS在水文地质调查中的应用；杨清华总结了水文地质与工程地质遥感调查技术标准体系的研究现状与进展[7]。这些成果充分发挥了遥感技术强大的数据获取能力，对本次研究具有指导意义。这些成果大多以单一的水文地质要素解译为主，缺少系统的水文地质遥感分析；且多以Landsat TM，SPOT5等国外卫星为数据源，国产资源卫星应用实例还较少。

资源一号02C(ZY1-02C)卫星数据在基础地质调查、地质灾害调查与监测、矿产资源开发调查与监测和土地执法等领域得到了广泛应用，成果丰硕。本次研究将ZY1-02C卫星数据应用于水文地质领域中，以寻找北京市新的供水水源地为目标，将国产高分遥感数据应用于北京岩溶水资源勘查评价工程中。既要实现寻找北京市新的供水水源地的目标，还要建立部分水文地质要素的遥感解译标志，有利于促进国产资源卫星数据的应用,拓展国产资源卫星的应用领域。

1 研究区概况及数据源

以北京市平谷县北山地区为研究区，该区碳酸盐岩广泛出露，是北方岩溶区的典型地区。地形与地貌轮廓控制了该区河流的流向和格局，区内的蓟运河水系由北流向东南，形成了反映地势总倾斜形态的似扇状水系。研究区以碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组为主，是最主要的含水层；碎屑岩裂隙含水岩组、侵入岩裂隙含水岩组、火山岩裂隙含水岩组、变质岩裂隙含水岩组、松散堆积物孔隙-裂隙含水岩组是相对隔水层。岩溶地下水来源以裸露岩溶区大气降水的入渗补给为主，地表水体渗漏和相邻含水层的越流补给为辅。目前，研究区的岩溶水资源利用率还较低，有较大的潜力成为北京市新的供水水源地。

研究使用的遥感图像为2012年春夏时相的ZY1-02C卫星数据制作的正射影像图(图1)，该图采用R(B3)G(B4)B(B2)合成，并与B1全色波段融合，空间分辨率为2.36 m。图像立体感层次较分明，色调与对比度反差适中，地物边缘清晰，满足1∶5万水文地质遥感解译的需求。

图1 研究区正射影像图Fig.1 DOM of the study area

2 水文地质遥感解译

地质遥感解译的方法主要有直译法、追索法、类比法及综合分析法4种，在实际解译过程中通常采用的是这4种方法的综合应用。具体解译步骤为：①初步解译; ②野外踏勘，建立解译标志; ③详细解译; ④野外验证; ⑤补充解译，完善解译成果。

水文地质遥感解译遵循地质遥感解译的一般原则、方法和步骤，同时结合水文地质学的原理和对象进行解译。

2.1 含水岩组的遥感解译

根据水文地质遥感解译的一般步骤，本次工作在分析已有资料的基础上，基于02C彩色合成图像的影像特征，结合野外踏勘建立了各个含水岩组的解译标志(图2)。

(a) 碳酸盐岩含水岩组典型影像和实地照片 (b) 碎屑岩含水岩组典型影像和实地照片

(c) 侵入岩含水岩组典型影像和实地照片 (d) 火山岩含水岩组典型影像和实地照片

(e) 变质岩含水岩组典型影像和实地照片 (f) 松散堆积物含水岩组典型影像和实地照片

图2 各类含水岩组的典型遥感影像和实地照片

Fig.2 Remote sensing images and photoes of water-bearing formation

1)碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组。与我国西南热带-亚热带岩溶区相比，研究区受雨热条件控制，溶蚀作用较弱，碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组的影像特征不典型，解译标志不甚显著，不具备花生米状的纹理等典型碳酸盐岩的影像特征，也没有溶蚀洼地，灰岩陡坎等典型岩溶地貌的影像特征。但与研究区其他类型含水岩组相比，因为存在一定的溶蚀作用，其沟谷切割程度高，近直线状影像阴影较多，山脊较为圆润，水系稀疏，色调多呈墨绿色。如图2(a)。

2)碎屑岩裂隙含水岩组。研究区的碎屑岩较为坚硬，导致陡崖、陡坎等地形发育，水系以羽状、菱格状-树枝状为主，水系密度较小；多带状、条带状影纹，色调较碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组的要浅。如图2(b)。

3)侵入岩裂隙含水岩组。侵入岩多数缺少层理影像特征，构成特殊的影纹图案(粗斑状、姜块状、鸡爪状)，由于球形风化和节理对冲沟、小水系发育的控制，具有钳状-树枝状、菱格状-树枝状水系特征。如图2(c)。

