遥感技术在川西螺髻山地区水文地质环境调查中的应用

陈富强，邓国仕，姬星怡，张云峰，焦超卫，冯 淳

(1.西安西北有色地质研究院有限公司，西安 710054；2.中国地质调查局成都地质调查中心，成都 610081)

0 引言

近年来，随着空间遥感技术和信息处理技术的迅猛发展，遥感技术应用逐渐扩展至生态环境调查、地质灾害调查和水文地质调查等地质相关领域[1-12]。国内多家高校、科研院所和地质单位利用遥感技术快速有效地获取了我国东北、西北、西南和南海三沙等边海防重点地区的基础地质、水文地质、工程地质以及矿产地质等9类地质专题信息，建立了遥感地质调查技术体系，解决了边海防地区水文地质调查工作难点问题[13]；安国英[14]将遥感技术应用在喀喇昆仑山温泉幅1∶25万区域水文地质调查中，对该区地下水资源进行了评价，研究表明遥感技术在高原区域填图与水文地质调查中具有高效率、低成本的优点；齐蕊等[15]利用地下水埋深的高空间分辨率栅格数据与区内增强型植被指数等遥感数据和气候数据进行相关分析，对鄂尔多斯生态水文地质特征进行了分析总结；程洋等[16]将遥感技术系统应用于黔西北岩溶区1∶50 000区域地质调查工作中，提供了系列的基础图件辅助岩溶区区域地质填图，提高了岩溶区1∶50 000区域地质调查的效率。

乌蒙山片区水工环地质调查工作从20世纪60，70年代开始，已先后开展了1∶20万水文地质调查、地貌调查以及1∶5万地质灾害调查工作，基本查明了区域水文地质条件、地下水富集规律、河谷平原及山间盆地的水文地质特征，以及区内主要地质灾害数量、分布位置和分布规律等，对区内经济社会发展起到了积极的促进作用。但受以往工作精度以及工作手段的限制，其成果已不能满足区内农业生产、城镇化建设、生态环境治理及未来经济社会发展的需要。本文在综合分析乌蒙山片区西南部螺髻山地区的基础地质以及水文地质资料基础上，以RapidEye多光谱遥感数据为基础，辅以奥维网络高清数据以及Landsat8 OLI数据，开展了遥感水文地质环境调查，对区内基础地质特征、水文地质条件和环境地质特征等进行分析研究，并对各含水岩组的富水性进行了对比和评价。

1 研究区概况

1.1 交通及自然地理概况

研究区位于四川省凉山彝族自治州西昌市东南部螺髻山地区，1∶5万国际分幅的海南乡幅、拖木沟幅以及荞窝农场幅。研究区西部有国道G108南北向通过，西南部有京昆高速及成昆铁路通过，S212省道以NW—SE方向横贯全区，区内县与县、县与乡之间都有公路相通，但各乡镇及乡村之间的交通条件较差，总体交通状况较落后。区内地形地貌变化较大，地形高差悬殊，地势险峻，最高处螺髻山顶与最低处小高桥地区相对高差达3 000 m。全区可分为宽谷平原(西南部安宁河一带)、侵蚀堆积河谷平原及山间盆地(东部则木河谷、螺髻山东坡一带)和侵蚀、剥蚀构造高中山(中部螺髻山区域)4种地貌类型，其中以中山为主。区内气候为亚热带季风气候，大部分地区四季不分明。除东部部分地区以外，植被整体较为发育，并具有明显的垂直分带性。

1.2 区域地质背景

1.2.1 地质构造

研究区大地构造位置位于扬子准地台西部、三江褶皱系东侧，分属上扬子台褶带和四川台坳构造单元，区内构造总体呈NNW、近SN向展布，SN向构造断裂活跃、活动强烈。区内发育螺髻山(复)背斜，其两翼均遭受断层破坏，完整程度不一。东翼地层出露较齐全、完整；西翼地层出露不完整，并产生向斜和构造岩块。研究区外西侧发育SN向展布的安宁河深断裂，中部发育NW向展布的则木河大断裂。安宁河深断裂具有多期活动性和继承性特点，其新构造活动十分活跃，表现为断裂沿线零星出露的呈SN向线状直立掀斜与褶断，而断裂两侧的第四系全新统、更新统阶地分布高差悬殊，断裂带沿线滑坡、泥石流发育，地震活动频繁，多温泉分布，沟系错断、地震堰塞塘等常见；则木河断裂为断块边界，同样具有多期性、继承性的活动特点，断裂两侧出露地层有很大差异，各段不一，其两侧有数条规模不一的次级断层，组成宽约2～6 km的断层带，并分为东西2支。

