高 山

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (武漢)，武漢 430074;2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

如今鐵路項(xiàng)目的前期研究和設(shè)計(jì)方案受各類環(huán)境因素影響的加大，方案變更頻繁，要求在有限的工期和缺乏數(shù)據(jù)的情況下，快速高效完成選線設(shè)計(jì)和工程地質(zhì)勘察工作。工程地質(zhì)調(diào)查是工程地質(zhì)勘察的重點(diǎn)和基礎(chǔ)工作，人工調(diào)查往往受一些特殊環(huán)境條件限制，如山區(qū)、高原、沙漠、濕地、禁區(qū)等，導(dǎo)致鐵路勘察進(jìn)度緩慢、成本高的現(xiàn)狀［1］。

航空航天遙感正朝“三多”(多傳感器、多平臺(tái)、多角度)和“四高”(高空間分辨率、高光譜分辨率、高時(shí)相分辨率、高輻射分辨率)方向發(fā)展，極大地提高了遙感的觀測(cè)尺度、對(duì)地物的分辨本領(lǐng)和識(shí)別的精細(xì)程度，而且使遙感地質(zhì)發(fā)生了由宏觀探測(cè)到微觀探測(cè)，由定性解譯到定量反演的質(zhì)的飛躍，將遙感地質(zhì)和應(yīng)用都推向一個(gè)新的高度［2］。國(guó)內(nèi)外航測(cè)遙感研究機(jī)構(gòu)已在全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量與遙感制圖、三維可視化鐵路選線、工程地質(zhì)遙感圖像解譯、激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)等方向［3-6］，開展了大量的技術(shù)研究和開發(fā)工作，積累了較豐碩的技術(shù)成果，并在多條地形地質(zhì)條件復(fù)雜的鐵路工程中得到應(yīng)用，拓展了在鐵路遙感技術(shù)應(yīng)用的深廣度。

目前，由于鐵路遙感勘察體系和某些關(guān)鍵技術(shù)還沒有完善和有效突破，以及生產(chǎn)應(yīng)用中還存在較多問題，如技術(shù)方法可行性、精度質(zhì)量可靠性、系統(tǒng)協(xié)同性、作業(yè)精細(xì)化、體系結(jié)構(gòu)完整性等。因此，深入開展鐵路遙感地質(zhì)勘察技術(shù)體系研究對(duì)于建設(shè)鐵路勘察信息一體化有著深遠(yuǎn)的意義。

1 鐵路遙感地質(zhì)勘察技術(shù)現(xiàn)狀

遙感技術(shù)為支持鐵路勘察、規(guī)劃和建設(shè)工作的數(shù)據(jù)采集和更新提供了必要的數(shù)據(jù)源;它的應(yīng)用可以擴(kuò)大地質(zhì)勘察范圍，克服地面調(diào)查的局限性，增強(qiáng)預(yù)見性，并可減少外業(yè)工作量，提高調(diào)查效率［7］。鐵路遙感勘察技術(shù)已廣泛應(yīng)用于鐵路建設(shè)預(yù)可研、可研階段，包括工程地質(zhì)可行性評(píng)價(jià)，地質(zhì)選線與優(yōu)化，工程方案地質(zhì)比選，線路地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查與發(fā)展趨勢(shì)分析評(píng)價(jià)等。鐵路遙感勘察整個(gè)作業(yè)過程包括準(zhǔn)備工作、初步判釋、外業(yè)驗(yàn)證調(diào)查與復(fù)核判釋、最終判釋與資料編制［8］。判釋內(nèi)容主要包括地形地貌分析、區(qū)域地質(zhì)背景分析、地質(zhì)災(zāi)害分析，長(zhǎng)隧道、特大橋、車站等重難點(diǎn)工程地段的地質(zhì)分析及位置選擇等。