4)火山岩裂隙含水岩组。研究区火山岩的岩性变化较大，风化及含水性不同，影像图上反映的地形地貌、植被发育差异大，解译程度低。区别于其他含水岩组最主要的特征是具有蠕虫状、斑点状、斑块状的影纹。如图2(d)。

5)变质岩裂隙含水岩组。岩石类型复杂，岩相变化大，厚度大小不一，解译标志复杂且不稳定，解译难度较大。研究区区域变质岩以片麻岩为主，色调深浅交错；有直线形、扭曲状、环状或不规则形状的条纹条带影纹，其影纹特征为主要解译标志。水系多呈丰字形。如图2(e)。

6)松散堆积物孔隙-裂隙含水岩组。研究区的松散堆积物主要是冲积、洪积、坡积和湖积等成因的第四纪堆积物。松散堆积物上人类活动强烈，多耕地、道路、水利设施等。相比其他基岩裂隙含水岩组，其影像特征明显。如图2(f)。

受遥感影像对比度和时相的影响，色调标志不是含水岩组的主要解译标志，纹理标志才是区分各类含水岩组的主要依据。

2.2 泉点解译

泉点是含水层或含水通道与地面相交处产生地下水涌出地表的现象，是地下水的天然露头，是地下水的一种重要排泄方式。

由于持续干旱导致地下水位下降，人类生活用水增加和乡村旅游开发，北京市的泉(特别是水量较大的泉)基本都被开发利用，成为居民生活用水的水源地，或水产养殖基地，泉口多被封闭管道引流，地表基本不形成径流，或者水量小径流不明显；同时，由于北京市山区生态环境持续好转，植被茂盛，遮蔽了地表径流，遥感影像特征不明显。因此，泉的直接遥感影像解译标志非常不明显(图3)。

(a) 植被异常标志 (b) 干河道出水点标志 (c) 养鱼池标志 (d) 人工建筑标志标志

图3 泉点的遥感解译标志

Fig.3 Interpretation marks of spring

1)在遥感图像上的不规则线状的植被异常茂盛，附近有水库、池塘等地表水域，其上游存在泉点。如图3(a)。

2)干涸河道的出水处，可识别为泉点。北方地区暗河系统不发育，在干河道的出水处，多数为泉水出露的位置，而不是岩溶干谷内地下河的出口。如图3(b)，在河道的上游有较大型的块石散落，没有明显的地表流水，在大块石消失的部位，有水体出现，此干涸河道的出水处即为泉点。

3)在小型水体周围出现规则的养鱼设施附近区域肯定有泉水，尤其是岩溶泉水的出露点。规则的养鱼设施主要养殖经济价值较高的冷水鱼类(如虹鳟鱼)，其对水源的要求较高，必须有温度较低、温差小、水量较为恒定的水源。岩溶泉水满足这样的条件，因此，规则的养鱼设施附近肯定有泉点。如图3(c)。

4)人类聚居区附近或山前的小型人工建筑。在村落附近或汇水条件好的山前会有水窖，这类水窖通常都是在自然泉点的基础上经人工扩建而成。周围有连接村落的道路和地下富水的指示,即异常的茂盛植被。如图3(d)。

泉点的遥感解译标志已经超出了地物的大小、几何形状、色调、饱和度、纹理结构等传统遥感解译标志的范畴，需要结合地形地貌，植被覆盖，人类活动等多方面的因素进行解译。

2.3 线性影像单元解译

研究区的线性影像包括断层和裂隙。根据遥感地质学的原理，断层的解译标志主要体现在以下5个方面: ①岩性、地层影像标志被切割和错开地层重复或缺失，形成线性异常影像; ②直线状或者串珠状分布的近圆形负地形是岩溶区断层的重要解译标志; ③影像具有明显的水系直角湾、山脊错动、穿过山脊的线性影像特征; ④相邻水系的同步扭曲是平移断层的重要标志之一，其中以支流平行水系的同步扭曲最为典型; ⑤影像上直接可见的破碎带和近直线状分布的采石场是断层的重要解译标志。根据野外调查经验，采石场往往都会分布在断层破碎带附近，以降低开采难度，减少工作量。

与断层相比，裂隙没有明显的水系同步弯曲、山脊错动等影像特征，其解译标志为直线状或者近于直线状沟谷及线性展布的多条较小规模沟谷。

2.4 地表水系及流域解译

地表水对地下水的补给、运移和排泄有重要影响，是岩溶地下水的补给方式之一。研究区的地表流域-水系要素都采用机助方法自动提取，并通过影像及地形资料分析进行了人工分级。相比于传统方法，这样做不仅速度快、效率高，而且成果准确，内容更为丰富(如对冲沟信息也得到了很好反映)。

