李霞，于德浩，陳偉濤，楊清雷，徐興宇，胡畔，王李

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）計算機學院，武漢430074；2.沈陽第二工程科研設計所，沈陽110162）

基于坡度特征的花崗巖風化程度劃分方法研究

李霞1，2，于德浩2，陳偉濤1，楊清雷2，徐興宇2，胡畔2，王李2

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）計算機學院，武漢430074；2.沈陽第二工程科研設計所，沈陽110162）

針對目前遙感技術手段難以快速劃分巖石風化程度的問題，以花崗巖為研究對象，通過分析風化程度與坡度的耦合關系，提出了一種基于坡度特征的花崗巖風化程度劃分方法。該方法首先利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)解譯區(qū)域地層巖性，通過立體像提取區(qū)域坡度信息；然后對坡度分級并統(tǒng)計花崗巖地質(zhì)體內(nèi)各級坡度的面積百分比；最后根據(jù)坡度分級特征曲線判斷花崗巖風化程度。野外驗證表明，該方法可以準確劃分花崗巖風化程度，可為工程設計和施工作業(yè)提供參考。

花崗巖；風化程度；坡度特征；遙感技術

0 引言

風化是影響巖石工程性質(zhì)的重要因素之一，準確劃分巖石風化程度是為工程設計提供安全設計參數(shù)的重要內(nèi)容［1－5］。劃分巖石風化程度并研究巖石的工程特性，是選擇大型水電工程、高層建筑、道路橋梁等工程建基面及確定地基基礎設計施工方案的關鍵，對評價圍巖的穩(wěn)定性具有重要意義［6－7］。目前，因巖石風化導致礦物組成、結(jié)構構造變化造成的地質(zhì)及工程災害越來越多［8－13］，建筑基礎及邊坡的穩(wěn)定均與巖石風化程度有關［14－15］。

目前，巖石風化研究方法主要有野外調(diào)查、物探、鉆探［16－27］、巖石光譜特征研究［28－31］及遙感影像目視判讀［32］等。然而，利用野外調(diào)查及物探、鉆探等地面方法劃分巖石風化程度，雖然準確度較高，但需投入巨大的人力、物力及財力，工作效率較低，難以滿足在海量數(shù)據(jù)背景下快速對巖石風化程度劃分的需求，尤其在地質(zhì)條件復雜區(qū)域，很難利用該方法研究巖石的風化程度。利用巖石光譜特征研究風化程度存在的主要問題是，植被覆蓋度較大而巖石露頭少的地區(qū)，難以準確反映巖石的光譜特征；對于同物異譜、同譜異物劃分巖石風化程度，其精度明顯下降，甚至出現(xiàn)錯誤；利用光譜特征可研究部分巖石是否風化，但劃分巖石風化程度較困難。利用遙感目視判讀巖石風化程度，時間消耗較多，且此方法主要根據(jù)影像特征解譯巖石風化，也難以劃分巖石風化程度。

針對現(xiàn)有巖石風化程度劃分方法存在的問題，本文以花崗巖為研究對象，通過分析巖石風化程度與坡度的耦合關系，提出了基于坡度特征的花崗巖風化程度劃分方法。該方法不僅彌補了野外調(diào)查及物探、鉆探等地面方法工作效率低的問題，且不受地形及植被覆蓋等限制，與遙感影像目視判讀巖石風化方法相比，其劃分精度也較高。

1 技術方法及數(shù)據(jù)源

1.1 技術方法

對研究區(qū)各級風化程度的花崗巖進行坡度統(tǒng)計，分析花崗巖與坡度分級的關系，建立花崗巖風化程度特征曲線，提出花崗巖風化程度遙感快速劃分方法。

1.2 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)源

研究區(qū)位于吉林省集安市，面積約2 000 km2，地理位置如圖1所示。研究區(qū)數(shù)據(jù)源采用SPOT 5遙感影像以及10 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)，對SPOT 5遙感影像進行了幾何校正和圖像增強等預處理。