一般預(yù)可行性研究主要應(yīng)用陸地衛(wèi)星圖像和小比例尺航空遙感圖像兩者結(jié)合使用。衛(wèi)星影像主要為美國(guó)資源衛(wèi)星的TM、ETM等;航空遙感圖像目前主要是應(yīng)用黑白航空像片，有時(shí)也應(yīng)用彩色紅外片或其他航空遙感片種，比例尺1∶2萬～1∶5萬?？尚行匝芯恐饕獞?yīng)用大比例尺黑白航空像片和高分辨率衛(wèi)星影像(如 SPOT、IKONOS、QuickBird等)。遙感解譯精度評(píng)價(jià)主要體現(xiàn)在解譯目標(biāo)的幾何位置、邊界形狀、屬性內(nèi)容和相互關(guān)系等，鐵路工程地質(zhì)遙感規(guī)程規(guī)定:踏勘、加深地質(zhì)、初測(cè)、定測(cè)勘察階段成圖比例尺分別對(duì)應(yīng)為1∶5萬～1∶20萬、1∶1萬 ～1∶5萬、1∶1萬 ～1∶20萬、1∶2 000～1∶10 000，要求遙感圖像解譯精度在空間尺度上符合相應(yīng)的成圖比例。

鐵路遙感圖像空間分辨率、成圖比例尺、工程地質(zhì)解譯要素對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 空間分辨率、成圖比例尺、工程地質(zhì)解譯要素關(guān)系

根據(jù)已完成的多項(xiàng)鐵路遙感勘察項(xiàng)目，總結(jié)出以下問題:(1)各種比例尺的航衛(wèi)片為解譯基礎(chǔ)資料，多借助立體鏡或軟件工具輔助專家判釋、手工標(biāo)注，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低;(2)解譯詳細(xì)程度因人為因素局限性大，且多為定性描述，尚未實(shí)現(xiàn)巖性定量識(shí)別和單個(gè)地質(zhì)體定量分析，難以拓展到后續(xù)勘察階段的工點(diǎn)測(cè)繪、勘探孔布置、棄砟場(chǎng)選址;(3)遙感勘察手段單一，很少利用高光譜巖石填圖、InSAR地表形變監(jiān)測(cè)、高陡邊坡激光雷達(dá)成像的高精度、定量化遙感技術(shù);(4)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)綜合利用率低，工程地質(zhì)條件分析與評(píng)價(jià)多為定性的主觀思維模式，缺乏行之有效的具有數(shù)據(jù)集成、信息提取、質(zhì)量分析和定量評(píng)價(jià)的信息系統(tǒng)。

2 鐵路遙感地質(zhì)勘察技術(shù)體系設(shè)計(jì)

2.1 體系目標(biāo)

由于受地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜性和多解性的客觀條件制約，鐵路工程地質(zhì)調(diào)查長(zhǎng)期處于外業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、投入高產(chǎn)出低、質(zhì)量難以保證的現(xiàn)狀，跟不上其他站前專業(yè)的信息化勘察技術(shù)的步伐，遙感地質(zhì)勘察技術(shù)是改變這一被動(dòng)局面的突破口。3S技術(shù)和地球空間信息技術(shù)的發(fā)展為工程地質(zhì)調(diào)查提供了多方位、多視角、多層次和動(dòng)態(tài)觀測(cè)的信息化技術(shù)，提供了開闊的人工調(diào)查視野和逼真的地理環(huán)境模型，為鐵路勘察提供了各種尺度和精度的地物、地形、地質(zhì)的幾何形狀、空間位置、目標(biāo)屬性信息。有必要深入研究遙感精細(xì)解譯關(guān)鍵技術(shù)和制定詳細(xì)作業(yè)程序，滿足不同地質(zhì)環(huán)境、勘察階段、工程類型條件下的鐵路工程地質(zhì)勘察業(yè)務(wù)需求，建設(shè)信息化、系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的成套鐵路遙感地質(zhì)勘察體系。最終達(dá)到精細(xì)指導(dǎo)地質(zhì)調(diào)繪工作，提高綜合地質(zhì)勘察質(zhì)量和效率，減少外業(yè)工作量，解放勞動(dòng)力的目標(biāo)。

