基于多源数据的伊阿铁路工程地质遥感解译及选线

谢 猛

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

对于地形、地质条件复杂的山区铁路，控制线路方案的地质因素较多[1-2]，加之在方案研究阶段，工作区范围往往较大，采用常规的地质调查方法很难在短时间内查明工作区地质情况[3-4]。利用遥感技术可以快速、宏观、全面地获取某一区域的地质信息，为方案研究提供可靠的地质依据[5-6]。然而，常规的遥感解译方法多局限于单一数据，缺少与地质资料、地形资料的对比分析和综合解译，工作效率和准确率不高。因此，有必要探索一种基于遥感数据、地质资料、地形资料等多源数据的遥感解译方法，开展对比分析和综合解译，以提高遥感解译的工作效率和准确率。

1 工程概况

新建伊宁至阿克苏铁路(以下简称“伊阿铁路”)北起既有铁路精霍线伊宁站，向南横穿天山山脉进入塔里木盆地北缘阿克苏地区，全长约520 km。线路穿越天山的高山、极高山区，海拔3 500～5 200 m，河流下切作用强烈，两岸地形陡峻，山谷呈“V”形，泥石流、滑坡、崩塌、危岩、落石等不良地质发育，极高山区遍布常年积雪和冰川，自然环境恶劣。

(1)地质构造

线路穿越两个二级大地构造单元，北部为中南天山褶皱系，三级构造单元为伊犁凹陷盆地和南天山冒地槽褶皱带；南部为塔里木地台，三级构造单元为塔里木中-新生代凹陷盆地。区内新构造运动具有差异性、间歇性等特点，地质构造复杂。

(2)地层

线路穿越中南天山与塔里木两大地层分区，沿线地层主要包括第四系、第三系、白垩系、侏罗系、三叠系、二叠系、石炭系、泥盆系、志留系地层和侵入岩等。

(3)气象

测区属于温带大陆性气候区，受天山山脉影响，南北疆气候差异尤为明显。北疆地区春季温暖，夏季炎热少雨，秋季凉爽，冬季寒冷，具有湿润大陆性中温带气候特征；南疆地区降水稀少，气候干燥，冬季寒冷，夏季凉爽，昼夜温差大，属温带大陆性干旱气候；南天山地区降雨随海拔升高略有增多，冬季寒冷、多风，昼夜温差大，兼具中温带亚干旱气候区及暖温带干旱气候区的特征。

(4)地震动参数

沿线地震动峰值加速度为0.10～0.30g，地震基本烈度为Ⅶ～Ⅷ度。

2 工作方法

地形地貌、地质构造和不良地质是控制伊阿铁路方案比选的主要因素。采用基于遥感数据、地质资料、地形资料等多源数据的工程地质遥感解译方法，对工作区地形地貌、地质构造和不良地质进行解译，提出工程地质遥感评价及选线建议，为方案研究提供地质依据。工作方法及流程如图1所示。

图1 工作方法及流程

3 收集资料

收集资料包括三大类：遥感资料、地质资料和地形资料。

3.1 遥感资料

根据工作区工程地质特点，方案研究阶段的遥感资料应满足地形地貌、宏观地质构造以及大、中型不良地质的解译要求。收集的遥感资料如下。

(1)GF-1遥感数据

空间分辨率：4波段多光谱8 m，全色2 m；获取时间：2016～2017年。

(2)SPOT 6/7遥感数据

空间分辨率：4波段多光谱6 m，全色1.5 m；获取时间：2016～2017年。

(3)Landsat 8 OLI /TIRS遥感数据

空间分辨率：8波段多光谱30 m，热红外100 m，全色15 m；获取时间：2016年。

根据解译目的及数据特点，对收集到的遥感数据有选择地进行辐射校正、几何校正、图像配准、图像增强、图像融合等处理[7-8]。经测试和对比分析，对于GF-1和SPOT 6/7遥感数据，将多光谱数据及全色数据进行融合处理，有利于目视解译[9-10]；对于Landsat 8 OLI/TIRS遥感数据，选择多光谱数据的7、4、1波段进行组合，再与全色数据进行融合，有利于地质构造、不良地质的解译[11-12]。

3.2 地质资料

(1)1∶20万区域地质图及报告。

(2)新疆维吾尔自治区区域地质志(含1∶150万地质图)。

(3)新疆地质构造-建造图说明书(含1∶200万地质图)。

3.3 地形资料

地形资料包括METI/NASA发布的ASTER GDEM 数据(空间分辨率为30 m)、不同比例的地形图等。ASTER GDEM数据经DEM 融合、高程基准偏移、重采样处理，以满足工程地质遥感解译要求[13-14]。

3.4 多源数据集成

为了便于各类资料的对比分析和综合解译，提高工程地质遥感解译的准确率，将处理后的遥感数据、地质资料、地形资料等多源数据进行集成[15]，建立统一坐标系的工程地质遥感解译平台。