圖1 研究區(qū)地理位置示意Fig.1 Location of the study area

2 風化程度與坡度的關系

花崗巖巖石風化程度參照《工程巖體分級標準》（GB／T 50218—2014），分為未風化、微風化、弱風化、強風化和全風化5級。

2.1 花崗巖地質(zhì)單元

利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，通過人機交互式解譯方法，解譯研究區(qū)花崗巖地質(zhì)單元，繪制地質(zhì)界線。解譯成果如圖2所示。

2.2 坡度分級

巖石經(jīng)凍融、風蝕、日曬等作用后，由于受重力、沖刷等外動力搬運作用，形成穩(wěn)定的地貌，一般坡度平緩地區(qū)比坡度陡峭地區(qū)巖石風化程度高。利用10 m分辨率的DEM數(shù)據(jù)在ArcGIS平臺進行填洼處理，提取坡度信息，結(jié)合《GB／T 15772—2008水土保持綜合治理規(guī)劃通則》將坡度劃分為［0°，5°）、［5°，15°）、［15°，25°）、［25°，35°）和［35°，90°］5個等級。研究區(qū)花崗巖坡度分級如圖3所示。

圖2 研究區(qū)花崗巖巖性分布Fig.2 Lithology distribution of granites in the study area

圖3 花崗巖區(qū)坡度分級Fig.3 Slope grade of granites in the study area

2.3 坡度與花崗巖風化程度關系

野外極少見未風化的花崗巖。已知研究區(qū)花崗巖風化程度如圖4所示。

圖4 研究區(qū)花崗巖風化程度Fig.4 W eathering degree of granites in the study area

統(tǒng)計研究區(qū)356個花崗巖單元內(nèi)各級坡度面積占本單元總面積的百分比，繪制各級風化程度坡度分級曲線。在各級風化程度坡度分級特征曲線中，隨機選取10條曲線展示（圖5）。

一般情況下，巖石粒徑越大、含抗風化礦物越少、地質(zhì)年代越老，巖石越易風化，但是通過衛(wèi)星遙感技術手段很難獲取巖石粒徑、礦物含量、地質(zhì)年代等信息。由圖5可知，雖然花崗巖粒徑、礦物含量、地質(zhì)年代等不同，但風化程度相同的坡度分級特征曲線基本一致，且不同風化程度下，坡度分級特征曲線的差異較大。因此，利用衛(wèi)星遙感信息解譯花崗巖地質(zhì)界限，再利用地質(zhì)單元內(nèi)各級坡度面積百分比，可劃分花崗巖風化程度。目前，利用衛(wèi)星遙感解譯花崗巖并提取坡度信息技術已比較成熟，其解譯及提取精度也較高。在解譯出地質(zhì)單元體的基礎上分析其各級坡度面積百分比，進而劃分巖石風化程度的方法具有可操作性。

圖5 花崗巖各級風化程度坡度分級特征曲線Fig.5 Characteristic curves of slope grade for different granite weathering degrees

3 花崗巖風化程度遙感快速劃分方法

計算上述各級坡度面積百分比平均值（表1），根據(jù)表1繪制花崗巖風化程度坡度分級特征曲線（圖6）。

圖中fi＝｛ai，bi，ci，di，ei｝為第i類風化程度中各級坡度面積百分比，其中a、b、c、d、e分別為［0°，5°）、［5°，15°）、［15°，25°）、［25°，35°）、［35°，90°］坡度面積百分比，角標1、2、3、4分別代表全風化、強風化、弱風化、微風化。

表1 研究區(qū)巖石風化程度坡度分級面積百分比均值Tab.1 Area percentage of slope grade for different rock weathering degrees in the study area

圖6 坡度分級特征曲線Fig.6 Characteristic curves of slope grade

由圖6可知，不同風化程度的坡度特征曲線各不相同。全風化坡度面積百分比特征為b1＞c1，且a1＞c1，其他風化坡度面積百分比無此特征；強風化坡度面積百分比特征為b2＞d2，且a2＜c2，其他風化坡度面積百分比無此特征；弱風化坡度面積百分比特征為c3＞d3，且b3＜d3，其他風化坡度面積百分比無此特征；微風化坡度面積百分比特征為c4＜d4，其他風化坡度面積百分比無此特征。

