三维“大场景”遥感技术在西康高铁地质勘察中的应用

肖述文

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 概述

遥感解译技术在铁路选线地质勘察方面应用极为广泛，尤其在山坡陡峻、地形困难且地层岩性复杂的山区[1-5]。为提高复杂地质勘察效率和解译质量，三维高精度遥感勘察技术[6-7]、三维可视化遥感影像解译[8-11]、多源遥感技术[12-13]、三维多尺度遥感技术[14-15]、三维大场景遥感解译等相继被应用于铁路选线地质勘察中。吕希奎等[16-17]建立虚拟铁路选线系统的三维真实地理环境，利用遥感技术和数字摄影测量技术进行快速选线，实现了虚拟环境选线系统地形三维可视化的要求。杨新亮[18]综合遥感解译技术和野外地质调查手段，勘察了库格铁路阿尔金山区地质构造特征，为铁路选线提供了重要依据。刘桂卫等[19]在蒙华铁路地质勘察中将高分辨率遥感和三维遥感相结合，对不良地质分布特征进行解译，为铁路地质选线提供参考。

西康高铁沿线沟谷狭窄、山坡陡峻、地形困难，地层岩性复杂，岩石软硬不均，工程性质差，不良地质和断裂构造发育。以常规方法进行勘察很难使勘察资料满足要求，为指导地质调绘工作，提供地质工作效率及精度，在工作区域开展三维“大场景”遥感地质解译工作，以更好的查明该区域的地质构造、地层岩性和不良地质，经与野外勘察对比，为高铁选线地质勘察提供重要依据。

2 三维“大场景”遥感技术

2.1 定义及构成

三维“大场景”遥感技术又称真实感场景遥感技术，是指利用影像数据与地形数据由计算机生成的一种真三维空间场景技术。大场景遥感技术体系由本单位自主研发，该技术体系构建了以高精度的大范围三维地形场景为基础的线路协同设计平台，为铁路工程地质勘察及选线设计提供一套全新的手段和环境。

三维“大场景”遥感技术主要由两套软件系统构成：即ImageStereo系统和StereoMaker系统。其中ImageStereo为用户端，主要用于立体观测解译，该系统的主要功能包括：恢复带状航空大场景三维立体影像环境；立体观测及画线解译；与CAD系统实现了数据双向映射等。ImageStereo为数据生产端，主要用于立体数据的生产。

2.2 三维“大场景”立体数据的生产

大场景立体数据的生产主要有三方面内容：一是按测段生成DEM数据；二是按测段生成正射影像；三是利用DEM数据和正射影像生成大场景立体。

DEM数据的制作需要EO文件(航片的外方位元素)。航空摄影在初始航飞获取影像文件时，同时会获取单个像片的初始EO文件，该EO文件记录了每张航片曝光点的X、Y、Z位置信息及飞行的姿态参数φ(滚转角)、ω(俯仰角)、κ(航偏角)，再经过外业刺点及内业航测空三加密处理，可获取单像片精确的EO文件，最后利用最终的EO文件及相机文件，利用Inpho按测段生成DEM数据，再利用DEM数据对航空影像进行正射纠正，获取航空正射影像。

航空正射影像及DEM数据生产完成后，就可以利用大场景系统软件Stereomaker进行立体数据生产，最终生成立体观测文件及其他辅助性文件。

2.3 三维“大场景”遥感解译系统的优势

三维“大场景”遥感解译系统与传统的遥感地质解译方法相比具有无可比拟的优势，主要体现在：(1)立体效果逼真，所反映的地形地貌及地质特征极为清晰；(2)解译过程方便，易于控制，实时更新解译成果到CAD中；(3)解译尺度灵活，放大缩小自由操作，可进行动态多尺度观测解译；(4)解译过程可参考既有矢量资料，即CAD中的矢量文件可实时映射到立体环境中，二者可“自由通信”；(5)立体定位快速灵活，大场景的智能驱动功能可根据坐标值或里程位置快速定位解译目标，克服了航空影像定位查找耗时费力的缺点；(6)解译成果易于修改和更新，采用图层控制功能使得修改过程变得简单方便；(7)解译的效率及精度较高。