1.2.2 地层岩性

研究区出露地层较为复杂，且时代跨度大，包括早元古代地层、前震旦系、震旦系、寒武系、奥陶系、三叠系、侏罗系、白垩系、第四系等，受区域地质构造控制，地层展布方向大多与断裂延伸方向有关。前震旦系岩性以凝灰质岩屑砂岩、凝灰质砾岩、砾岩、砂岩等为主；震旦系及寒武系岩性以碎屑岩、碳酸盐岩为主，包括砂岩、泥岩、粉砂岩、(微晶)白云岩、灰岩、大理岩、泥灰岩等；奥陶系、三叠系、侏罗系以及白垩系岩性以砂岩、粉砂岩、泥岩、粉砂质泥岩、砾岩等碎屑岩为主；第四系多为残坡积堆积物，以漂块石、块碎石土、粉砂土、粉土层等为主。此外，研究区中部及南部见有零星岩浆岩发育，主要为晚二叠世—早三叠世基性—超基性侵入岩，岩性主要为辉长岩、含橄辉石岩等。

1.3 区域环境地质条件

研究区地层岩性和地质构造条件复杂，地下水类型齐全，孔隙水、裂隙水和岩溶水均有发育。孔隙水主要赋存于河谷地带冲洪积阶地、盆地或台地的松散堆积层内；裂隙水主要赋存于震旦系—白垩系的碎屑岩、变质岩及岩浆岩裂隙中，区内分布普遍；岩溶水主要赋存于碳酸盐岩溶孔、溶隙和溶洞中，由于研究区碳酸盐岩多与碎屑岩相间出露，呈条带状展布，岩溶发育较弱，亦均以条带状分布。地下水补给来源主要为大气降水和地表水，多具就近排泄、径流途径短等特点。

研究区属地震多发区，新构造运动活跃，地震活动频繁，地震活动带与活动性断裂带分布基本一致，其中较著名的有安宁河、则木河地震带。历史记载安宁河地震带曾发生过18次4.7～7.5级强震。区内地质灾害发生频繁，主要分布在中部拖木沟幅及南部荞窝农场幅内，以中小型滑坡灾害、泥石流灾害为主。研究区水土流失主要集中在东部则木河及支流上游地带(拖木沟乡至荞窝镇)，较为严重，多沿河谷两侧呈条带状分布，明显与多年间人们将大面积区域改造为陡坡、缓坡耕地等活动有关。

2 遥感数据及技术方法

2.1 遥感数据及处理

本次研究主要采用RapidEye及Landsa8 OLI这2种卫星遥感数据进行地质解译；泉点以及灾害解译时使用了奥维网络高清数据影像。其中涉及RapidEye数据(时相分别为2016313和20151110)2景(图1)，OLI数据1景(时相为2015228)。前者主要用于地层岩性、构造、含水岩组及地表水文等要素的详细解译，以及用于区内综合水文地质、环境地质条件解译和水系水体、耕地、居民聚集区等地物的圈定；后者主要用于辅助岩石地层、断裂构造、褶皱构造等要素的解译，同时利用其B4，B5及B10波段提取植被因子、与地下水信息有关的因子以及反映目标地物与背景之间的热辐射能量因子等。数据处理在PCI Geomatica2012及ENVI5.1软件平台上完成。处理流程主要包括预处理、彩色合成、数据增强、几何纠正和数据镶嵌等，最终获得解译用的不同比例尺卫星图像。其中RapidEye数据彩色合成选择B3(R)，B4(G)，B1(B)方案，融合后空间分辨率为5 m，并对2景影像进行了镶嵌处理(图1(a))；OLI数据假彩色合成波段组合选择B7(R)，B5(G)，B2(B)方案，与全色波段融合后空间分辨率为15 m。受DEM数据精度影响，正射校正后的图像仍存在一定误差，难以满足研究工作精度要求，对正射校正后图像继续采用相应范围1∶5万地形图进行了几何纠正，使成果图像坐标参数与地形图保持一致。

