TM影像遥感技术在武汉四环线工程中的应用研究

2012-10-16陈晓林陈爱明

资源环境与工程 2012年4期

陈晓林，唐卓，陈爱明

(湖北省地质调查院，湖北武汉 430034)

0 引言

武汉市四环线位于三环线与绕城高速公路之间，起点定于江夏区，其走向为:从东西湖区吴家山、走马岭工业园中间区域往南，跨过汉江到达蔡甸区、在黄金口工业集团和蔡甸新城之间穿过，沿后官湖生态新城东侧向南，穿过武汉经济技术开发区，经新建的黄家湖大桥到达洪山区青菱乡，经纸坊新城和庙山经济开发区，向北从武钢和化工新城之间通过，沿天兴洲尾架设的武湖长江大桥到达黄陂区，经后湖、盘龙城再到达东西湖区，形成整个闭合环通道，路线全长约143 km。

四环线处于江汉平原东部，以第四系沉积为主，地势总体较为平坦，隐伏地质构造发育。利用遥感图像宏观、逼真、直观、丰富的信息，在四环线工程的选线、工程可行性研究、路线工程地质条件评价和工程初步设计提供参考，不但能提高公路的选线质量，而且能够加快勘测设计速度，减少勘测费用，节省设计成本，以较少的投入，快速、高效地查明工作区的工程地质条件，易于发现常规地质调查难以发现的地质现象;缩短可行性研究周期，节省工程勘探投资。

1 遥感影像技术在工程应用中的一般方法

本次工作借助遥感解译方法，在充分收集测区地质资料的基础上进行，通过遥感地质解译，为环线区地质特征、地形地貌、地层岩性、地质构造、断层断裂、地质灾害、地质分区及不良地质问题提供一些可供参考的资料，为编制可行性研究报告提供基本地质资料。

本次制作的遥感图像所使用的数据为美国Landsat7卫星资料，具体时相为 p123r039/20020709，分辨率分别为28.5 m和14.25 m。同时收集存档的武汉市区SPOT4影像资料，分辨率为10 m，假彩色合成，时相为282289/20010107，其范围较小，未完全覆盖本次工作区，但可作为遥感解译的重要参考影像。

图像融合采用主成份法。主成份融合方法使用“ETM”图像中空间分辨率为 28.5 m 的 1、2、3、5、6、7波段作为多光谱图像，空间分辨率为14.25 m的8波段作为高分辨率图像。通过主成份分析法产生6个空间分辩率为14.25 m的分量图像，使用7、4、1分量合成假彩色图像。

几何纠正与镶嵌使用图像处理软件ERDAS IMAGINE 9.1，在1∶5万地形图上选取控制点，每景 ETM影像选取控制点不少于24个，中误差控制在1.2个像元之内，对每景ETM影像分别进行多项式纠正。采用1954年北京坐标系，高斯克吕格投影，3度分带，中央经线为东经114°，将纠正好的图像最终裁剪形成为1∶5万图像。同理将SPOT4影像也校正到相应的位置。

遥感解译方法一般采用从已知到未知，先整体后局部，先粗后细不断深化的方法进行解译。在收集了解前人与公路工程地质相关资料的基础上，通过遥感影像进行对比分析，分别建立地貌、地质等初步解译标志，进行全区遥感解译。解译中以目视解译为主，利用遥感信息多时相、多波段的特征，采用数字图像处理技术，突出有用信息，提高解译质量。解译工作可通过初步解译、野外验证和详细解译完成(图1)。

图1 四环线遥感影像图Fig.1 Map of remote sensing images of project of the Fourth Ring Road in Wuhan

2 遥感解译标志的建立

TM图像上影像的形态、色彩、规模大小、色调、纹理、结构、特有形象、表面特征等信息代表着不同的地质现象[1]，通过对已知地质构造在TM图像上的反映，可建立解译标志，并由此推断未知区域的地质现象。

2.1 断层

TM图像上断裂构造的线性影像以色彩、色调、岩性地层、地貌、水系、植被等解译标志的线性异常表现出来，断裂构造在视域广，信息丰富的TM卫片上具有十分优越的判读性，其展布形迹和组合类型可以真实直观地显示给视觉系统。解译人员借助地质学、遥感学等综合知识及经验，可以对构造形迹的构造样式、生成顺序、组合规律及空间展布特征进行分析。

