早期黄土洞穴识别理论与技术发展现状

张卜平,朱兴华,程 茜,孙恒飞,蔡佳乐

(1. 长安大学 地质工程与测绘学院,陕西 西安 710054; 2. 西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,陕西 西安 710054)

0 引言

黄土洞穴是黄土高原上一种特殊的地质灾害[1-2],不仅威胁公路、铁路等工程建设,还会间接引发其他地质灾害,如黄土崩塌、滑坡、泥石流等,甚至形成黄土地质灾害链[1, 3-5]。同时黄土洞穴侵蚀也是黄土高原地区水土流失的重要组成部分[6]。由于黄土洞穴空间发育特征复杂,发育位置隐蔽,加之缺乏有效的黄土洞穴早期识别技术方法,致使人们长期遭受黄土洞穴及其诱发灾害的威胁。自20世纪20年代以来人们对黄土洞穴的区域分布规律、发育特征、控制因素、形成机理、灾害环境效应等进行了大量研究[1-2,7-8]。黄土洞穴尤其是地下的黄土暗穴具有隐蔽性,在地表很难观察到暗穴内部的潜蚀过程,只有当潜蚀发展到一定程度导致地面突然发生塌陷时,人们才知道地下早已被水流潜蚀掏空[9]。这种长期潜伏在地下的潜蚀给生态环境保护、灾害防治和生产生活带来巨大威胁。据调查,被忽略的地下暗穴内部的潜蚀水土损失达到总水土流失的40%[7]。地下暗穴内部的潜蚀作用对斜坡水文环境的影响尚不清楚,地下暗穴内部潜蚀对斜坡稳定性的作用还存在争议[10]。随着城市化进程的推进,频发多发的城市路面塌陷灾害造成了重大经济财产损失甚至人员伤亡,其中很大一部分事故是由于地下土体被潜蚀掏空形成暗穴,在极端暴雨、路面车辆荷载等作用下发生突然塌陷。因此,开展早期黄土洞穴识别的理论和技术方法研究对未来预防突发性城市路面塌陷,揭示突发性重大黄土地质灾害形成机理及开展黄土地区生态环境保护均具有重要实际意义。

野外调查和地质测绘等手段一直是人们研究黄土洞穴,获取第一手资料最基础也是最重要的手段[7]。通过野外实地调查,人们可以了解黄土洞穴的区域分布规律、形态特征等,以便总结归纳黄土洞穴的形成条件和主要影响因素[1]。文献[1]曾利用传统人工调查方法对黄土高原上的黄土暗穴进行了细致调查,基于调查结果对黄土高原上的黄土暗穴发育程度进行分区,为后人研究黄土暗穴潜蚀奠定了基础。通过在典型小流域内对黄土洞穴进行地质测绘,可以了解地下黄土暗穴网络的大致分布特点和水力联系[11]。朱同新等[12]利用烟幕弹和大比例尺(1∶1000)的地质测绘,查明了山西离石羊道沟小流域黄土洞穴的连通性,并设立了原位水文监测装置,揭示了黄土洞穴系统对黄土斜坡水文环境的影响。野外调查和地质测绘方法是最原始的地质研究手段,同时也是最为重要的技术方法,截至目前仍然是人们进行黄土洞穴研究必备的研究方法之一。但是,野外实地调查并不能观察到暗穴在地下的分布情况,单靠暗穴的进出口位置会造成对地下暗穴网络分布的严重低估[13]。近年来,随着无人机摄影测量和运动恢复结构重建技术在地质灾害调查领域的普及,为流域黄土洞穴快速高效调查提供了新途径[13]。特别是超高分辨率的机载雷达数字高程模型降低了地表植被的影响,提高了调查建模精度,是未来地面区域黄土洞穴调查最有前景的技术。黄土洞穴与周围土体环境之间的物性差异为地球物理方法的应用提供了物性基础。目前比较成熟的地下管道探测地球物理方法有探地雷达(ground penetrating radar, GPR)、电阻率层析成像(electrical resistivity tomography, ERT)、地震折射层析成像(seismic refraction tomography, SRT)等。不同地球物理方法对地质物理性质的敏感性不同,这使地球物理方法的综合应用受到限制。加之地球物理方法面临数据处理和后期解译误差等问题,目前仍在不断的探索发展中。