(a)遥感影像 (b)地质解译图

图1 研究区遥感影像及地质解译图

Fig.1Remotesensingimageandgeologicalinterpretationmapinstudyarea

2.2 遥感技术方法

本次研究在充分收集和分析前人已有成果资料的基础上，利用卫星遥感数据，结合GPS和GIS等技术方法，通过遥感数字图像处理与制作、遥感地质解译、遥感信息提取和野外调查验证等工作程序，开展了研究区1∶5万地质环境背景条件、水文地质条件和环境地质要素的解译与提取，并综合分析研究了区内地质构造特征、水文地质特征和环境地质特征，对区内各地质单元富水性进行了初步评价，为研究区水文地质环境地质调查提供遥感基础资料和依据。

3 遥感地质分析

3.1 地质构造特征

3.1.1 地层岩性单元

地层岩性单元遥感解译标志主要建立在研究区1∶5万地质图基础之上，通过对地质图所划分的不同地层、岩性与遥感影像对比分析，根据细微纹型结构、色彩差异以及野外实地考证资料等依据，在图像上建立了各岩性组的影像标志。主要包括第四系堆积物、碎屑岩、碳酸盐岩、基性—超基性岩浆岩及变质岩等(图1(b))。本文所描述岩性单元影像特征均基于Rapideye B3(R)，B4(G)，B1(B)假彩色合成影像，部分地层岩性单元影像特征及野外照片如图2所示。

(a)粉砂质泥岩夹泥岩遥感影像 (b)凝灰质岩屑砂岩遥感影像 (c)细晶—微晶白云岩遥感影像

(d)粉砂质泥岩夹泥岩野外照片 (e)凝灰质岩屑砂岩野外照片 (f)细晶—微晶白云岩野外照片

图2 部分地层岩性单元影像特征及野外照片

Fig.2Imagesandfieldphotosofsomeformationlithology

1)第四系堆积物。包括河床冲洪积堆积物(Qhal5+6)、近河道低阶地冲洪积堆积物(Qhpl3+4)及高阶地洪积堆积物(Qhpl1+2)，其影像色彩均较浅，呈紫灰-灰白色，亮度较高，地势平坦，多被改造为农田及耕地，Qhpl3+4区可见台坎、扇状地形。

2)碎屑岩。为区内主要岩性类别，其中陆源碎屑岩包括砾岩、砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩等；火山碎屑岩以凝灰质砾岩、凝灰质岩屑砂岩夹凝灰岩为主，主要分布在研究区中部螺髻山区域。区内碎屑岩影像特征变化较大，中西部及西南部螺髻山区域以绿色粗大山脊影像为主，中东部则木河两岸区域则以浅紫灰-灰黄色细碎密集山脊影像为主(图2(a)，(b))。

3)碳酸盐岩。出露地层主要为震旦系—寒武系—奥陶系，影像特征典型，粗大影纹，浑圆山脊、沟谷开阔呈“V”型，冲沟发育一般，多呈直线状水系。野外调查可见微晶白云岩多呈青灰-灰白色，地表多风化呈土黄-灰黄色，可见刀砍纹、溶蚀痕迹及溶洞发育，部分区域可见中—薄层层理(图2(f))。

4)岩浆岩。主要为晚二叠世—早三叠世基性—超基性侵入岩，岩性以辉长岩(νP3)、含橄辉石岩(δψP2)、角闪辉石岩(ψιP3)等为主，影像特征不明显，与周边围岩界线难以区分。

5)变质岩。以中元古代天宝山组(Pt1tb)变粉砂岩、绢云千枚岩、变流纹斑岩、大理岩等为主，主要分布在西南部小高乡地区。影像呈灰绿-浅紫灰色，夹有灰白色斑块，粗大连续影纹，浑圆山脊，沟谷开阔，次级冲沟不发育。野外调查显示区内变粉砂岩夹绢云千枚岩呈青灰色-灰白色，地表露头多风化呈土黄色，层理不明显，地表植被较发育，地势平坦处多被人工改造为耕地(影像中灰白色斑块)。

