斷裂帶區(qū)域風(fēng)化層模型構(gòu)建與測繪數(shù)據(jù)分析

摘 要：本文針對斷裂帶區(qū)域風(fēng)化層特性，提出了一種數(shù)字空間模型構(gòu)建與測繪數(shù)據(jù)分析方法。本研究整合高分辨率遙感影像、地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場實測資料，并結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)，構(gòu)建了精細(xì)的三維風(fēng)化層模型。運(yùn)用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，準(zhǔn)確識別不同風(fēng)化程度的區(qū)域，并揭示風(fēng)化過程與斷裂活動性的內(nèi)在聯(lián)系。本研究不僅為斷裂帶區(qū)域的地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、資源勘查規(guī)劃提供了科學(xué)依據(jù)，還推動了數(shù)字地球技術(shù)在地球科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。

關(guān)鍵詞：斷裂帶；風(fēng)化層；數(shù)字空間模型；測繪數(shù)據(jù)分析

中圖分類號：P 23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在地球科學(xué)研究中，斷裂帶區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜并不斷動態(tài)演化，對地質(zhì)災(zāi)害、礦產(chǎn)資源和生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響。風(fēng)化作用是地表演變的關(guān)鍵驅(qū)動力，在斷裂帶尤為復(fù)雜，受地質(zhì)結(jié)構(gòu)、氣候和地形等多重因素影響[1]。因此，精確描述斷裂帶內(nèi)風(fēng)化層的空間分布及其與斷裂活動的關(guān)系至關(guān)重要。傳統(tǒng)方法在處理此類問題過程中面臨數(shù)據(jù)獲取難、分析手段有限等挑戰(zhàn)。隨著GIS、遙感技術(shù)、數(shù)字化測繪和大數(shù)據(jù)分析方法發(fā)展，本文提出了一種“斷裂帶區(qū)域風(fēng)化層數(shù)字空間模型構(gòu)建與測繪數(shù)據(jù)分析”方法。該方法基于先進(jìn)測繪技術(shù)，結(jié)合GIS平臺，整合高分辨率遙感影像、地質(zhì)調(diào)查和實測數(shù)據(jù)，構(gòu)建了精細(xì)的三維風(fēng)化層模型。采用機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)算法，對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，以準(zhǔn)確識別不同風(fēng)化區(qū)域，揭示風(fēng)化與斷裂活動的內(nèi)在聯(lián)系[2]。本研究旨在填補(bǔ)斷裂帶風(fēng)化層精細(xì)建模與綜合分析的空白，推動數(shù)字地球技術(shù)在地球科學(xué)中的應(yīng)用與發(fā)展，為地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、資源勘查規(guī)劃和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。本研究優(yōu)化了數(shù)據(jù)處理流程和模型參數(shù)，可提升模型的實用性和預(yù)測能力，為相關(guān)領(lǐng)域的研究與實踐提供有力支持。

本研究聚焦于深圳市南山區(qū)的后海斷裂帶，該區(qū)域位于深圳市的核心地帶，具有重要的地質(zhì)研究價值。為深入探索后海斷裂帶的構(gòu)造特征及其對區(qū)域穩(wěn)定性的影響，本研究廣泛收集了多種地理數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理與空間建模。

1 研究區(qū)域地理數(shù)據(jù)概況

本研究聚焦深圳市南山區(qū)后海斷裂帶，該區(qū)域地質(zhì)復(fù)雜，對區(qū)域穩(wěn)定影響深遠(yuǎn)。項目廣泛收集多種地理數(shù)據(jù)，包括1∶1000和1∶10000數(shù)字化地形圖、南山地區(qū)高精度數(shù)字高程模型等，為區(qū)域三維空間建模提供堅實基礎(chǔ)。同時，整合了工程勘察數(shù)據(jù)庫、鉆孔柱狀圖、水文資料、工程勘察報告以及風(fēng)化層等值線圖，盡管面臨數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一、格式多樣和部分缺失等挑戰(zhàn)，項目團(tuán)隊進(jìn)行了細(xì)致的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，統(tǒng)一了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與格式，構(gòu)建了綜合地理數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上，本項目采用先進(jìn)的曲線、曲面內(nèi)插技術(shù)，對工程數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，成功構(gòu)建了填土（石）層、淤泥層和不同風(fēng)化等級（強(qiáng)、中和微風(fēng)化）的數(shù)字空間模型（DSM）。這些模型不僅精確反映了后海斷裂帶的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，還揭示了風(fēng)化層與斷裂活動的內(nèi)在聯(lián)系，為后續(xù)地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警、資源勘查和生態(tài)保護(hù)研究提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。