综上所述,黄土洞穴尤其是黄土地下暗穴发育位置隐蔽,给人们深入研究黄土内部潜蚀机理造成了障碍。过去几十年中,黄土洞穴的调查方法和探测技术取得了长足进展,但是也存在一些不足。本文利用文献综述的研究方法,首先分析黄土洞穴的发育特征及其形成机制,然后对人们常用的野外调查方法和地球物理方法进行总结评述,并对近年来出现的新方法作简要介绍。最后,针对当前黄土洞穴调查研究中存在的不足,对未来黄土洞穴调查方法的发展方向进行展望。本文是对黄土洞穴调查勘探方法发展现状的系统性总结,对未来黄土洞穴调查方法的开发应用和揭示黄土洞穴潜蚀模型的创建具有一定的参考价值。

1 黄土洞穴成因类型、发育特征与形成机理

1.1 黄土洞穴成因类型

根据黄土洞穴的成因,可将黄土洞穴分为地质成因洞穴、生物成因洞穴和人类活动洞穴三类[1,14]。地质成因洞穴的主要地质营力是水,因此可按照水的侵蚀方式进一步分为冲蚀洞穴、潜蚀暗穴以及湿陷碟形地等;生物成因洞穴则可分为动物洞穴和植被洞穴两类;此外,还存在人类工程活动产生的黄土洞穴。黄土洞穴类型及发育特征如表1所示[1,14]。因地下水潜蚀作用诱发的黄土洞穴具有突发性,且其发育位置隐蔽,在地面塌陷发生之前难以识别,严重制约着人们深入研究其形成机制和发展演化过程[13]。因此,本文主要以地下潜蚀黄土暗穴及其诱发的地面陷穴为研究对象。

表1 黄土洞穴成因分类及基本特征[1,14]

1.2 黄土洞穴发育特征

1.2.1 空间形态复杂

黄土中的洞穴根据空间位置可分为地表可见的黄土洞穴和地下黄土暗穴[14],两者成因和形态特征具有较大差异。近地表黄土洞穴一般有垂直或近垂直分布的陷穴、跌穴、冲穴等如图1(a)所示。地下黄土暗穴走向一般近水平分布,相对于垂直暗穴较简单的空间形态特征,黄土暗穴内部形态特征复杂如图1(b)所示。调查表明,黄土暗穴空间展布包括缓倾直线、陡倾直线、变倾直线、垂向重叠型、折线型等[1]。黄土暗穴内部的构造特征更为复杂,包括土体结构、暗穴内部充填物分布、内部侵蚀构造等[2]。复杂的空间形态特征导致黄土洞穴的探测难度非常大。

图1 典型黄土洞穴[9]

1.2.2 发育位置隐蔽

自然作用下形成的黄土洞穴一般分为垂直段的黄土陷穴和水平段的黄土暗穴如图2所示。陷穴一般在地表具有明显的入口,可以利用测距仪、深度仪、皮尺等对其进行简单测量。但是,黄土暗穴一般分布在地表以下,发育位置隐蔽,暗穴的扩展、洞壁崩塌等一系列活动均不能直接观测。这种隐蔽性限制了人们对黄土暗穴的直接调查和观测。

图2 黄土洞穴系统工程地质剖面图[15]

