基于3S技术的库区岩溶地质研究——以云南新庄水库为例

周延国，宋红克，吴国宏

(黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

采用现代GIS、遥感等空间技术并结合工程地质分析原理和灾害评价分析相结合的手段研究库区主要工程地质问题，尤其是库区岩溶地质问题，对提高水库工程地质测绘、分析及研究工作的效率、工作质量有很大的理论和实践意义。

新庄水库位于云南宜良县境内南盘江水系的二级支流马蹄河上，水库库盆位于可溶岩地层中，溶蚀作用强烈，河谷两岸岩溶洼地、落水洞、溶洞、岩溶泉等岩溶现象发育，水库岩溶渗漏问题复杂，为详细的现场调查验证和分析评估提供有效的基础数据和工作重点索引，进而为水库岩溶渗漏评价提供技术支撑，利用3S技术研究分析了新庄水库库坝区岩溶地质现象及问题[1～2]。

1 研究工作方案及流程

以工程区落水洞、岩溶洼地等岩溶地质现象，库区地质构造分布，可溶性岩及非可溶性岩地层划分，作为主要的研究对象，采用地形解译、遥感图像解译和三维真彩色情景解译相结合的多层次高精度解译方法，解译并完成给定区域的主要岩溶地质分布图，建立落水洞、岩溶洼地等不良地质现象以及地层岩性(含覆盖层)、断层构造信息，建立库区综合工程地质GIS数据库[3- 5]。

1.1 建立基础数据库

(1)数据源：以2016年SPOT7影像数据为主要遥感信息源，如图1所示。DEM数据采用现有地形数据通过数字化提取生成，精度达到1∶1万；采用Landsat ETM影像作为辅助数据来对岩溶、构造及灾害进行辅助解译[6- 7]。

图1 研究区域影像数据示意图

(2)图像处理：本次遥感图像处理主要工作流程如图2所示。

图2 遥感图像处理流程图

1.2 解译分析

在地形解译、遥感影像解译和三维真彩色情景解译相结合的基础上，重点解译分析岩溶等不良地质现象，得到库区不良地质现象分布图(分布位置、范围、规模及边界条件)；并对库区内的构造展布、岩性分布、覆盖层范围等进行重点解译分析，完成库区工程地质GIS多源信息集成管理系统和三维真彩色演示浏览查询系统。

2 基础数据分析处理

2.1 地形分析

(1)DEM生成。DEM描述的是地面高程信息，它在测绘、水文、气象、地貌、地质、土壤、工程建设、通讯、军事等国民经济和国防建设以及人文和自然科学领域有着广泛的应用。在地质调查中，能够提供直观的三维地形信息，并为灾害的危险性分区、风险评估提供必要的数据基础。

本次采用的基础地形数据源为1∶1万地形图，从中提取等高线及高程点，基于GIS系统，先通过插值算法获取三角网模型TIN，然后在TIN算法基础上采用线性、双线性内插法建成数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)，如图3所示。

图3 新庄水库DEM图

(2)坡度分析。坡度在一定程度上决定了地貌、地质灾害等工程地质信息、水库、河流、流域等水文地质信息、植被类型、土地利用等环境地质信息的分布，故获取工作区的坡度图能够很好的辅助解译工作。

(3)坡向分析。坡向指斜坡倾斜的方位角。坡向对判定滑坡主滑方向、植被生长情况等有一定辅助作用，一般应与坡度、DEM共同进行辅助分析[7]。

(4)地形阴影。地形阴影是指通过模拟太阳光照强度来展示地形的起伏效果，从而在二维地图上展现出三维地表的形态。地形阴影中灰度值从0-255，表示光照值，光照值大就是高地，值小的是洼地。在DEM或影像图中叠加地形阴影，可以更直观地展现研究区的三维地形效果，更好地辅助解译工作。