2 數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理

2.1 數(shù)據(jù)收集

數(shù)據(jù)收集是構(gòu)建數(shù)字空間模型的首要步驟，主要包括遙感影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、地質(zhì)圖件和實地調(diào)查數(shù)據(jù)等。1） 遙感影像數(shù)據(jù)。利用衛(wèi)星或無人機(jī)等遙感設(shè)備獲取斷裂帶區(qū)域的遙感影像數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)能夠提供地表覆蓋信息，包括植被、水體和巖石裸露情況等，為風(fēng)化層的識別提供重要依據(jù)。2） 地形數(shù)據(jù)。利用數(shù)字高程模型（DEM）或地形圖等數(shù)據(jù)，獲取斷裂帶區(qū)域的地形信息。地形數(shù)據(jù)能夠反映地表的起伏變化，對分析風(fēng)化層的空間分布和形成機(jī)制具有重要意義。3） 地質(zhì)圖件。收集斷裂帶區(qū)域的地質(zhì)圖件，包括地層、構(gòu)造和巖性等地質(zhì)信息。這些圖件是分析風(fēng)化層形成和分布的基礎(chǔ)資料，對理解地質(zhì)背景和構(gòu)建數(shù)字空間模型至關(guān)重要。4） 實地調(diào)查數(shù)據(jù)。進(jìn)行野外實地調(diào)查，獲取風(fēng)化層的實際分布、類型和程度等信息。實地調(diào)查數(shù)據(jù)是驗證遙感影像解譯結(jié)果和地質(zhì)圖件信息的重要手段，也是完善數(shù)字空間模型的重要依據(jù)。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理是保證數(shù)據(jù)質(zhì)量和提高模型構(gòu)建精度的關(guān)鍵步驟。主要包括數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系的統(tǒng)一、數(shù)據(jù)的清洗和整理等。1） 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。將收集的各種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析。例如，將遙感影像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS軟件可識別的柵格數(shù)據(jù)格式，將地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DEM數(shù)據(jù)格式等。2） 坐標(biāo)系統(tǒng)一。保證所有數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系一致，以便進(jìn)行空間疊加和分析。根據(jù)研究區(qū)域的實際情況，選擇合適的坐標(biāo)系（例如WGS84坐標(biāo)系或地方坐標(biāo)系），并將所有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到該坐標(biāo)系下。3） 數(shù)據(jù)清洗。對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查和清理，去除重復(fù)、錯誤或無效的數(shù)據(jù)，包括檢查遙感影像的云層覆蓋、去除地形數(shù)據(jù)中的異常值等。4） 數(shù)據(jù)整理。將清洗后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、整理和歸檔，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和模型構(gòu)建。例如，將遙感影像數(shù)據(jù)按照不同的波段進(jìn)行分離，將地形數(shù)據(jù)按照不同的高程等級進(jìn)行劃分等。

經(jīng)過上述數(shù)據(jù)收集與預(yù)處理過程，獲得準(zhǔn)確、完整和一致的數(shù)據(jù)集，為后續(xù)的數(shù)字空間模型構(gòu)建和測繪數(shù)據(jù)分析奠定堅實基礎(chǔ)。

3 斷裂帶區(qū)域風(fēng)化層數(shù)字空間模型構(gòu)建

3.1 數(shù)據(jù)內(nèi)插研究

本文采用58個程勘察項目的3817個鉆孔點，但是并非均勻分布在研究區(qū)域（約9km2），也不是每個鉆孔都采樣到微風(fēng)化層，為使建立的各風(fēng)化層模型更合理、光滑，需要對部分沒有鉆孔的區(qū)域進(jìn)行數(shù)學(xué)內(nèi)插加密鉆孔點。TIN高冪次內(nèi)插在構(gòu)建風(fēng)化層數(shù)字空間模型中表現(xiàn)優(yōu)異，應(yīng)主要?dú)w因于其顯著優(yōu)勢。1） 細(xì)節(jié)捕捉能力較強(qiáng)。高冪次內(nèi)插能精細(xì)刻畫地形微變，提升模型精確度。2） 失真降低，能使DEM更貼近實際地形，準(zhǔn)確反映表起伏。3） 表面更趨平滑，可減少數(shù)據(jù)稀疏或噪聲引起的突變，增強(qiáng)視覺自然度。4） 能有效抑制噪聲，提高模型穩(wěn)定性和可靠性。5） 擅長處理復(fù)雜地貌，尤其在山區(qū)、丘陵地帶，能精準(zhǔn)模擬山脊、山谷等地形，增強(qiáng)真實感。6） 模型適應(yīng)性增強(qiáng)，調(diào)整冪次可靈活應(yīng)對不同地形，優(yōu)化模型表現(xiàn)。綜上所述，TIN高冪次內(nèi)插方法因其高精度、平滑度和復(fù)雜地形處理能力而成為構(gòu)建風(fēng)化層DSM的理想選擇。