2.4 遥感技术应用

以大比例尺DMCⅡ230数字航空遥感图像(分辨率为0.5 m)作为遥感解译数据源，采用高精度三维大场景遥感技术及航空正射影像图相结合的方法进行遥感地质解译。在遥感应用手段上采用以遥感为基础的3S一体化技术方法，即利用遥感技术、结合地理信息系统技术、全球定位技术及本单位自主研发的真实感场景(大场景)三维遥感技术等高科技手段，采用地质学相关分析的综合系列方法，进行遥感地质判释工作；在不良地质判释的过程中，采用二维与三维遥感影像相结合的方法进行，利用航测空三加密数据获取的DEM，辅以三维浏览软件(如ERDAS、ARCGIS、ARCSCENE、大场景三维系统等软件)，在三维地形模型上叠加遥感影像图纹理和恢复航空影像的真实感场景，制作出三维立体解译环境，进而从不同角度、不同的高度对地质灾害体进行观察和判读，通过对二维与三维图像进行一体化的观察与分析，最终在二维平面及三维大场景立体环境中进行画线判释。二维、三维结合，使得判释出的成果更加可靠，精度更高。

2.5 工程地质解译及精度

三维大场景立体解译环境除了提供高精度无缝的三维带状立体影像外，还具有丰富的编辑解译功能，也可将诸多辅助解译矢量要素映射到三维立体环境中，进行综合认知和解译。

遥感解译首先以收集的地质资料作为解译的先验标志，初步总结图像信息特征，再经野外调查验证建立准确的解译标志。在遥感应用程序上，坚持室内判释—野外核对-室内复判不断深化的过程；先用遥感指导地面调绘，再用地面调绘验证和修改遥感判释资料。通过各种遥感数据的不同层次信息，从宏观到微观的信息传递，进行相关判释、对照及现场验证，提高了判释质量和判释效果。工作区遥感图像反映的地质信息相对比较清晰，解译标志明显，尤其是对大中型滑坡的解译有很高的准确性。由于地质环境情况在图像上反映得十分清楚，能够快速判定重点调查部位和调查路线，大大提高了野外调查工作的目的性和测图速度，提高了成图质量。

3 遥感技术在地质勘察中的应用

3.1 工程概况及航空遥感影像覆盖情况

西安至安康高速铁路北起西安东站(纺织城站)，经引镇从大峪口西侧穿越秦岭主脉，于太和乡穿出，后沿乾佑河西岸南下。经柞水西、镇安西、小河西站，南至安康西站，正线全长约175 km。包家山越岭地段北起小河镇南至安康西，长约39 km，宽约8.2 km，共320 km2，属南秦岭中山区地貌，沟谷狭窄、山坡陡峻、地形困难，地层岩性复杂，以泥盆系、志留系地层为主，岩石软硬不均，尤其是千枚岩夹片岩，含炭质夹层，岩质软弱，工程性质差，不良地质和断裂构造发育。

为指导地质调绘工作，提供地质工作效率及精度，在工作区域开展遥感地质解译工作，以更好地查明该区域的地质构造、地层岩性和不良地质，为设计和工程设置提供依据。西康高铁航空摄影工作于2017年2月完成，采用DMCⅡ230数字化航空摄影仪进行数据获取。摄影面积约2 640 km2，摄影比例为1∶2 000，影像分辨率优于0.2 m，全线共分7个测段进行摄影测量工作(图1)，最终获取影像5 260张，其中本次工作覆盖520张，面积约320 km2。

图1 航空影像覆盖示意

3.2 地质构造解译及标志

结合区域地质资料及大场景遥感影像特征，工作区的地质构造展现典型的解译标志，主要表现为线性负地形影像特征、水系冲沟、地貌的强烈反差及色调异常。经遥感地质判释，断裂构造为工作区主要地质构造。

3.2.1 断裂构造解译

线性负地形影像特征是该工作区断裂构造典型的解译标志，也是本线最普遍的解译标志[20-21]。遥感影像中，可见一系列平直如刀切状或舒缓波状的线性负地形影像特征，并呈现为定向排列的特点。这些负地形影像特征是明显具有连续性或间断连续性的线性影像特征，并且会切割山体，破坏了山体完整的空间地貌形态。除此之外，水系冲沟和色调异常也可以作为断裂构造的解译标志。色调异常主要表现为受断裂控制的地层条带表现出强烈的色调差异，受断裂控制的盆地边缘及山前断裂带处的色调异常，含水性差异所造成的色带异常等。