2.2 GIS数据库的建立

在资料收集整理的基础上，产生和制作了与水库地形地质研究相关的数据，全部整理为统一的坐标(WGS1984)的GIS数据格式的文件，基于GIS可视化平台，在WGS1984投影坐标系下，以DEM、地形阴影及遥感影像为基础，叠加基础地理资料、地质资料等相关信息，建立工作区GIS可视化解译系统，为遥感解译工作提供综合的分析平台[8- 11]。

2.3 三维遥感影像解译系统构建

研究项目所建立的三维遥感影像解译系统采用地理坐标系为WGS1984，地形数据采用由等高线生成的DEM，遥感影像分别采用SPOT7影像数据建立对应三维遥感影像解译系统，用于进行对比分析解译，三维遥感影像解译系统如图4所示。

3 基本地质条件解译分析

3.1 地形地貌

利用DEM数据对调查区地形进行分析，包括边坡角分布分析、倾向分析、地形阴影分析，如图5—7所示，由此可定量地了解岸坡的地势状况。通过分析可知，河流沟谷处坡度明显较大，而西部区域因发育河流较多，坡度也普遍较陡。研究区域内整体西部较陡，中南部和东北部地区较缓。

图6 研究区域坡向图

图7 研究区域地形阴影图

3.2 地层岩性

本次解译主要基于地形纹理特征与影像色调特征，初步将研究区域的地层按可溶性划分为可溶性岩与非可溶性岩。其中，可溶性岩主要包括各类灰岩、白云岩等碳酸盐岩。在所有的岩石解译中，碳酸盐岩的解译效果是比较好的，尤其是湿热地区的石灰岩，由于形成千奇百怪的岩溶地貌而易与其他岩石相区别。湿热地区的石灰岩常构成独特的岩溶地貌，如深切的狭谷，尖锐的山脊以及残丘、峰林、溶蚀洼地、坡立谷、漏斗、落水洞、暗河等，这些地貌形态成为解译石灰岩的重要标志。石灰岩一般呈偏浅色调，但当石灰岩表面风化呈褐色时，在航空像片上呈深色调。湿热地区石灰岩的溶蚀洼地、漏斗等被淋滤残积土所充填，构成斑点状图案，且多辟为耕地，成为石灰岩的较重要解译标志之一[12- 13]。

波段的选择主要考虑地物光谱特征差异，为了突出岩石、地质构造信息，选择了Landsat- 7 ETM+卫星的7(2.08-2.35μm)、5(1.55-1.75 μm)、1(0.45-0.52 μm)波段，并赋于红、绿、蓝彩色合成了假彩色图像，经与其它波段合成片对比，此图像是最佳图像见表1。

表1 ETM+各波段用途一览表

经解译分析，碳酸盐岩主要分布在研究区域的中部，其在ETM融合图像上呈现灰色、淡黄色色调，植被也较发育，如图8—9所示。碳酸盐岩分布范围以外，主要岩性均为非可溶性岩。

图8 ETM融合图像

图9 碳酸盐岩分布图

3.3 地质构造

本区域内及附近断层解译一般存在以下几个要点：

(1)色调标志：色调反差界面有明显异常带；

(2)地形地貌：两种截然不同的地貌单元呈较长的直线(或平滑曲线)相接，；山脊线、阶地、夷平向、洪积扇等地貌要素的错动；出现明显的长而直的线形负地形、包括断层崖、断层三角面、断层垭口、断层沟谷、断裂裂口以及串珠状盆地、洼地等[14]。如图10—11所示。

图10 典型的断层构造(地貌单元线性相接)

图11 典型的断层构造(断层三角面)

(3)地层岩性：沉积岩地区岩层的不对称重复或缺失；岩性突变；地层、侵入体、岩脉或不整合接触面被切断或错开；岩层产状沿某方向发生突然变化；侵入体、岩脉、矿体、松散沉积物等呈带状或线状分布。