2.5 水文地质遥感解译成果

按照水文地质遥感解译的一般原则和方法，结合遥感解译标志，详细解译了研究区的各类水文地质要素。通过野外检查和补充解译完善了解译成果，编制了水文地质遥感解译成果图(图4)。

图4 水文地质遥感解译成果图Fig.4 Map of remote sensing interpretation of hydrogeology

3 水文地质综合分析

前述的水文地质遥感解译工作充分发挥了遥感技术的优势，快速准确地获取了研究区与岩溶水资源密切相关的要素信息。以水文地质理论为指导，综合分析这些解译成果能够进一步阐明研究区的水文地质条件和岩溶水资源的补给—径流—排泄特征，实现圈定富水区，优选备用水源地。

3.1 含水岩组的富水程度分析

本次研究的对象是岩溶水资源，主要分析碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组的富水程度。根据水文地质理论，含水地层的富水程度与地层的厚度、岩性和裂隙发育程度密切相关，通常按照平水年的泉流量来划分。这种划分方法需要大量的长期观测数据，通过遥感无法直接获取这些数据。冲沟，断层和裂隙的密集程度是岩石性质、地层厚度和裂隙发育程度在地表的综合体现，与基岩的破碎程度和大气降雨的入渗系数正相关，可以用来分析含水岩组的富水程度。本次研究按照碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组单位面积内的冲沟、断层和裂隙的密度来划分碳酸盐岩含水岩组的富水程度。

将包含冲沟、断层和裂隙空间分布信息的线文件与碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组的解译成果进行空间叠加分析，计算出碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组中冲沟、断层和裂隙的平均密度为2.3 km/km2；再利用GIS的网格统计功能，将冲沟、断层和裂隙的密度高于平均密度的碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组定为强富水程度岩组，反之为中等富水程度岩组。其结果与1∶60万北京市水文地质图的成果基本吻合。

3.2 断层的富水性分析

断层是地下水的贮水空间、集水廓道、导水通道和隔水屏障，分析断层的富水程度对富水区的分析有重要意义。

根据水文地质理论，断层的富水程度取决于断层的上下盘岩石类型、力学性质、规模和近期活动性等因素。本次研究在GIS平台上分析断层的富水程度。第一步，根据断层的力学性质判断断层的富水程度，张性和张扭性断层判断为富水断层。第二步，分析压性及压扭性断层和性质不明断层的富水程度：首先进行缓冲区分析，构建压性及压扭性断层和性质不明断层的10 m缓冲区，将断层的“线”变为“区”,再进行空间叠加分析，将断层缓冲区与研究区含水岩组遥感解译成果进行空间叠加分析；然后进行属性输出，计算断层10 m缓冲区内的各类含水岩组的面积；最后根据判断原则分析其富水程度。判断的原则是如果碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组面积大于或等于该断层10 m缓冲区面积的1/2，则判断该断层为富水断层，反之为非富水断层。第二步的实质是通过定量分析断层上下两盘的岩石类型判断断层的富水性。第三步,将分析结果赋入断层“线文件”的属性中，在GIS中实现可视化。

3.3 富水区推断

岩溶地下水的赋存条件与岩性、构造及地形地貌等因素密切相关。一般意义上，岩溶地区的4种类型区域最有可能成为岩溶地下水的富水区：①碳酸盐岩质纯层厚的岩溶发育区；②可溶岩与非可溶岩的接触带或者岩溶区岩相变化最大的地段；③岩溶区内的构造破碎带和构造褶曲急剧变化带；④岩溶区的地形低洼地段或者河谷地段。

根据水文地质遥感解译成果和上述推断依据，本次研究共推断出3处岩溶地下水富集区(图5)。每处岩溶地下水富水区域的上游都有碳酸盐岩质纯层厚的岩溶发育区，都位于岩溶区的地形低洼地段，处于岩溶水的排泄区，一般还能受基岩裂隙水和第四纪松散层孔隙水的补给，水的循环交替强烈，对岩溶地下水的补给和储存非常有利。