3.1.2 构造

区内构造较为复杂，受多期构造活动影响，构造形迹多样，不同层次的断裂相互叠加与切割，共同形成本区复杂的断裂构造系统。由于其复活、追踪改造现象比较普遍，不同期次断裂间的关系表现不甚清晰。典型断裂构造影像特征及野外照片如图3所示。

(a)则木河断裂遥感影像 (b)一般性断裂构造遥感影像

(c)则木河断裂野外照片 (d)一般性断裂构造野外照片

图3 典型断裂构造影像特征及野外照片

Fig.3Imagesandfieldphotosoftypicalfaultstructure

区内断裂构造以则木河断裂最为典型，沿NW—SE向纵贯全区，影像特征明显，沿断裂带为连续的带状浅色影像，可见明显连续的沟谷及陡坎，断裂两侧影像存在明显差异，其西侧为绿色粗大尖棱山脊影纹，“V”型谷发育；东侧为浅灰-浅紫灰色平坦光滑影纹，地势起伏小，沟谷开阔。野外调查可见沿断裂有连续的陡坎及陡崖分布，边界清晰(图3(a)和(c))。区内一般性断裂构造广泛发育，延伸距离不一、延伸方向受区域构造活动影响较大，大部分断裂形迹平滑，呈近直线状展布，断裂两侧影像特征差异较小，延伸方向以NW—NNW西向、近SN向为主，零星发育NE向断裂，其中则木河断裂两侧可见多组近平行次级断裂，规模大小不一，部分地区呈带状出现，影像上可见一系列连续平直的冲沟及陡坎(图3(b)和(d))。

3.2 水文地质特征

3.2.1 地表水体及泉点

研究区内地表水体要素主要包括河流、湖泊、库塘、海子(高山湖泊)以及泉点(溢出带)等，其中河流、湖泊、库塘和海子等影像特征典型，多呈蓝紫色-紫红色面状影像体，易于识别。区内河流主要为安宁河以及则木河；湖泊以位于研究区西北部的邛海为代表；(水)库(池)塘共计约40余处，多分布在北部海南乡幅内；海子为四川、云南、西藏等地对内陆高海拔湖泊的一种地方称谓，区内共计31处，均分布在螺髻山脉区域(拖木沟幅)，部分为冰蚀湖，个别海子之间由溪流相连。

泉点及溢出带规模较小，影响范围多在数m之内，受数据精度限制，Rapideye影像无法解译出泉点及溢出带位置。研究过程中采用网络高分辨率影像(空间分辨率优于1 m)，对泉点及溢出带进行解译，然后将解译出的泉点信息转绘到1∶5万解译图中。植被异常聚集发育区、溪流源头区、含水断裂延伸区均为泉点及溢出带的间接解译标志；同时，通过识别蓄水池、引水渠以及输水管等人工设施，也可较为精确地判定泉点的出露位置(图4)。区内共解译出的25处疑似泉点及溢出带，其中侵蚀泉16处，断层泉5处，岩溶泉4处。

(a)遥感影像 (b)野外照片

图4 典型泉点影像特征及野外照片

Fig.4Imagesandfieldphotosoftypicalspringspots

3.2.2 地下水

结合研究区环境、水文以及地层岩性特征，划分出不同含水岩组类型，根据各含水岩组的富水性特征，对其进行分级，并对各含水岩组进行统计分析(图5)。获知研究区内碎屑岩裂隙水最为发育，其分布区面积约占研究区总面积的40%以上，主要分布在中部及南部的螺髻山地区，其中含水性中等地区分布最广，以强切割螺髻山高山地貌代表；碎屑岩类孔隙裂隙水发育次之，约占总面积的30%，主要分布在北部及东部碎屑岩地层区；松散岩类孔隙水区内发育一般，分布在邛海南部、安宁河河谷、则木河河谷及其支流山间河谷盆地区域，大部分地区水量为中等或贫乏；碳酸盐岩碎屑岩类裂隙岩溶水区内分布面积较少，约占全区的8%左右，主要分布在螺髻山东部一带，呈SN向条带状展布，其余地区则呈零星分布；变质岩裂隙水集中分布在西南部地区，含水量为中等或贫乏；岩浆岩裂隙水零星分布，在区内分布面积最小区为。