对工作区断裂构造进行判读，再利用三维大场景技术对断裂构造的微观特征进行解译，主要是根据断裂构造在三维“大场景”影像上反映出的地貌及形态特征，如根据两种截然不同的地貌单元，带状负地形或断层崖、断层三角面、断层垭口、裂口、对头沟、对口沟、平直段河谷以及水系成直角拐弯等标志进行判释。

(1)区域性断裂构造

F13麻坪断层：断层整体呈舒缓波状展布，走向为北西向。断层在线路附近展布超过10 km，为一规模巨大的逆断层。在三维大场景影像中，可明显看见一条开阔的线性负地形，断裂形成的线性谷地宽度约100 m，即形成了1条宽约100 m的断裂谷(图2)，保持了良好的线性构造空间延展性。断裂两侧均可见整齐排列的断层三角面，断裂谷与两侧主干沟谷呈近乎垂直状，组成“丰”字形水系类型。本区主要的水系类型有树枝状、角状、倒勾状、平行状及“丰”字形水系等，尤其在盆地的边缘或是新构造运动强烈的地区。经现场调查验证，该断裂走向N70°W，倾北，倾角54°，逆断层，破碎带宽50～100 m，主要由碎裂岩、断层泥、断层角砾组成。

图2 麻坪断层航空遥感影像特征

(2)次级断裂

f71和f72断层：f71断层与f72断层组成“Y”字形构造，其大场景三维立体影像见图3。可以看出两个断层中大多数地段地貌特征较为明显，发育着一系列对头沟和断层垭口，垭口内被第四系填充，线性负地形具有间断连续性特征，形成了较规律的线性构造。经现场调查验证，f71断层走向N36°W，倾北，倾角40°，逆断层，破碎带宽20～30 m，主要由碎裂岩、断层角砾组成；f72断层局部三角面较发育，断层走向N74°W，倾北，倾角65°，逆断层，破碎带宽30～50 m，主要由碎裂岩、断层泥、断层角砾组成。

图3 f71、f72断层航空遥感影像特征

f73和f74断层：f73断层与f74断层呈近似平行状展布，其三维大场景立体影像见图4。可以看出f73断层北西端地貌特征较为明显，断续发育有断层垭口，断层三角面，断层南东端遥感解译标志不明显；f74断层绝大多数地貌特征明显，断续发育有断层垭口，断层三角面，呈串珠状分布。经现场调查验证，f73断层走向N6°W，倾北，倾角55°，逆断层，破碎带宽10～20 m，主要由碎裂岩、断层泥、糜棱岩组成；f74断层走向N67°W，倾北，倾角60°，压扭性逆断层，破碎带宽10～20 m，主要由碎裂岩、断层泥组成。

图4 f73、f74断层航空遥感影像特征

f75和f76断层：f75断层与f76呈近似平行状展布，其三维大场景立体影像见图5。可以看出两个断层大多数地貌特征明显，断续发育有对头沟、断层垭口等。经现场调查验证，f75断层走向N80°W，倾北，倾角60°，张扭性断层，破碎带宽10～30 m，主要由糜棱岩、断层角砾、断层泥组成；f76断层走向N69°W，倾北，倾角85°，张扭性断层，破碎带宽10～30 m，主要由糜棱岩、断层角砾、断层泥组成。

图5 f75、f76断层航空遥感影像特征

3.2.2 地层岩性解译

工作区地层岩性十分复杂，部分岩性呈过渡状态，且存在两种岩性互呈穿插接触的情况，加之秦岭南部中山区植被茂密，因此本区岩性界线的解译较为困难，解译程度较低。地貌的强烈反差是构造解译另一个重要的标志，特别是在盆地的边缘或山前地区，一般为隐伏构造最重要的指示。根据遥感影像特征及区域地质情况，岩性解译根据主要岩性类别特征分为以下两种。