1.2.3 物性差异明显

第四系风积黄土是一种由黏土、砂、水和空气等组成的特殊土,黄土中固液气三相之间的介电常数和电阻率差异较大,如表2所示。黄土孔隙度、含水饱和度及水的矿化度和洞穴周围裂隙的发育强度及方向等改变了黄土的电阻性质,导致黄土洞穴与围岩存在明显的电阻率、极化率的差异[17],多雨地区黄土的电阻率可达到100～200 Ω·m,而含盐量较高的黄土电阻率仅5～30 Ω·m[18]。黄土暗穴内部的空气一般比较潮湿,因此与围岩高含水量的土体之间的介电常数差异也较大。黄土暗穴的电磁特性与暗穴中是否充水也具有较大的关系。例如,在潜水面以下或被水填充后,黄土暗穴一般表现为低电阻率、高介电常数(电磁波低速度)的特征;而在浅地表,受蒸发作用的影响,洞穴中填充的是空气,则表现为高电阻率、低介电常数(电磁波高速度)的特征[16]。黄土暗穴边部一般为波阻抗界面,可以形成有效的反射、透射、散射波并使传播于近地表的瑞雷面波产生有规律的畸变[17]。而黄土是一种非常疏松的第四系沉积物,对弹性波的高频部分有明显的吸收作用,这会限制一些地球物理勘探方法的探测深度。总之,黄土洞穴与所处地质环境的物性差异奠定了利用地球物理方法无损探测黄土洞穴的基础[16,18]。

表2 不同介质的电磁特性常数表[16]

综上所述,黄土洞穴由于其发育位置隐蔽,早期识别难度大,给人们生产生活造成了严重威胁。黄土洞穴与黄土本身及洞穴所处的地质环境之间存在较明显的物性差异,这为黄土洞穴地球物理无损探测技术的应用奠定了基础。为了在洞穴形成早期准确识别和确定黄土洞穴的发育位置,构建黄土洞穴的简化地质模型,需要综合利用多种手段进行精细化探测。

1.3 黄土洞穴形成机理

张卜平等[3]曾对近年来黄土洞穴形成机理相关研究成果进行了系统性总结。研究表明,当前地质成因黄土洞穴的形成机制比较公认的为机械潜蚀与化学溶蚀复合成因机制[3]。黄土洞穴的形成主要受土体性质、渗流通道及水动力条件控制[1],这3种主控因子之间存在着复杂的互馈作用关系如图3所示,这也是当前黄土洞穴形成机制研究的关键。黄土对水敏感的特殊土性是黄土洞穴潜蚀发展的物质基础,黄土湿陷主要形成低洼的地形和湿陷裂隙,便于汇水和水分快速进入黄土内部,而黄土的崩解性间接促进黄土潜蚀速率;黄土中微细宏观多尺度结构面为地表水进入黄土内部提供了渗流通道;水动力条件则是黄土洞穴形成的主要驱动力[1]。从黄土洞穴的形成过程来看,地形低洼处地表易形成积水,水沿黄土节理裂隙、大孔隙等通道快速入渗进入黄土内部如图4(a)所示,不断潜蚀裂隙壁同时溶解黄土中的可溶盐,水分在向下运移的过程中又带走了细小的黄土颗粒,导致黄土结构性变差、强度降低;向下运移的水分遇到渗透速率相对较低的钙质结核层或古土壤层时,会转为侧向近水平渗流如图4(b)所示;水平向的集中渗流潜蚀导致形成地下暗穴如图4(c)所示,暗穴上部土体在自重作用下发生下陷坍塌,在地表形成一系列的洞穴如图4(d)所示。典型黄土洞穴形成过程如图4所示。

图3 黄土洞穴潜蚀主控因子及其互馈作用[3]

图4 典型黄土洞穴形成过程示意图[3]

综上所述,黄土洞穴是黄土高原地区普遍发育的一种特殊地质灾害,对黄土高原地区生态环境演化、城市建设、水利工程、防灾减灾等均具有重要的影响。黄土洞穴类型繁多,成因机制复杂。尤其是黄土洞穴具有空间形态复杂、发育位置隐蔽的发育特征,给人们识别观测研究黄土洞穴的形成过程,揭示黄土洞穴的形成机理造成很大障碍。