图5 研究区的富水区Fig.5 Rich water area of study area

3.4 新水源地概况

位于平谷区峪口镇附近的富水区是研究区的最优水源地(图6)。峪口镇位于山前倾斜平原，属于岩溶区的地形低洼地段，地势北高南低。地下水补给方式以大气降雨补给为主，地表水和非岩溶地下水补给为辅。补给区面积超过400 km2，其中碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组的分布区约180 km2，松散堆积物空隙含水岩组的面积约150 km2，有利于大气降雨的入渗补给；补给区内的2条河流流经了大片的岩溶区，部分地表水沿河床的岩溶裂隙渗入地下，地表水补给地下水；补给区内的F1，F2，F3，F4，F5和F6断层都是富水断层，横切了碳酸盐岩地层和其他非碳酸盐岩地层，使碳酸盐岩含水岩组与其周围的非碳酸盐岩隔水层发生了水力联系，将非碳酸盐岩隔水层中的裂隙水导入碳酸盐岩含水岩组中，非碳酸盐岩地下水补给岩溶地下水，断层起了导水作用，为导水型的富水断层。补给区北部和东部的边界为碳酸盐岩与碎屑岩和变质岩接触的隔水边界，西部边界为碳酸盐岩与埋藏型碎屑岩接触的隔水边界，3个方向都是岩性隔水边界，不会发生大规模的潜排。根据遥感解译和实地调查结果，3个方向上也没有大泉排泄，地下水受隔水边界的控制向地形的低洼区流动，整个区域内的地下水应该是自东北，西北和北部往南流，在峪口镇附近以潜排的方式排泄，地下水资源丰富。

图6 新水源地简图Fig.6 Map of new water sources

4 结论与讨论

本次研究首先将ZY1-02C卫星数据应用与水文地质领域中，既寻找到了北京市新的供水水源地，又建立了一些水文地质要素对应ZY1-02C卫星数据的遥感解译标志，有助于国产资源卫星数据的应用。

1)遥感技术是水文地质调查的重要手段，能够快速、准确地解译各类水文地质要素。充分利用遥感技术既能提高工作效率和成果的准确性，又能大大减轻人工劳动强度和野外工作量，节省人财物力。应进一步推广遥感技术在水文地质调查工作中的应用，提高水文地质调查工作中高新技术的应用水平。

2)ZY1-02C卫星数据能够广泛地应用于水文地质调查中。作为国产的资源卫星，ZY1-02C卫星数据质量接近或达到国际同类卫星水平，数据价格低廉，应该进一步扩展其应用领域，使其得到最大化的利用。

3)基于ZY1-02C卫星数据，建立了部分水文地质要素的遥感解译标志，对北方岩溶区的水文地质解译有指导意义。

4)研究中利用遥感解译成果，在GIS平台上分析碳酸盐岩岩溶裂隙含水岩组的富水程度和断层的富水性，其结果与1∶60万北京市水文地质图的成果基本吻合。

5)利用ZY1-02C卫星数据圈定了3处富水区，并在峪口镇附近优选了一处新的供水水源地。根据最新工作进展，在峪口镇附近已成井见水，单日涌水量近4×104m3。研究也认为，利用遥感技术圈定的富水区范围较广，还需要综合物探等其他技术手段确定井位。

6)本研究还存在一些不足，如没有与物探、钻探等其他技术手段的结合，建立的遥感解译标志和提出的水文地质分析方法有地域性局限。这些不足是水文地质遥感调查仍需要深入研究的重点，也是作者未来的研究方向。

志谢：本研究得到了北京市水文地质工程地质大队各级领导和专家的支持，在此表示衷心感谢。

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(责任编辑：李瑜)

Application of satellite data of ZY1-02C to the exploration engineering of Karst water resources in Beijing

CHENG Yang1， TONG Liqiang2， GUO Zhaocheng2， MO Yuanfu1,JI Yiqun3

(1.InstituteofKarstGeology,CAGS,Guilin541004，China; 2.ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenter,Beijing100083,China; 3.BeijingInstituteofHydrogeologyandEngineeringGeology,Beijing100195,China)

Using the satellite data of ZY1-02C as the data source,aided by GIS as the platform,and based on the remote sensing geological theory and hydrogeologic theory,the authors applied the remote sensing technology to the exploration of Karst water resources in Beijing. According to the remote sensing hydrogeological interpretation and comprehensive analysis，the authors delineated a new source of water supply through optimization， established the interpretation criteria of water-bearing formations and springs applicable to Karsts areas in northern China，presented a method for analyzing the hydrogeological conditions based on GIS， and expanded the application field of domestic resources satellites.

remote sensing；ZY1-02C satellite；hydrogeology；Karst water resources

2013-12-04；

2014-02-18

北京岩溶水资源勘查评价工程(BJYRS)资助。

10.6046/gtzyyg.2015.02.28

程洋，童立强，郭兆成，等.资源一号02C卫星数据在北京岩溶水资源勘查评价工程中的应用[J].国土资源遥感，2015,27(2)：183-189.(Cheng Y，Tong L Q，Guo Z C,et al.Application of satellite data of ZY1-02C to the exploration engineering of Karst water resources in Beijing[J].Remote Sensing for Land and Resources,2015,27(2)：183-189.)

TP 79

A

1001-070X(2015)02-0183-07

程洋(1987-)，男，助理研究员，从事遥感在地质领域的应用研究。Email：chengyang66666@sina.com。