3.2 數(shù)字空間模型構(gòu)建

在構(gòu)建數(shù)字空間模型前，需要對收集的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和標(biāo)準(zhǔn)化處理，包括數(shù)據(jù)的清洗（去除異常值、填補(bǔ)缺失值等）、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換（統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系下）以及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化（如歸一化處理），以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。建立數(shù)字空間模型一般遵循以下3個步驟。

第一，將離散點（等高線上的頂點也作為離散點處理）建立不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），采用線性或高冪次內(nèi)插標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)點Z值，5次內(nèi)插方程式如公式（1）所示。

（1）

式中：cki為趨勢面系數(shù)；k為一個重要系數(shù)；i為積分上限；x、y為空間中具體的坐標(biāo)點。

高冪次多項式內(nèi)插（以二元五次內(nèi)插為例）的數(shù)學(xué)公式如公式（1）所示，它類似于線性內(nèi)插，認(rèn)為表面模型是連續(xù)和光滑的（其二階導(dǎo)數(shù)不為0）。從數(shù)學(xué)上說，由于5次多項式在內(nèi)插過程中考慮相鄰三角形的幾何特性，因此垂直于每一個三角形的法線是連續(xù)變化的，相鄰三角形邊線上的法線無斷裂，內(nèi)插的表面是光滑的。

第二，在TIN基礎(chǔ)上采用不同的內(nèi)插方法，按照標(biāo)準(zhǔn)間隔內(nèi)插建立標(biāo)準(zhǔn)格網(wǎng)（Lattice），即每個格網(wǎng)的中心點具有X、Y和Z值，在實際儲存中只儲存模型的左下角X/Y坐標(biāo)、行數(shù)、列數(shù)、格網(wǎng)間距以及按照規(guī)則排列的Z值，使用者根據(jù)待求點X、Y坐標(biāo)，按照規(guī)則就可以讀取該點的Z值。

第三，將Lattice按一定標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成DEM數(shù)據(jù)文件（USGS的*.dem格式和ASCII文件）或圖像文件，供使用者應(yīng)用，建立數(shù)字空間模型（DSM）的方法和流程如圖1所示。

本文在研究的斷裂帶區(qū)域中收集了地質(zhì)勘探數(shù)據(jù)、遙感影像以及實驗室測試數(shù)據(jù)等。經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理和標(biāo)準(zhǔn)化處理后，應(yīng)用這一理論和方法，采集地面高程數(shù)據(jù)（高程點和等高線），建立了南山地區(qū)數(shù)字高程模型（DEM），如圖2所示。

4 測繪數(shù)據(jù)分析

后海深厚風(fēng)化槽地理信息系統(tǒng)（GIS）的主要功能是將本項目的研究成果按照GIS的理論和方法，在GIS系統(tǒng)下展現(xiàn)和分析南山地區(qū)地質(zhì)地理數(shù)據(jù)、既往地質(zhì)勘察成果和深厚風(fēng)化槽不同風(fēng)化層數(shù)據(jù)。本項目根據(jù)多種類型探測點探測的地層分層數(shù)據(jù)（本項目主要區(qū)分強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層和微風(fēng)化層），分別建立了后海地區(qū)強(qiáng)風(fēng)化層、中風(fēng)化層和微風(fēng)化層3個地層的數(shù)字高程模型（DEM），并研究各風(fēng)化層頂部的DEM特征，包括其走向、深度，已基本判斷出后海地區(qū)深厚風(fēng)化槽的深度和范圍：風(fēng)化層最深處位于濱海大道-科苑南路交叉口西南側(cè)的紅土創(chuàng)新廣場與大成基金總部大廈附近（坐標(biāo)：X=17071，Y=103080），其微風(fēng)化層頂部高程為-155.4m，強(qiáng)風(fēng)化層至中風(fēng)化層厚度通常為60m左右，中風(fēng)化層至微風(fēng)化層厚度通常為30m左右。在該范圍和周邊地區(qū)，深厚風(fēng)化槽呈北-南方向連續(xù)漏斗狀。分析風(fēng)化層分層數(shù)據(jù)可知，后海斷裂帶基本呈北-南走向，長度約3.5km，最大寬度700m以上（位于紅土創(chuàng)新廣場附近）。南山地區(qū)地面模型、微風(fēng)化層頂部模型與鉆孔深度間的分析如下：在ArcScene上，根據(jù)南山地區(qū)地面模型、微風(fēng)化層頂部模型與鉆孔深度等數(shù)據(jù)可以直觀地分析三者間的關(guān)系，如圖3所示。