2 早期黄土洞穴识别主要方法

2.1 传统人工现场调查

人工现场调查的对象是具有明显进出口的黄土洞穴。皮尺、地质罗盘、GPS、全站仪和相机等传统的人工调查和测量工具一直是人们调查黄土洞穴和大型暗穴最基本的工具。人们利用上述工具在实地考察、测量、拍照,并作细致的野外记录。通过实地调查可以明确黄土暗穴潜蚀发生的位置、出露的地层、空间形态特征、所处的发育阶段等特征[1,2,14,19]。有了野外详细的调查数据可进一步分析总结黄土洞穴发育的影响因素、概括黄土洞穴的地质模式[20]和为揭示黄土洞穴的形成机理提供详细的基础性资料。虽然人工调查存在工作效率低、成本高、调查范围有限、调查不全面等缺点,但时至今日,传统的人工调查测量仍然是黄土洞穴调查最重要的手段之一如图5所示。

图5 土壤洞穴人工调查[21]

2.2 小流域洞穴快速识别

随着科技的快速发展, 无人机数字摄影测量和GIS空间分析相结合的识别分析方法已经成功地应用于流域黄土洞穴的调查分析如图6所示[22-24]。利用无人机摄影测量技术获得研究区高分辨率影像数据和数字高程模型,基于影像数据可以识别黄土洞穴,统计洞穴直径等关键指标;利用标识点在数字表面模型上可以得到黄土洞穴发育的坡度、坡向、曲率和汇水面积等地形数据,进而实现小流域黄土洞穴分布特征分析[22]。孔嘉旭等[24]通过类似方法实现了对兰州老狼沟小流域黄土洞穴分布特征的调查,并将调查结果应用于该地区黄土微地貌灾害链演化模式的研究,效果良好。虽然无人机摄影测量大大减少了野外工作量,实现了小流域区域黄土洞穴分布特征的快速调查,但是该技术受土地利用类型、植被覆盖程度等影响较大,一些较小或者被植被覆盖的洞穴容易被忽略,仍需要人工现场核实。

图6 基于无人机摄影测量和GIS空间分析的黄土洞穴识别工作流程

机载雷达超高分辨率数字高程模型(LiDAR DEM)是前景较好的黄土洞穴调查方法[13]。文献[25]将LiDAR DEM的不同导数(坡度、地形位置指数、地形崎岖度指数、正开放度指数和负开放度指数)应用于区域尺度管道形态数字检测研究中。结果表明,在草地/牧场上的土壤洞穴识别成功率令人满意(单个形态的识别成功率为76%,管道系统的识别成功率为80%),如图7所示。但是在地形起伏较大的地区,管道形状的数字识别难度较大(单个形状的成功率为45%,管道系统的成功率为50%)[13]。近年来,随着卫星遥感技术的迅猛发展,越来越多的学者将其利用于地质灾害的早期识别研究中[26-27]。基于高分辨率的卫星遥感数据和高程数据,利用面向对象的分析方法可以实现黄土微地貌特征的自动提取,这为基于深度学习的黄土洞穴自动识别奠定了基础[28]。当前,基于深度学习等算法的黄土洞穴自动识别仍然面临着诸多挑战,如基于面向对象的洞穴提取方法框架尚未建立,已有的研究在特征利用、样本选取、精度验证以及模型迁移性方面均存在不足[28]。

图7 LiDAR DEM应用于土壤洞穴调查的效果[13]

2.3 地下暗穴地球物理探测

黄土洞穴与围岩之间的物性差异决定了地球物理方法是探测地下黄土暗穴的关键手段[13]。目前常用的地下暗穴探测地球物理方法有:探地雷达(GPR)、电阻率层析成像(ERT)、电磁感应(electro magnetic induction,EMI)、地震折射层析成像(SRT)、自然电位法(self potential,SP)、被动地震干涉法(passive seismic interferometry,PSI)等。本文主要评述前3种常用方法,对其余方法仅做简要介绍,如表3所示。