断裂常形成直线型和弧线型的影纹，表现为地貌单元和不同水系的直线型接触;影象地质单元的突然中断;断续相连的直线型河谷或山谷。有些在地表工作难以发现的隐伏构造带或变形带均可在遥感影像图上客观地反映，这样就可以加深工作区新构造和深部构造的研究程度。

另外活动断裂构造在TM图像上多表现为地貌单元的突变，第四系松散堆积物被切割、错开及洪积扇变形、叠置，说明第四系沉积在活动断裂带之上或第四系沉积后发生断裂活动。在详细研究断裂构造的波折、弯曲、分叉、复合及其影像特征基础上，可查明主干断裂(区域性构造)的规模、性质和时空分布。

2.2 褶皱

褶皱构造在TM影像上易于识别，主要标志是:其在TM影像上表现为不同的色彩、色调，不同纹形的条带呈对称重复出现，虽在宽度和形态上有差别，但根据其展布的地质学意义即可判译出褶皱构造;当某岩层出露厚度较大时，其微地貌、水系类型、植被特色等遥感解译标志对称重复出现，这样随着解译标志的增加，所判译的褶皱构造的准确性便得到很大的提高，此时依据出露地层的新老关系及两翼产状来确定褶皱类型，从而识别和提取褶皱构造信息。

TM图像上最易于识别的是褶皱构造转折端影像特征，在褶皱构造中，只要两翼岩层不被断层破坏，转折端没有缺失的情况下，就会在遥感图像上识别出构造的地层发生同步弯曲的现象，解译标志体现在色彩、色调、影纹条带呈弯曲状，连续延伸，弯曲处称之为褶皱构造影像转折端。常见的影像转折端形态有尖角状、钝角状、对称状、不对称等，这些被遥感解译标志及其组合，为解译转折端提供了可能。转折端形态与两翼地层的产出可以确定褶皱类型，如尖角状转折端且两翼条带与轴线夹角大致相等，弧度小者为同斜紧闭褶皱，钝角状转折端且两翼地层条带与轴线夹角大致相等，弧度大者为同斜开阔褶皱类型，转折端不对称状即两翼地层影像条带宽窄不一者为斜歪褶皱类型。

2.3 地貌

地貌类型在TM影像上有直观的反映，由于本区处于河湖冲积平原地区，地貌类型较为单一，基本为平原地貌类型，海拔在30 m左右。影纹特征为小斑纹状或规则的纹带状，色调为深绿色，植被发育。平原地貌又可分为水域区，农业区和人类活动集中区。低山丘陵区仅在局部基岩区可见，海拔多在100 m以下，影纹为细长条形，深绿色调。

上述地貌类型在TM影像上的特征为我们对地貌进行分区提供了可靠的依据。

3 沿线地质构造背景及遥感影像特征

通过建立遥感影像解译标志，对路线区进行了地层、地质构造解译，结合前人工作资料及野外验证，圈定了路线区地貌、不良地质体的大致区域。

3.1 地层岩性

武汉市四环线通过地区为第四系广为覆盖，基岩零星露头。根据区域资料及钻探揭露，基岩地层由志留系—古近系系组成，除志留系中统、泥盆系上统、二叠系下统部分出露地表外，其余多埋藏于第四系覆盖层以下。基岩地层埋藏的深度，在长江一带较大，为27～46 m;次为湖泊及其边缘地区为30～38 m;平原、丘陵区较浅，一般为11～25 m。第四系堆积物分布广，占总面积的88%左右。基岩岩性可分为泥砂质碎屑岩建造和碳酸盐建造，志留系中统—石炭系下统为砾岩、砂岩、粉砂岩、粘土岩等;石炭系中统为灰岩、白云岩;二叠系为硅质岩、页岩粘土岩、煤层及燧石结核灰岩;三叠系以灰岩为主;侏罗系—古近系为长石砂岩、石英砂岩、粉砂岩、粘土岩等。基岩区影像特征为翠绿色，条纹状纹形，地貌为低山丘陵及细长条状山脊，水系稀疏。多灌木，少量耕地和农田，与周边影像区别明显。

志留系在地表零星，出露于路线东南部，呈东西向展布，组成背斜核部。但在第四系掩盖之下分布广泛，本区仅见志留系中统坟头组，上统缺失，下统埋伏很深，尚未出露。

仅对路线区第四系简述如下:

(1)中更新统洪冲积层(Q2pal):路线区分布在北部府河以东及长江以南线路东部大片分布，构成岗状平原。由洪冲积的红色粘土、泥砾，棕红色网纹状粘土、棕黄、褐黄色粘土、亚粘土等构成。厚度一般在15～35 m。影像特征为浅绿色，蠕虫状、斑点状纹形，垅岗及残丘地形，树枝状或平行状水系。