(1)泥盆系灰岩夹板岩类

主要分布于工作区域的东北角。在三维大场景立体影像中，该段地形相对陡峻，沟谷深切，地形切割相对强烈，山脊多尖棱状，平行状、树枝状、角状、“丰”字形等水系类型发育。本段发育的石灰岩地区由于岩质坚硬，一般呈明显的正地形，受构造扰动的地段分化较重，局部呈负地形。板岩分布区区域最大的特征就是分化极为强烈，山脊山谷都有不同程度的第四系覆盖层，某些受地质构造控制。千枚岩分布区域在影像中最典型的特征是千枚理特征极为清晰，呈明显定向排列的特征，具有较明确的解译标志。

(2)志留系、震旦系片岩、千枚岩类

主要分布于工作区域的西南角。在三维大场景立体影像中，该段地层与上述泥盆系地形最典型的区别是表现在地形地貌上，即地形相对较缓，沟谷浅，地形切割相对浅。山脊亦呈尖棱状，波状纹理清晰，树枝状、羽状水系发育。岩石分化较重，山间分布第四系地层。

3.2.3 不良地质解译

工作区不良地质主要有人为坑洞、岩溶、崩塌、危岩落石、滑坡等。其中滑坡在大场景上判释标志比较直观，判释效果较好，该工作区典型滑坡为鲁家河滑坡和麻坪河滑坡群。人为坑洞，洞口一般在陡壁上，大场景上地貌特征不明显。岩溶弱发育，主要以溶孔、溶隙及小溶洞为主，大场景上地貌特征不明显。崩塌、危岩落石一般发育在陡峭的岩壁上，小规模的崩塌及危岩落石在大场景上地貌特征较明显。

(1)鲁家河滑坡

该滑坡体分布于桐木镇鲁家河边，在大场景三维影像上可见滑坡圈椅状地貌明显，前缘略微隆起(图6)。经现场验证，该前缘为第四系覆盖，未见基岩。滑体上人工改造为耕地，坡面上的老房子有开裂现象，后缘可见基岩裂隙水渗出。

图6 鲁家河滑坡航空遥感影像特征

(2)麻坪河滑坡群

该滑坡群分布于麻坪河右岸，严格受麻坪断层的控制，呈串珠状分布。在大场景三维影像中，可见滑坡后缘的断层三角面，滑坡体地貌上呈弧形地貌，坡体上植被稀疏，多开辟为耕地(图7)。经现场验证，滑坡体前缘为第四系覆盖，未见基岩；前缘局部隆起，后缘能见明显的滑坡后壁。

图7 麻坪河滑坡群航空遥感影像特征

不良地质判释中大场景对滑坡的判释效果较好，能宏观和直观上对滑坡体进行判释。工作区滑坡多为堆积土滑坡，滑坡体上植被稀疏，圈椅状和弧形地貌明显，有陡峭的滑坡壁和滑坡台阶，一般在大场景上均能较清晰反映。

4 结论

包家山越岭段地质条件复杂，为提高勘察效率和质量，采用三维“大场景”立体解译平台，对测区内地质构造进行了遥感解译，得出结论如下。

(1)对工作区判释程度较低的岩性做了宏观解译划分。根据三维影像的微地貌、地质构造、水系等类型，结合冲沟密度、纹理信息、形状信息、色调异常等综合遥感解译标志，对岩性进行综合判释，建立了大的岩类基本的遥感影像解译标志。

(2)断层和滑坡主要分布在包家山越岭段，对地质选线影响较大。通过遥感解译，其特征表现为：麻坪断层形成有宽度约100 m的线性谷地，鲁家河滑坡圈椅状地貌明显，前缘略微隆起；麻坪河滑坡群可见滑坡后缘的断层三角面，滑坡体地貌上呈弧形地貌，坡体上植被稀疏，多开辟为耕地。

(3)通过对地质构造及不良地质体的判释解译，取得了较高精度的遥感地质解译信息，指导地面地质调绘，缩短了工期，提高了工作效率。摸清了分布状态及规模，并通过重点调查验证，反复判释，其准确率得到了很大的提高，为铁路选线方案提供了重要依据。