4 地貌解译

工作区地貌类型主要包括流水地貌、风蚀地貌、冰川地貌三大类。对于地貌类型复杂的区域，很难直接从遥感图像的色调及纹理差异上划分出不同的地貌类型，而DEM则可以根据高程变化信息来提取地貌边界。将处理后的遥感图像与DEM叠加，实现地形地貌的立体解译，同时结合区域地质资料，建立工作区地形地貌的解译标志。

4.1 流水地貌

(1)洪积扇

洪积扇主要分布在山前沟口地带，空间位置和扇状形态是其主要解译标志。扇顶植被不发育，扇前(缘)的潜水溢出带形成弧线形的外缘线。图2为区内两处典型的洪积扇。

图2 洪积扇GF-1遥感图像(叠加DEM)

(2)河床

可根据遥感图像上河床中水流所呈现的条带状影像判定河床的位置。山区河流的河床较狭窄，平面形态较平直，河谷深切；流经山间盆地的河流，往往河床变宽，且河曲发育，遥感图像上可见牛轭湖、迂回扇等河床迁移等标志。平原区河流的河床多呈曲流型或蜿蜒型。图3为伊犁河，河床蜿蜒曲折，多次改道，形成数个牛轭湖。

图3 河床Landsat 8遥感图像

(3)河流阶地

河流阶地位于河谷两侧，可通过遥感图像上其错落有序的阶梯状地形进行判别。较新的阶地一般位于河床附近，阶面形态平整，耕地、树木较多；老的阶地位于较高地段，阶面支离破碎，不完整。确定各级阶地之间的界线时，相邻阶地之间的陡坎是重要的解译标志。图4为特克斯河，河床宽而浅，水流散乱，白色区域为河漫滩，各级阶地之间的界线明显。

图4 河流阶地GF-1遥感图像

4.2 风蚀地貌

(1)岩漠

岩漠一般位于干旱地区高山边缘的低山地带，地表起伏，基岩裸露，植被稀少，主要通过遥感图像上其粗糙的纹形进行辨认。图5为天山南麓的一处岩漠，由于长期遭受强烈的风蚀作用，地表基岩裸露，岩石表层可见剥落或崩解现象，几乎无植被覆盖，景色荒凉。

图5 岩漠SPOT-6/7遥感图像

(2)砾漠

砾漠又称“戈壁”，地表平坦，几乎完全被砾石和石块所覆盖，一般分布在山麓处，水文网多为暂时性水流，且切割不深，植被稀少，呈斑点状分布。

4.3 冰川地貌

(1)山谷冰川

山谷冰川多位于山间低洼处，受地形限制，遥感图像上表现为特殊的条带状纹理、舌状前缘，色调为近于白色的浅色调，其解译标志稳定，易于辨认。图6为区内的一条山谷冰川，多条冰川汇合成一条冰川，沿山谷流动，形似一条冰冻的河流。

图6 山谷冰川Landsat 8遥感图像

(2)冰斗

冰斗位于冰川的上部，多发育在阴坡上雪线附近，呈半圆形的剧场状或圈椅状，三面为环状陡峭岩壁，开口处为一高起的岩槛，底部为洼地。图7为一处冰斗，呈圈椅状，三面为峭壁，顶部为角峰，侧壁向下为刃脊。

图7 冰斗SPOT-6/7遥感图像(叠加DEM)

(3)冰斗湖

冰斗湖位于冰川作用地区雪线附近的高山中，面积不大，一般三面为陡峻的山坡，另一侧平缓开口。图8为几处不同高度上的冰斗湖，由于雪线升高，遗留下来的老冰斗积水形成冰斗湖。

图8 冰斗湖SPOT-6/7遥感图像(叠加DEM)

5 地质构造解译

遥感图像能够宏观、真实地反映地质构造的行迹，结合区域地质资料，可以快速、准确地确定构造的类型、位置和性质。首先，对Landsat 8 OLI /TIRS多光谱遥感图像进行假彩色合成，突出地质构造信息，结合收集到的区域地质资料，进行区域地质构造解译。然后，利用经融合处理后的GF-1和SPOT 6/7遥感图像，进行小型地质构造的解译及具体位置的细化。将遥感图像与DEM叠加，可以实现地质构造的立体解译。

5.1 断裂构造

遥感图像上断裂两侧地质体的色调和纹理一般有差异，沿断裂破碎带表现为不同宽度的色线或色带。图9为区内一条活动断裂。通过多角度的立体观察，可见断裂两侧的地貌单元有明显差异，并伴有长距离阶地的错断；山前洪积扇的前缘整体被切成直线，坡面冲刷形成的一系列小型洪积扇沿断裂呈线状排列，断裂的解译标志明显。

图9 活动断裂GF-1遥感图像(叠加DEM)

5.2 褶曲构造

褶曲构造在遥感图像上的色调和纹理呈对称式分布，或平面呈现椭圆状、环状、藕节状、弧状、“之”形的色带或影纹(如图10)。

图10 褶曲构造Landsat 8遥感图像

6 不良地质解译

对于泥石流、滑坡、崩塌、危岩、落石等具有空间特征的不良地质，仅从平面遥感图像上一般不易判断。将遥感图像与DEM叠加，对地形地貌进行虚拟再现，不仅可以从形态上进行识别，而且能够从地貌特征及空间多角度进行综合解译，从而提高解译的准确率。