表3 洞穴调查常用地球物理勘探方法

2.3.1 探地雷达

探地雷达(GPR)在识别地下暗穴的复杂空间形态方面表现良好[29-30]。由于暗穴底部充满空气和水,与周围土壤的雷达波响应存在显著差异,所以雷达图上显示土壤管道的反射很明显,如图8所示。因此,基于雷达图的土壤管网空间可视化技术,可以直观地观察到暗穴在水平和垂直方向的复杂性。文献[28]通过36条探地雷达剖面对比什扎迪山脉(波兰东南部)的3个场地的暗穴进行了探测,结果表明,土壤暗穴在雷达图上表现为反射双曲线,暗穴在坡下呈水平和垂直向分布,其网状结构更加复杂和广泛,表明探地雷达在土壤暗穴调查中具有良好的适用性。实践表明,探地雷达的探测深度和精度受天线频率和地质条件的影响较大,同时探地雷达数据的处理和后期解译也会造成不小的误差。对于暗穴直径变化的探测,探地雷达目前还难以实现[29-30]。

图8 GPR与ERT原理图[13]

2.3.2 电阻率层析成像

电阻率层析成像ERT是一种获取高分辨率地下暗穴电阻率图像的地球物理方法。土壤暗穴底部充满空气,有水流,这些管道与其周围环境之间的电阻率差异很容易被ERT检测到(图8)。受暗穴影响的区域由于具有较高的孔隙率、强烈的生物活动和良好的土壤结构导致土体中气体含量较高,因而电阻率值较高[29]。此外,通过ERT剖面还查明了暗穴的发育位置,页岩或泥岩层之上存在相对隔水层,因而暗穴在土岩交界面上发育[29]。ERT在土壤含水量较高的地层中应用效果良好,基本不受研究区的限制。ERT的结果分析受空间分辨率的影响,电阻率图像的深度和分辨率取决于电极间距,电极间距越小,分辨率越高,但是穿透深度越低。阵列配置也会影响结果。因此,在确定电极间距和阵列结构时,应考虑研究区域内平均和最大暗穴深度,以及暗穴的直径[29]。

2.3.3 电磁感应

电磁感应EMI是以交变电磁场为基础的地球物理方法,根据岩土的导电性、导磁性及介电性的差异,通过研究电磁场的空间和时间分布特性从而来解决有关地质问题的一类地球物理方法[30]。EMI广泛应用于研究影响土壤视电导率(ECa)的因素,如含水量,溶液离子和黏土含量等。此外,容重、土壤结构、离子组成、阳离子交换容量(CEC)、pH、土壤有机碳、养分和CaCO3含量等也对土壤视电导率较敏感[31]。实践表明,EMI对水含量的敏感性高于对暗穴中空气的敏感性,斜坡下部暗穴的视电导率(ECa)较高,而斜坡上部暗穴的视电导率(ECa)较低。这与土壤含水量有关,即在探测过程中边坡上部暗穴中没有发生水流流动[31]。电磁感应(EMI)可以快速测量不同深度的ECa,提供有价值的含水量信息,从而间接表明土壤暗穴的发生和暗穴侵蚀的易损性。但是,电磁感应不能用于探测单个土壤暗穴,而且必须与其他地球物理方法和相应的地面调查结合应用。

2.3.4 被动地震干涉

被动地震干涉法PSI是通过对记录到的地震信号进行干涉得到新的地震信号,这种地震信号不仅包含了原始地震信号的特性,而且能反映出原始信号所不具有的某些重要特征。PLANS等[32]通过结构振动产生的环境地震噪声对堤坝内部侵蚀过程进行了研究。结果显示,随着内部侵蚀的进行,表面波速减少了20%。对发生局部破坏路堤的现场监测显示,表面波平均速度降低了30%。局部速度变化与局部孔隙水压力响应具有较好的一致性[13]。该方法的优势在于可以无损探测土体内部侵蚀过程,但是受环境噪音等影响较大,未来可将该方法应用于黄土暗穴潜蚀过程的试验研究。