(2)中更新统洪冲积层岩相变化较大，多为不整合于前第四系之上，仅局部地段覆盖于下更新统冲积层之上。

(3)上更新统冲积层(Q3al):分布于现代河流的两侧，构成二级阶地，具明显的二元结构。路线区主要分布在长江以北的径河—府河一带和下汤与胜海湖一带。为杏黄、黄褐色粘土、亚粘土，含铁锰质结核及浸染薄膜，结构紧密;下部以砂砾石为主，厚度不一。影像色调为浅绿色、浅紫色，斑点状纹形，垅岗地形，平行状水系或水渠。

(4)全新统(Q4):分布在路线区江、湖一带，其中冲积、湖积、湖冲积层分布较广，成因复杂，相变较大，厚薄不一。

(5)全新统冲积层(Q4al):沿现代河流(长江、府河、滠水等)两岸呈条带状分布，以河流冲积为主，构成一级阶地、漫滩、砂洲等。上部为黄褐色粘土、亚粘土，往下由砂逐渐过渡为砂砾石层。分地区夹有湖积、湖冲积相的黑色淤泥类软土透镜体。影像色调为绿色，纹形为规则的条块状、条纹状斑纹，沟渠交错、植被发育，多为农田分布区。

(6)全新统湖积层(Q4l):多呈环带状分布于一级阶地后缘的湖泊区周围，或湖泊消失后的地势低洼的湖盆沼泽地带。其中以武湖、后湖、北湖等最为发育，多呈港汊的形式穿插入路线中，宽窄不等。主要由黄褐色粘土，青灰、灰黑色淤泥及淤泥质亚粘土组成。影像色调为深绿色、兰色，纹形为规则的条块状、条纹状斑纹，多为农田分布区。

(7)全新统湖冲积层(Q4lal):主要分布于武湖、北湖一带。为混合成因类型，为河流注入湖泊的过渡性沉积，主要为黄褐色亚粘土及灰黑色淤泥质亚粘土组成。影像特征为深绿色、兰色相间，规则的小条纹状斑纹，多为农田分布区。

3.2 地质构造条件

襄(樊)一广(济)深断裂由四环线北东地区通过，以此为界，北部属桐柏一大别隆起之Ⅳ级构造单元—新洲凹陷;南部属下扬子台坪(Ⅱ级)的大冶台褶带(Ⅲ级)，本区仅出露武汉台褶束、梁子湖凹陷两个Ⅳ级构造单元。襄—广断裂以南大多被第四系覆盖，志留系—三叠系地层构成了走向近东西向的线状褶皱，一般向斜窄、背斜宽，并发育 NWW、NW、NE三组断裂。同时受襄—广断裂和麻—团断裂控制，发育有两个凹陷，即沉积中心位于新洲区汪集附近、呈NE向垂叠于NW向构造之上的新洲凹陷和位于江夏区境内延伸出市界的NEE向展布的梁子湖凹陷。

由于工作区基本为第四系松散沉积区，主要表现为隐伏断裂(图2)。

图2 路线区隐伏断裂解译图Fig.2 Interpretation of concealed faults in study area

省内的一级构造分区断裂青峰—襄樊—广济断裂带(F1、F2)从北东天兴洲尾处通过，延伸方向为北西330°左右，区内长约10 km，遥感图像上断裂南北两侧色调截然不同，北侧为翠绿色夹浅蓝色花斑图案，南侧为深蓝色花斑图案，断裂线性影象，呈北西方向延伸，连续性好。两侧地貌差异明显，北东侧地势低平，南部形成岗地，局部有顺断裂方向展布的山丘。区内北湖呈北西西向的长条状顺断裂展布，向北西延伸至四环线外更有后湖、白水湖、野猪湖、王母湖等一系列湖泊呈直线状排列(图3)，与断裂所在位置吻合。断裂通过处为长江武湖大桥所经之处，应加强工程地质的勘查工作。

图3 襄广断裂影像Fig.3 Image of Xiangfan-Guangji Fault

(1)舵落口断裂(F3)❶1∶5万汉阳县幅、武汉市幅、阳逻镇幅、金口镇幅、武昌县幅、豹子澥幅区域地质调查报告，2010。:具北北东向线性影纹，两侧地貌及影纹图案、色彩等差别明显。断裂南段后官湖具不对称状，断裂东侧湖岸线较平直，而西侧湖汊众多;北段顺断裂有河流分布，汉江经过处发生急转。与物探异常吻合较好(图4)。