2.2 研究方法

充分考慮鐵路地質(zhì)勘察、線路選線設(shè)計(jì)、遙感地質(zhì)解譯等傳統(tǒng)工序和業(yè)務(wù)需求基礎(chǔ)上，以先進(jìn)的地球空間信息技術(shù)前瞻性研究為指導(dǎo)，充分發(fā)揮遙感、GPS、GIS空間信息技術(shù)在鐵路勘察中的專業(yè)特長(zhǎng)。研究方法主要包括技術(shù)調(diào)研、資料收集、可行性分析、生產(chǎn)試驗(yàn)、系統(tǒng)開發(fā)、項(xiàng)目應(yīng)用、質(zhì)量評(píng)價(jià)、標(biāo)準(zhǔn)制定等，建設(shè)集遙感信息解譯、三維地理建模、工程地質(zhì)調(diào)查、綜合勘察資料分析為一體的高層次的鐵路遙感地質(zhì)勘察信息平臺(tái)，并建立起工程地質(zhì)、線路、遙感作業(yè)接口，達(dá)到專業(yè)資料共享、互通的目的，形成鐵路遙感勘察技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和工作程序，改進(jìn)傳統(tǒng)鐵路工程地質(zhì)勘察方法。

2.3 技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

基于遙感圖像識(shí)別理論和工程地質(zhì)遙感解譯的基礎(chǔ)理論，解決工程地質(zhì)遙感空間信息提取關(guān)鍵技術(shù)，即基于多光譜影像的構(gòu)造信息提取，基于機(jī)載LIDAR技術(shù)的微地貌地形信息提取，基于高光譜遙感技術(shù)的巖性信息定量提取，基于多時(shí)相InSAR地表形變調(diào)查與監(jiān)測(cè)，基于地面激光掃描和三維成像技術(shù)的高陡邊坡調(diào)查。重點(diǎn)研究工程地質(zhì)信息提取、遙感地質(zhì)解譯知識(shí)庫、多源地學(xué)空間信息集成、三維鐵路地理環(huán)境建模、工程地質(zhì)條件區(qū)劃與評(píng)價(jià)。技術(shù)體系結(jié)構(gòu)見圖1。

具體實(shí)施步驟:

(1)根據(jù)鐵路勘察階段及工程地質(zhì)調(diào)查內(nèi)容要求，針對(duì)性選取遙感圖像、圖像處理方法和組合方式，確定遙感圖像分辨率、解譯精度與成圖比例尺關(guān)系;

圖1 技術(shù)體系結(jié)構(gòu)

(2)基于ENVI遙感圖像處理軟件IDL二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)基于多光譜、高光譜、雷達(dá)數(shù)據(jù)的工程地質(zhì)解譯要素提取算法，建立工程地質(zhì)遙感解譯信息模型;

(3)基于Google Earth數(shù)字地球平臺(tái)二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)多源空間數(shù)據(jù)集成、線路平縱斷面定線及三維可視化影像解譯的業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng);

(4)遙感解譯數(shù)據(jù)和非遙感數(shù)據(jù)基于ArcGIS空間分析模塊開發(fā)，進(jìn)行工程地質(zhì)條件分區(qū)、不良地質(zhì)致災(zāi)可能性及其危害性評(píng)價(jià);

(5)結(jié)合工程項(xiàng)目，針對(duì)不同地貌類型、勘察階段、工程地質(zhì)條件和工程設(shè)計(jì)，選取針對(duì)性的遙感地質(zhì)勘察方法，編制遙感勘察大綱、作業(yè)細(xì)則和技術(shù)文檔;

(6)遙感勘察資料與現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)測(cè)繪、物探、鉆探、試驗(yàn)資料進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證、解譯精度評(píng)價(jià)與質(zhì)量分析。

3 鐵路遙感地質(zhì)勘察系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 工程地質(zhì)遙感解譯知識(shí)庫模型