2.3.5 多方法综合物探

自然电位法SP是通过观测和研究自然电场的分布特征来解决地质问题的一种方法。自然电位是由于水在多孔介质中的循环引起的一种电动性质的电场,称为流动电位。该方法的优点在于成本低且效率高。该方法已被JARDANI等[33]与ERT方法结合成功应用于暗穴的探测,结果揭示了诺曼底白垩地层中洞穴和隐伏洞穴的位置,证明了该方法在描绘沿2个山脊的一系列洞穴和燧石/黄土界面黏土的位置方面的有效性[33]。地震折射层析成像SRT是利用地震勘探的数据反演地下结构的物质属性,并逐层剖析绘制其图像的技术。CARDARELLI[34]指出不同地球物理方法探测数据的整合是暗穴定位和成像的最佳方法,这样可以最大限度地减少解译上的误差。基于此CARDARELLI提出将SRT、ERT和SP多种方法联合用于地下暗穴探测的工作程序。首先,ERT方法可以快速采集数据并建立可靠的反演模型,因此,可根据电阻率重建暗穴底部的几何形状,显示可能的暗穴易发区。随后,SRT将重点放在ERT异常区域,以确认几何重建,并确定表明早期暗穴的发育形态。由于这些现象不是永久性的,而且通常与含水层季节性的水循环有关,所以SP测量可以揭示异常区域是否存在水体,以查明暗穴的活动性。

综上所述,地球物理方法是当前探测地下暗穴的必备技术手段,已经取得了良好的应用效果。但是,在实际应用过程中还需要考虑调查区的地质情况,综合考虑各种技术方法的优缺点,设计高效率、误差低的探测程序,以便更好的达到研究目的。未来还需要不断提高地球物理方法的探测精度,开发高效可靠的解译软件,以推动地下暗穴的精细化探测和建模。人工智能、大数据等应用于地球物理探测数据处理和解译或能为地下暗穴的研究提供新动力。

2.4 其他方法

内窥镜[35]、烟幕弹[2,11]、挠性管、染色示踪[19]等方法的应用对了解地下暗穴连通性,明确暗穴对斜坡水文过程的影响,建立暗穴与沟壑形成之间的联系,揭示暗穴中的泥沙剥离输运机制等关键问题都具有重要价值[11]。TERAJIMA[35]利用内窥镜对浅部土壤管道内部结构进行了细致调查,建立了土壤管道空间分布模型。近年来,带有三维激光扫描成像建模和简单测量功能的内窥镜开始应用于地下空间隐患排查[34],新型内窥镜除了拍照外还可以建立暗穴内部的三维模型并进行简单测量。未来该技术有望解决以往地下暗穴难以观测的技术难题。

3 早期黄土洞穴识别面临的挑战

3.1 洞穴识别难度大

据前文可知,黄土洞穴在空间上的分布和发育特征是极其复杂的,如图2所示。主要体现在:黄土洞穴的直径、横截面形状、弯曲度、储水性能、洞壁节理裂隙发育情况等均存在空间变异性;黄土暗穴在地下多以管网的形式分布,发育有很多分叉;黄土洞穴是不断扩展演化的,可能由于洞壁或顶板坍塌造成暗穴的改道。这些特征使得黄土洞穴的识别难度大为增加。

3.2 探测精度不够高

目前基于卫星遥感、无人机摄影测量数据等方法的黄土洞穴识别准确率很大程度上取决于数据的分辨率。由于黄土洞穴的大小、形状特征千变万化,对于处于早期阶段的黄土洞穴,由于洞口直径偏小甚至只是发生微小的地面下沉,若所获取的数据分辨率较低则容易发生遗漏、识别不全等问题。而基于深度学习等新算法的自动识别对算法依赖度较高,也存在一定的误差。地下暗穴的探测识别目前仍主要依靠地球物理探测方法,由于黄土洞穴与所处的地质环境之间的物性差异受多种因素影响,对探测结果有很大影响。同时,目前对黄土的地球物理性质研究还不够深入,尚未建立完善的黄土地球物理性质定量化评价模型,加之,物探数据解译质量层次不齐,均导致黄土暗穴识别结果存在较大误差。