(4)水系：河流、湖泊、沼泽等水体出现被切割或错移等现象；湖旧、沼泽等水体突然由宽变窄；出现断头河、对口河、钓钩河等；一些河流或湖泊、海岸的岸界呈较长的直线或折线状；一系列河流在某条线上出现异常，例如数条河流沿某一方向同时发生弯折，或突然变宽或变窄，或在某区间均出现曲流，或沿某一方内突然发牛下跌，形成瀑布等；湖泊、沼泽、湿地、泉水等呈线状分布。如图12所示。

图12 为研究区域典型的断层构造(对口河)

(5)其他自然现象：侵入体、火山锥、植被等呈线状分布。

4 岩溶地质遥感解译分析

4.1 溶蚀洼地

根据地质等高线资料，进行洼地分析，由研究区域等高线生成DEM文件，在ArcGIS中计算出DEM数据中的洼地区域[7]，如图13所示，深色的区域是可能的洼地区域，并在三维系统进行对比验证，确定岩溶洼地36处，洼地多分布于1750～1850m高程范围内，洼地面积达几千平方米至数万平方米，并对其统计见表2，典型的洼地如图14所示。

图13 洼地计算结果

图14 三维系统进行对比确认洼地位置

4.2 落水洞

遥感影像中落水洞为呈深灰-灰黑色调的小圆斑，是地表通向地下深处的水流通道，它常直接出露于地面，但也常分布在溶蚀漏斗、溶蚀洼地、干谷和盲谷的底部。发育在充填堆积土的漏斗、溶蚀洼地底部的落水洞，往往无法直接观察到小孔穴，主要是因为四周生长植被而把小孔穴遮挡。因此，在充填堆积土的漏斗、溶蚀洼地的底部看到灌木丛、小草丛，则可确定其为落水洞。落水洞一般沿着裂隙发育或发育在几组节理相交处，受裂隙的形态所控制，通过遥感解译确定落水洞25处，图15为研究区域内几个典型的落水洞。图16为研究区洼地、落水洞解译分布。

图15 研究区域典型的落水洞图

4.3 库坝区岩溶发育规律

对本次研究区范围内的岩溶现象进行了特征统计分析。得出以下结论：

(1)工程区域内岩溶发育强烈，通过遥感解译分析，库区岩溶现象主要为溶蚀洼地和落水洞。溶蚀洼地多分布在平缓山顶部位，落水洞一般分布在洼地的边缘基岩出露部位，构成地表水下渗的通道。

表2 研究区域内岩溶洼地统计表

图16 研究区域洼地、落水洞分布

(2)岩性是岩溶发育的内在因素，地层岩性控制了岩溶现象的分布，岩溶现象分布与可溶岩地层的走向基本一致。左岸区：由于可溶岩直接出露，岩溶现象最为发育，以溶蚀洼地和落水洞为主，并且一处洼地内分布多个落水洞。右岸区岩溶现象发育较弱，岩溶洼地和溶洞等均极为少见。

(3)岩溶发育程度受岩石可溶性控制，可溶性越强，发育程度越强。实验表明，碳酸盐类岩石的相对溶解度，与岩石中CaO/MgO比值密切相关，一般来说，碳酸盐类岩石溶解度，从大到小依次为：石灰岩>白云岩>硅质灰岩>泥灰岩。而在各种碳酸盐类岩石互层情况下，岩溶发育取决于优势易溶岩石的含量。库坝区的解译整体如图17所示。

图17 研究区域解译整体图

5 结语

岩溶地质是碳酸盐地区一种常见的地质现象，查清其数量和分布特征对工程建设具有重大意义。传统的岩溶地质调查工作量大、周期长。本文以SPOT7图像为主要信息源，在遥感图像数字处理的基础上，结合基于地学知识的图像识别和解译技术，对研究区岩溶地质现象进行判译及统计分析，最后形成岩溶地质解译成果图，并探讨了其发育规律，形成了一套“3S”技术在岩溶地质勘察评价的应用方法体系[15- 16]，提升岩溶地质勘察遥感解译技术应用水平。实际应用表明，“3S”技术可以节约地质工作成本、提高地质工作精度、让岩溶地质调查评价成果更加清晰，内容更为直观和丰富。