工程地質(zhì)遙感解譯知識(shí)庫，是為了配合專家系統(tǒng)對(duì)遙感圖像進(jìn)行解譯而建立的數(shù)據(jù)庫。其搭建目的是將專家解譯的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及解譯分析數(shù)據(jù)進(jìn)行整理合并，保證在自動(dòng)解譯中的數(shù)據(jù)供給和調(diào)用。由于不同巖土體及工程地質(zhì)現(xiàn)象的波譜特征及時(shí)空特征在遙感圖像上的顯示不同，解譯知識(shí)庫將常用的典型地物解譯信息進(jìn)行歸類入庫，描述其不同波譜下的解譯原則［9］。具體研究有微地貌、水系結(jié)構(gòu)、巖石巖性、斷層構(gòu)造、不良地質(zhì)等工程地質(zhì)圖像特征和解譯標(biāo)志關(guān)系，引入GIS、高程知識(shí)、紋理知識(shí)、空間幾何特征及其組合進(jìn)行系統(tǒng)分析，建立圖像實(shí)體與工程地質(zhì)對(duì)象之間的地學(xué)信息關(guān)系圖譜，提煉出較通用的圖例、符號(hào)語言、圖形、圖解方法，應(yīng)用GIS空間關(guān)系數(shù)據(jù)模型建立工程地質(zhì)解譯標(biāo)志數(shù)據(jù)庫。

3.2 工程地質(zhì)巖性信息提取

北方山區(qū)具有氣候惡劣、交通不便和植被稀少的特點(diǎn)，地面調(diào)查困難，采用高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行巖性識(shí)別，其高維信息具有良好巖石巖性診斷性特征［10］。此外，光譜吸收特征反映了巖石的礦物成分、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造及其風(fēng)化層的物性特征。南方山區(qū)具有高植被覆蓋和巖石風(fēng)化強(qiáng)烈的特點(diǎn)，巖石零星裸露，巖性信息微弱，高光譜定量識(shí)別困難，僅利用多光譜遙感難以實(shí)現(xiàn)巖土工程性質(zhì)分類，還需要融合其他多源信息［11］，例如地層巖性、地形地貌、地面調(diào)查等。多源信息的獲取和選擇是關(guān)鍵，遙感影像的植被、光譜和紋理信息以及坡度和斜坡結(jié)構(gòu)作為數(shù)據(jù)源，并進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合，再利用支持向量機(jī)進(jìn)行巖土工程性質(zhì)分類，最后對(duì)分類結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.3 地質(zhì)災(zāi)害遙感識(shí)別

(1)滑坡識(shí)別

滑坡識(shí)別的主要目的是自動(dòng)或人機(jī)圈定可能發(fā)生滑坡區(qū)域，將滑坡目視解譯的先驗(yàn)知識(shí)(描述性特征)進(jìn)行定量描述和表達(dá)。通過多源數(shù)據(jù)融合識(shí)別滑坡，從而降低滑坡的誤判性，提高滑坡識(shí)別率。通過對(duì)遙感影像、地形、地質(zhì)信息的空間分析，進(jìn)行面向斜坡單元的滑坡識(shí)別。斜坡單元是山谷線和山脊線圍成的斜坡區(qū)域，而面向滑坡提取的斜坡單元要考慮滑坡發(fā)育的斜坡特征，疊加坡度分級(jí)圖對(duì)斜坡單元進(jìn)一步劃分。

(2)崩塌識(shí)別

崩塌信息提取方法，對(duì)已知崩塌的遙感影像進(jìn)行光譜和紋理特征分析，獲取崩塌識(shí)別先驗(yàn)知識(shí);利用DEM提取坡度大于一定閾值的區(qū)域;通過高分辨率影像提取基巖裸露(或高反射率)區(qū)域;綜合上述信息圈定崩塌范圍。崩塌提取的關(guān)鍵是裸地和弱植被圖斑的提取與篩選及地形陰影的去除，崩塌在影像上本底信息的關(guān)鍵指數(shù)除了植被指數(shù)外，還有土壤亮度指數(shù)、第一主成分變換信息及地形數(shù)據(jù)等通過集成計(jì)算圖像作為裸地提取的源數(shù)據(jù)。

(3)潛在泥石流識(shí)別

采用劃分的泥石流流域作為評(píng)價(jià)基本單元，選取構(gòu)成泥石流潛在形成條件的因素作為關(guān)聯(lián)因子。采取的潛在泥石流隱患區(qū)判別方法，類同于地質(zhì)災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)劃分方法，以其潛在風(fēng)險(xiǎn)程度的高低作為判定泥石流潛在形成可能性大小的依據(jù)［12］。評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均為定量描述的數(shù)據(jù)，采用標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化、均勻化方法統(tǒng)一量綱，代入評(píng)價(jià)模型。擬采用GIS的疊加分析法，將生成的表示各個(gè)指標(biāo)的流域柵格圖層，參考前人的標(biāo)準(zhǔn)重新分級(jí)量化，然后分別賦予權(quán)重進(jìn)行所有因子?xùn)鸥駡D層的地圖代數(shù)運(yùn)算，得出最終預(yù)測(cè)結(jié)果。