由系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析共獲取2018年02月—2020年12月覆蓋監(jiān)測區(qū)的52期重復(fù)軌道COSMO-SkyMedSAR影像，利用PS-InSAR技術(shù)提取533000余個特征點地表形變數(shù)據(jù)。分析監(jiān)測區(qū)整體形變時空特征，統(tǒng)計監(jiān)測區(qū)范圍內(nèi)的148151個PS點形變速率、累積形變量，以掌握整體形變的分布情況。

5 不確定性分析與誤差評估

在斷裂帶區(qū)域風(fēng)化層數(shù)字空間模型構(gòu)建與測繪數(shù)據(jù)分析中，不確定性和誤差的存在是不可避免的[3-4]。這些不確定性主要源于數(shù)據(jù)采集的精度、模型構(gòu)建的假設(shè)條件以及分析方法的局限性。首先，在數(shù)據(jù)采集過程中，由于儀器精度、人為操作誤差以及環(huán)境因素（例如天氣、地形等）的影響，所獲取的數(shù)據(jù)本身就存在一定的不確定性。這種不確定性會在后續(xù)模型構(gòu)建和數(shù)據(jù)分析中進(jìn)一步放大。其次，在模型構(gòu)建過程中，為了簡化問題，通常需要對實際情況進(jìn)行假設(shè)和近似。這些假設(shè)和近似的合理性直接影響模型的準(zhǔn)確性。如果假設(shè)條件與實際情況相差較大，那么模型的不確定性也會相應(yīng)增加[5]。最后，在數(shù)據(jù)分析過程中，不同的分析方法對數(shù)據(jù)的敏感度和處理效果也不同。一些分析方法可能無法充分反映數(shù)據(jù)的內(nèi)在規(guī)律和特征，從而導(dǎo)致分析結(jié)果出現(xiàn)誤差。

6 結(jié)論

本文深入研究了斷裂帶區(qū)域風(fēng)化層數(shù)字空間模型的構(gòu)建與測繪數(shù)據(jù)，成功建立了高精度的可靠空間模型，并對該區(qū)域的風(fēng)化層特征進(jìn)行了全面分析。研究結(jié)果表明，數(shù)字空間模型能夠有效揭示風(fēng)化層的空間分布規(guī)律和變化趨勢，為地質(zhì)災(zāi)害防治、工程建設(shè)和地質(zhì)環(huán)境評估提供了科學(xué)依據(jù)。同時，對測繪數(shù)據(jù)的深入分析進(jìn)一步增強(qiáng)了模型的可靠性和實用性。盡管在模型構(gòu)建和數(shù)據(jù)分析過程中存在不確定性和誤差，但是本文采取了一系列措施，已經(jīng)將其影響降至最低。未來研究將繼續(xù)優(yōu)化模型構(gòu)建方法，提高數(shù)據(jù)分析精度，為地質(zhì)研究和應(yīng)用貢獻(xiàn)更多力量。

參考文獻(xiàn)

[1]許珂.基于BIM與GIS技術(shù)的建筑體及其周邊環(huán)境的三維模型建立[J].信息記錄材料，2020（3）：122-124.

[2]白畯文，李念容，鄭永新.城市級三維GIS場景快速構(gòu)建及應(yīng)用實踐[J].國土資源信息化，2021（2）：54-59.

[3]程曉莉.GIS建庫技術(shù)在礦山測繪工程中的應(yīng)用[J].中國金屬通報，2022（11）：246-248.

[4]李國慶.探析無人機(jī)遙感技術(shù)在測繪工程測量中的應(yīng)用[J].電子質(zhì)量，2022（6）：99-101，124.

[5]占華旺，蔡國富，張志偉.南海北緣古近紀(jì)斷裂活動規(guī)律及控盆特征：以陽江東凹為例[J].大地構(gòu)造與成礦學(xué)，2021（1）：20-39.