3.3 识别方法未成体系

随着科技的快速发展,当前应用于黄土洞穴识别的技术方法已经多达数十种。目前多数仍为采取单一手段进行调查,仅有少数研究将无人机遥感和地球物理探测方法结合应用。各种识别方法所获取的数据繁杂,导致数据融合难度大,综合应用多种手段进行精细化探测的难度较大。

4 “天-空-地表-地下”早期黄土洞穴识别

近年来,“天-空-地”多手段协同在重大地质灾害隐患早期识别和监测预警等方面取得了良好的应用效果[26,36-38]。黄土洞穴作为黄土高原上一种特殊的地质灾害,对黄土斜坡水文环境、生态植被生长、斜坡稳定性、水土环境等都具有重要影响。然而,目前在黄土洞穴调查中仅分散性的采用了无人机摄影测量、运动结构恢复重建、机载LiDAR及地球物理探测方法等手段,尚无法实现对黄土洞穴的精细化调查和建模。本文借鉴重大地质灾害隐患识别“三查”体系的思路,提出构建:基于卫星遥感、航空平台(机载激光雷达测量技术LiDAR+无人机摄影测量)、地球物理勘探方法和人工核查的“天-空-地表-地下”一体化的综合探测体系,进行黄土洞穴的精细化探测和建模,如图9所示。“天”主要指卫星遥感技术;“空”主要指机载雷达和无人机遥感技术;“地表”指地面的人工调查和核查;“地下”则指地球物理勘探方法。具体来说,首先基于卫星遥感、机载激光雷达测量技术LiDAR、无人机摄影测量等航天、航空手段获取调查区的高分辨率DEM模型[24],利用GIS空间分析工具、深度学习算法等对黄土洞穴及可能因暗穴存在发生的沉降区进行识别,得到黄土洞穴分布图[28];随后,借助地球物理勘探,对已初步确定的黄土洞穴分布区和可能存在的暗穴区进行探测,确定黄土暗穴地下空间位置、发育状态,是否存在地下水等[13];最后,通过人工调查进行探测结果复核,实现对黄土洞穴的精细化调查和建模。具体工作流程图如图10所示。

图9 黄土洞穴“天-空-地表-地下”一体化综合识别体系

图10 黄土洞穴“天-空-地表-地下”一体化综合识别体系工作流程图

5 结论与展望

本文系统总结和评述了当前黄土洞穴早期识别的主要方法,并对主要方法的优缺点进行简要评述,指出黄土洞穴早期识别目前仍面临识别难度大、识别精度低和识别方法分散不成体系等挑战,在此基础上提出构建“天-空-地表-地下”一体化的黄土洞穴早期识别体系。得到以下结论与建议:

1)黄土洞穴具有空间特征复杂、发育位置隐蔽、影响因子繁多等特点,给人们的调查和研究造成了很大困难;传统野外调查方法仍然是当前不可缺少的研究手段;无人机遥感等新技术的应用大大提高了野外调查效率,GIS空间分析和深度学习等使黄土洞穴自动识别成为可能;地球物理勘探方法是目前地下黄土暗穴探测的关键技术,不同方法的选择要根据研究目的和该方法的优缺点进行确定;当前早期黄土洞穴识别仍面临识别难度大、识别精度低和识别方法分散不成体系等挑战。

2)对已有早期黄土洞穴识别方法进行完善和改进。未来应进一步发展基于无人机摄影测量、GIS空间分析、机器学习算法的黄土洞穴智能识别;推动高分辨率三维扫描建模内窥镜在黄土洞穴内部构造精细化建模方面的应用;加强不同地质环境下黄土地球物理特性规律的研究,开发高效、低误差的解译算法软件,为提高地下暗穴的地球物理探测精度奠定基础;开发可视化的黄土暗穴潜蚀过程室内模型试验设备,反演黄土洞穴演化过程。

3)提高对早期黄土洞穴识别的重视程度,推动构建“天-空-地表-地下”一体化黄土洞穴早期识别体系。选择典型流域验证该体系的可行性,完善一体化识别体系工作流程。