图5 含水岩组分布图Fig.5 Aquifer group distribution map in study area

3.3 环境地质特征

3.3.1 地质灾害

在研究区以往地质灾害调查成果基础上，利用奥维网络高分辨率影像，配合Rapideye影像对研究区滑坡及泥石流地质灾害进行了解译，共解译出滑坡区23处、泥石流21处(图6)。滑坡灾害在影像中具有较明显的结构特征及形态标志，滑坡后缘有明显的下陷，多见浅色滑坡壁，滑坡体多向河道方向伸出，形成明显的滑坡舌(图7(a)，(b))。区内解译出的滑坡主要分布在螺髻山镇、大槽乡以及荞窝镇一带。其致灾的内因主要由地层岩性及地质构造的不利组合，如则木河断裂带两侧密集发育的次级断裂构造导致其周边地层构造不稳定性增加，以及地表覆盖的较厚松散粉质粘土层等的失衡；外因则主要由降雨、地震、人类生产和工程活动等因素引发，如开山采石、道路建设等造成坡面不稳定及滑坡体上种植水田导致地表水下渗引起滑坡等。

图6 地质灾害、耕地及居民区遥感解译图Fig.6 Remote sensing interpretation map of geological disasters,cultivated land and residential areas in study area

泥石流灾害在影像上的标志较典型，泥石流沟多具有短、直、陡特征，下游沟口多形成影像色调较浅的倒锥形、扇形或舌形堆积区(图7(c)，(d))。本文解译出的泥石流灾害主要分布在东部则木河流域的特尔果乡、螺髻山镇、大槽乡以及荞窝镇一带，多为沟谷型泥石流，以小规模、集中分布、中度易发灾害等为特征。这些区段沟谷发育，支沟较多，沟床纵坡降较大，且上游河谷狭窄，多呈“V”字形，为泥石流的形成提供了较好的地形条件；而则木河断裂NNW向从该区穿过，强烈的构造作用使得岩体较破碎，产生大量松散堆积物于沟谷中，为泥石流的形成提供了物源条件；加之该区段雨季较集中，连续的强降雨为泥石流的形成提供了动力条件。

(a)滑坡遥感影像 (b)滑坡野外照片

(c)泥石流遥感影像 (d)泥石流野外照片

图7 典型滑坡及泥石流影像特征

Fig.7Imagesoftypicallandslideanddebrisflowinstudyarea

3.3.2 耕地及居民区等土地利用情况

研究区耕地主要分布在安宁河谷、则木河谷、邛海湖南部及其各支流河谷两侧的阶地地区，同时在区内北部、中东部碎屑岩地层区的地势较平坦的山顶、山坡区也有分布(图6)。区内共解译圈定耕地及乡、镇集中居民区面积约224 km2。耕地影像特征较为典型，多呈密集规则矩形、长条形影纹呈面状、台阶状分布。野外调查显示研究区除紧邻河谷两侧为梯田外，其余均为旱地，种植作物以烟叶、玉米为主。螺髻山镇西北侧见有7处采石及采砂区，在影像中以独立亮白色斑块，并有道路相通为特征。

3.3.3 植被及石漠化

归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)作为一个重要的遥感参数，能够准确地反映植被覆盖程度和植被生长状况、生物物理化学性质及生态系统参数的变化[17]。本次选择OLI数据采用NDVI方法进行植被因子提取，得到单波段的植被覆盖度图像文件，结合临近度模糊分类以及野外实地调查验证资料，选取4为阈值，即小于阈值为非植被区(植被低覆盖区或裸地)，大于阈值为植被高覆盖区。结果显示，研究区植被整体较为发育，其中北部、中部、西南部植被高度发育，尤其在螺髻山山脊两侧地区，从山顶到山脚，均覆盖大量植被群落；在东北部红莫依达乡及其以南地区，植被部分发育；中东部特尔果乡以东区域，植被零星发育或不发育(图8(a))。采用奥维地图浏览器下的网络高分辨率影像，配合Rapideye数据影像对研究区石漠化程度进行了解译，显示区内石漠化强度较低，以轻度石漠化为主，其总体分布特征与区内碳酸盐岩地层一致，整体上呈SN向展布，分布面积较小，总面积仅约9.5 km2(图8(a))。