(4)斷裂構(gòu)造識(shí)別

斷裂構(gòu)造是影響鐵路工程基礎(chǔ)穩(wěn)定的主要因素，活動(dòng)斷裂沿線常常伴隨著堰塞湖、巖堆、沖積堆、滑坡、泥石流等不良地質(zhì)現(xiàn)象。斷裂構(gòu)造的解譯標(biāo)志包括斷裂構(gòu)造幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征以及斷裂性質(zhì)的解譯標(biāo)志。通過三維遙感圖像和山體陰影圖的半透明疊加，可以突出斷裂構(gòu)造信息，同時(shí)參考地形信息、地質(zhì)圖信息，以及經(jīng)過邊緣增強(qiáng)圖像、亮度反轉(zhuǎn)、彩色空間變換和銳化等處理方法所得到的圖像，再進(jìn)行目視解譯，有利于提取斷裂構(gòu)造信息。

3.4 工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)模型

工程地質(zhì)條件具有多因素、多層次、不確定性強(qiáng)等特點(diǎn)，需要對(duì)評(píng)價(jià)的目標(biāo)、決策變量、功能和作用深入分析，確定主要組分的最相關(guān)因子，如地震烈度、降雨量、坡度坡向、溝谷切割密度、斷層性質(zhì)、巖性、巖石質(zhì)量、斜坡結(jié)構(gòu)、地下水、工程類型等，為每個(gè)因子的每一分類等級(jí)規(guī)定出相應(yīng)的級(jí)別值，計(jì)算出各項(xiàng)因素評(píng)價(jià)指標(biāo)值，運(yùn)用GIS空間分析方法計(jì)算出綜合工程地質(zhì)特性最優(yōu)值指標(biāo)，編制評(píng)價(jià)分級(jí)圖［13］。對(duì)于評(píng)價(jià)因子的選取，必須結(jié)合工程地質(zhì)特征和工程特性(隧、橋、路、站)，找出影響工程穩(wěn)定性的最大貢獻(xiàn)率的因子組合，作為評(píng)價(jià)綜合指標(biāo)。采用ArcGIS數(shù)據(jù)圖層的疊加操作的方法，將每個(gè)準(zhǔn)則圖層與對(duì)應(yīng)的權(quán)重相乘(加權(quán)過程)，然后對(duì)加權(quán)后的準(zhǔn)則圖層進(jìn)行邏輯疊加操作，得到工程地質(zhì)條件綜合評(píng)價(jià)圖。

4 結(jié)語

由于傳統(tǒng)鐵路遙感勘察多用于小比例尺地質(zhì)調(diào)查或大型地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查，尚未實(shí)現(xiàn)全線大比例尺調(diào)查，缺少針對(duì)單體工程的精細(xì)遙感勘察方法，造成后期勘察中遙感作用十分有限的現(xiàn)狀?；诂F(xiàn)代遙感對(duì)地觀測(cè)技術(shù)和大比例尺解譯技術(shù)研究，提出以遙感系列技術(shù)手段為主與地面驗(yàn)證為輔的工程地質(zhì)遙感調(diào)查方法，突破了傳統(tǒng)鐵路帶狀地質(zhì)測(cè)繪的模式，可以滿足不同地理環(huán)境、地質(zhì)條件、工程類型的地質(zhì)調(diào)查業(yè)務(wù)需求，達(dá)到減少外業(yè)工作量，提高調(diào)查效率和質(zhì)量，并有效指導(dǎo)地質(zhì)測(cè)繪、勘探布置和工程地質(zhì)條件評(píng)價(jià)的目的，推進(jìn)鐵路勘察信息一體化建設(shè)進(jìn)程。

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