图4 舵落口断裂影像Fig.4 Image of Duoluokou Fault

(2)五通口—汤逊湖断裂(F5):图上具北北东向线性特征，中部不在路线区范围内，但可能为一条断裂，沿断裂汤逊湖、东湖的排列及主体展布方向与线性构造走向相同，并造成湖泊两侧不对称地貌现象。中部有山脊线在断层两侧具明显错移现象。

(3)吴家山断裂(F4):呈北西向延伸，两侧地貌及影纹图案、色彩等差别明显，北侧具垄岗状地貌，南侧为湖积区，带状影纹明显。

其它断裂有北北西向、北东向及近东西向的断裂，断裂规模均不大，影像特征表现为线型的影纹及地貌的分区边界。

路线区褶皱主要见于东部地区，以志留—二叠系地层构成的紧密线性褶皱，一般以二叠系构成向斜轴，志留系构成背斜。褶皱转折端为尖棱状，影像特征明显可见(图5)。

图5 褶皱影像Fig.5 Fold image

3.3 地形地貌因素

(1)剥蚀丘陵或孤丘主要分布于测区东南部的武昌地区及汉阳零星地区，由零星出露的志留—二叠系基岩组成，在影像图上呈近东西向的带状或孤丘状分布，正地形，植被发育，相对周边呈深色调，人为活动较少，极易识别(图6)。该区工程地质条件良好，适宜工程建筑。

图6 地貌影像Fig.6 Geomorphic image

(2)剥蚀岗状平原分布广泛，主要由中更新统洪冲积层组成，在影像图上呈花斑状影纹，形成十分密集的羽状或树枝状水系，岗顶部位为浅色调，岗坡平缓，沟谷处呈U型，显深色调，谷底部位多充填有冲沟冲积物。该区工程地质条件次于剥蚀丘陵区，较适宜工程建筑。

(3)冲积平原大片分布于主要河流两侧，地势平坦，色彩均匀，人类活动频繁，因多被开发为耕地而显规则的纹带，部分地区形成建设区或人类活动区。主要工程地质问题为崩岸和堤基管涌，震动激化，可能产生砂土液化，应采取护岸及防渗措施。

(4)湖积平原分布于主要湖泊周边，部分由已萎缩湖泊形成，地势低平，因含水丰富，在影像图上呈深色调，多被开发为种养殖区。地表出露高压缩性淤泥类软土或为薄层的粘性土，天然地基不宜进行道路建设，土体稳定性差，工程地质条件差，易产生不均匀变形，路线通过时，宜进行置换处理或架桥通过。

4 沿线不良地质体对工程区的影响

沿线不良工程地质问题，主要表现在软土类不均匀沉陷、过量抽吸岩溶地下水而造成的岩溶地面塌陷、江岸堤基不稳定等。

(1)软土类不均匀沉陷路线跨跃长江、汉江一级阶地和湖积平原地区，影像图上为翠绿色小花斑状，多沿湖泊周边分布。部分地段具流动塑性淤泥类软土，在动荷负载的作用下，易引起路基变形，常常导致路基不均匀沉陷，造成路堤沉陷开裂甚至失稳破坏。

(2)岩溶地面塌陷路线通过区第四系覆盖层下隐伏一系列走向近东西向，受紧密褶皱控制的碳酸盐岩带，岩溶裂隙发育，赋存较丰富的地下水。覆盖型碳酸盐岩分布区上覆松散层中一般赋存孔隙承压水，与下伏的裂隙岩溶水水力联系密切，两者之间具有明显的互补关系，在自然水位交替变化及人工开采地下水影响下，地下水流潜蚀上覆松散盖层，形成空洞，上部失去支撑能力时，导致产生岩溶地面塌陷。主要分布区在路线区的东部，基岩区周边等地段，像图上为翠绿色，长条形影纹。

(3)江岸堤基不稳定路线跨越长江、汉江，两江四岸堤防皆处于一级阶地上。作为地基的土体，上部为河流冲积相的粘土、亚粘土和亚砂土，厚度15～20 m;下部为砂、砂砾石层。每年汛期，与堤防稳定有关的险情时有发生，如堤基散浸、管涌、岸崩、及溃口等。同时，部分饱和砂性土(粉土、粉砂、细砂)属于受震后可液化土层，为不良地质层。