(a)植被及石漠化分布 (b)地表亮度温度分布

图8 研究区植被信息、石漠化区和地表亮度温度分布

Fig.8Distributionofvegetationinformation,rockydesertification,temperaturemapandwaterresourcezoningmapinstudyarea

3.3.4 地表亮度温度

结合前人工作经验，可知地表亮温信息虽无法直接代表真实地温，但却可以反映地表温度的分布规律，进而间接指示地表含水性特征。地表温度算法采用由覃志豪等提出的单窗算法，选择OLI数据为基础数据，利用其热红外通道辐射值实现温度反演，将Landsat8数据的热红外波段(TIRS10的)灰度值转化为相应的辐射亮度值，再将辐射亮度值转换成亮度温度值，从而形成亮度温度信息分布图[18-20]。图8(b)显示，研究区中部螺髻山山脊地区地表亮温最低，其原因为所使用的基础影像时相为2月底，螺髻山山脊区仍存在较为大量的积雪未融化，整体地表温度偏低；其次为地表水体区(邛海)以及密集植被覆盖地区，地表裸露区量温值最高，主要分布在研究区东部特尔果乡以东北地区，同时在则木河断裂展布区内可见整体呈NW向星点状分布独立亮温高值区，可能与该区域出露的温泉有关。

4 综合评价

通过上述对研究区的基础地质要素、水文地质要素和环境地质要素等开展细致全面的遥感解译及信息提取与分析，结合以往资料，以区内地表水系、浅表地层水信息、含水岩组、断裂及含水构造、泉点及溢出带等水文资料作为依据，笔者对该区的地下水资源进行了分析评价，对各地质单元进行了富水性分区，将区内水资源分成丰富区、中等区、贫乏区(图9)。

图9 研究区水资源分区Fig.9 Distribution of water resource zoning map in study area

水资源丰富区面积约460 km2(含地表水体面积)，占研究区总面积的33.6%，涵盖了北部海南乡、大箐乡、红莫依达乡以及荞窝镇的大部分地区，同时该类地区也是人类活动密集区域，分布有较多村镇；水资源中等区面积约738 km2，占总面积的53.9%，涵盖了螺髻山北坡、西坡、东坡大部分以及研究区北部小面积区域，该类地区除河谷区人类活动密集，分布有部分村庄、乡镇外，其余地区均为无人区或仅有零星村寨；水资源贫乏区面积约172 km2，占总面积的12.5%，分布在西溪乡东部、螺髻山东南部、特尔果乡东部以及螺髻山镇东部地区，其中在特尔果乡至螺髻山镇东部呈NNW向带状连续分布，为区内最大面积连片水资源贫乏区，同时该区也为国家级重点贫困区。综合分析表明，研究区整体水资源较为丰富，北部、中西部以及南部大部分地区水资源均为中等及以上程度，中东部特尔果乡至螺髻山镇以东区域存在较大面积缺水区，水资源较为贫乏。

5 结论

为更好地开展水文地质调查工作，笔者利用遥感技术对研究区内的基础地质背景、水文地质条件、环境地质背景等进行了分析评价。通过对地质构造、地层岩性、河流、湖泊、水库、坑塘、海子、泉点、滑坡、泥石流、耕地及居民区、植被、地表亮度温度等要素的综合解译提取，认为研究区除中东部特尔果乡至螺髻山镇以东区域存在较大面积缺水区外，整体水资源较为丰富；区内螺髻山镇—荞窝镇一带为小规模滑坡以及泥石流灾害易发区；区内植被发育，仅存在小面积轻度石漠化现象。通过野外调查验证，显示本次解译成果较为理想，各要素解译正确率总体达85%以上。

本次研究工作快速准确地分析总结了区域地质构造特征、水文地质以及环境地质特征，为后期的地面调查提供了详实的指导资料，其中土地利用解译、植被覆盖以及地表亮度温度的提取为分析研究区水文地质以及环境地质背景提供了参考，充分体现了遥感技术在水文地质环境调查中的优势，具有较强的实用性，对开展同类调查研究工作具有一定的参考意义。