6.1 泥石流

工作区内泥石流沟的形态较为典型，遥感图像上泥石流沟的形成区、流通区和沉积区特征明显。图11为区内一处典型的泥石流沟，沉积区形成的洪积扇植被覆盖率较高，且有一条道路位于其上，表明该泥石流形成时期较早，洪积物较为稳定。

图11 泥石流GF-1遥感图像(叠加DEM)

图12为一处新形成的泥石流，形成区平面呈瓢形，山坡陡峻，岩体破碎，松散物丰富；流通区可见坡面滚石；沉积区为扇形洪积物堆积，无植被覆盖，可见众多漫流状沟槽，表明该泥石流仍在发展。

图12 泥石流GF-1遥感图像(叠加DEM)

6.2 滑坡

滑坡的平面形态多呈簸箕形、舌形或梨形。在GF-1和SPOT 6/7遥感图像上可见到滑坡壁、滑坡台阶、滑坡舌、滑坡裂缝等微地貌形态。区内滑坡多发育在峡谷中的缓坡、分水岭的阴坡、侵蚀基准面急剧变化的主沟与支沟交汇处及其沟头等处。图13为区内的几处滑坡，位于缓坡的坡脚处，滑坡体上植被稀疏，色调与周边存在显著差异，局部可见新生冲沟。

图13 滑坡GF-1遥感图像(叠加DEM)

6.3 崩塌、危岩体

崩塌位于陡峻的山坡地段，上陡下缓，轮廓线明显；崩塌体堆积在谷底或斜坡平缓地段，表面坎坷不平，影像具粗糙感。危岩体多发育在节理发育的硬质岩地区，位于陡壁上，遥感图像上色调反差较大，阴影明显，其下有时可见星点状落石分布，见图14。

图14 崩塌、危岩体GF-1遥感图像(叠加DEM)

7 成果应用

7.1 遥感解译成果应用

在遥感解译的基础上，通过现场踏勘，重点对线路方案有影响和对解译过程中有疑问的地质体或地质现象进行外业调查验证，进一步丰富和完善了解译标志。根据建立的解译标志，开展全区范围内的遥感解译，共解译断裂985条(含活动断裂46条)，泥石流1103处，滑坡932处，崩塌534处，危岩体124处。在此基础上，绘制工作区地貌分区、地质构造、不良地质分布等遥感专题图件。

7.2 遥感评价及选线建议

根据遥感解译成果，对重点段落提出工程地质遥感评价及选线建议如下。

(1)AK80+600-AK110+000

线路走行于乌孙山南麓的洪积扇边缘，受活动断裂影响，泥石流形成的洪积扇稳定性差。建议方案出隧道后跨越特克斯河，走行于特克斯河南侧。

(2)AK210+000-AK260+000(哈尔克山隧道进口至南天山隧道进口段)

东、中、西三大走向方案均走行于深切峡谷之中，泥石流、崩塌等不良地质发育。西线方案受冰川作用影响，东线方案穿越第三纪地层，岩性多为软弱碎屑岩，滑坡等不良地质较为发育。因此，中线方案优于西线方案和东线方案。从遥感图像上看，中线方案沟谷内泥石流沉积区的扇形洪积物较稳定，不控制线路方案。建议线路尽可能走行在泥石流沉积区的上游，以桥梁形式跨越。

(3)AK260+000-AK320+000(南天山隧道进口至哈尔克山南麓段)

东、中、西三大走向方案均以隧道形式穿越哈尔克山主峰。隧道进口崩塌发育，隧道出口泥石流、崩塌等不良地质发育。线路出隧道后，东、中两方案均走行于深切狭谷之中，不利于线路平面优化，而西方案走向于较为宽阔的沟谷之中，有利于线路平面优化，且隧道长度较短，因此，从工程地质遥感角度，西线方案优于中线方案和东线方案。

(4)AK320+000-AK370+000

线路走行于天山南麓的洪积扇内，为岩漠和砾漠风蚀地貌区，且穿越区域性活动断裂，工程地质条件较差。

(5)AK380+000-AK410+000

线路走行于洪积扇、砾漠区，且穿越褶曲构造带，工程地质条件较差。

8 结论

(1)对于地形、地质条件复杂的山区铁路，采用基于多源数据的工程地质遥感解译方法，可以快速获取选线所需的各类工程地质信息，有效提高方案研究的效率和质量。

(2)遥感数据处理前，应根据解译目的和遥感数据的特点，开展测试和对比分析，选择恰当的处理方法，以满足工程地质遥感解译要求。

(3)采用基于多源数据的工程地质遥感解译方法，将收集到的遥感资料、地质资料和地形资料进行集成，通过多源数据的对比分析和综合解译，可以有效提高工程地质遥感解译的准确率。

(4)根据遥感解译成果，可以绘制工作区地貌分区、地质构造、不良地质分布等各类遥感专题图件，进而提出方案工程地质遥感评价意见及选线建议，为方案研究提供地质依据。