綜上，得到花崗巖風化程度遙感快速劃分方法。

設某一地質(zhì)單元內(nèi)，［0°，5°）、［5°，15°）、［15°，25°）、［25°，35°）、［35°，90°］坡度面積百分比分別為ax，bx，cx，dx，ex。

若滿足bx＞cx，且ax＞cx，則推斷該地質(zhì)單元風化程度為全風化；

若滿足bx＞dx，且ax＜cx，則推斷該地質(zhì)單元風化程度為強風化；

若滿足cx＞dx，且bx＜dx，則推斷該地質(zhì)單元風化程度為弱風化；

若滿足cx＜dx，則推斷該地質(zhì)單元風化程度為微風化。

4 推廣試用及精度評價

選取鴨綠江部分地區(qū)為推廣試用區(qū)，地理位置如圖7所示。該區(qū)花崗巖巖性分布及坡度分級情況分別如圖8、圖9所示。

圖7 推廣試用區(qū)地理位置示意Fig.7 Location of test region

圖8 試用區(qū)花崗巖巖性分布Fig.8 Lithology distribution of granites in the test region

圖9 試用區(qū)花崗巖坡度分級Fig.9 Slope grade of granites in the test region

利用花崗巖風化程度遙感快速劃分方法劃分推廣試用區(qū)的花崗巖風化程度如圖10所示。在試用區(qū)各類花崗巖風化程度中分別隨機選取60個點進行野外驗證，驗證點分布情況如圖11，部分野外驗證點照片如圖12。利用花崗巖風化程度遙感快速劃分方法劃分巖石風化程度的精度如表2。

圖10 試用區(qū)花崗巖風化程度Fig.10 W eathering degree of granites in the test region

圖11 野外驗證點分布Fig.11 Distribution of field verification points in the test region

圖12 野外驗證點Fig.12 Photos of the field verification points

表2 基于坡度特征的花崗巖風化程度劃分方法精度評價Tab.2 Accuracy evaluation of themethod for the classification of granite weathering degree based on slope characteristics

由表2可知，花崗巖全風化的劃分精度最高，弱風化的劃分精度最低，總體精度為74.17%。導致總體精度偏低的主要原因有以下2方面。

（1）在圈定地質(zhì)界限和提取坡度過程中，存在一定的人為誤差和系統(tǒng)誤差，是導致花崗巖風化程度劃分精度偏低的主要原因。

（2）同一地質(zhì)單元體被地表水系或第四系分割成2個或多個地質(zhì)單元，利用該方法在被分割后的2個或多個單元體內(nèi)進行計算，導致錯分現(xiàn)象。

5 結(jié)論

利用衛(wèi)星遙感技術圈定地質(zhì)界限，統(tǒng)計地質(zhì)單元體內(nèi)各級坡度的面積百分比，繪制坡度分級特征曲線，得到坡度分級與花崗巖風化程度之間的關系，提出了花崗巖風化程度遙感快速劃分方法。經(jīng)推廣試用和野外驗證，全風化花崗巖的劃分精度較高，準確率達81.67%，弱風化花崗巖的劃分精度較低，準確率為68.33%，總體精度為74.17%，基本達到預期效果。目前該方法處于試用階段，一些技術難題尚未解決，其技術方法和精度有待進一步提高。

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Classification of granite weathering degree based on slope characteristics

LIXia1，2，YU Dehao2，CHENWeitao1，YANG Qinglei2，XU Xingyu2，HU Pan2，WANG Li2
（1.School of Computer，China University of Geosciences（Wuhan），Wuhan 430074，China；2.The Second Engineering Research Institute，Shenyang 110162，China）

For solving the problem of quick dividing rock weathering degree by present remote sensing technology，amethod for the classification of granite weathering degree based on slope characteristicswas proposed by analyzing the coupling relationship between the granite weathering degree and the slope.Firstly，regional stratum lithology was interpreted by remote sensing data，and regional slope information was extracted by stereoscopic images.Secondly，the slope was divided into five grades，and the area percentages of different slopes in granite area was counted.Lastly，according to the characteristic curves of slope grade，the graniteweathering degree could be classified.According to field verification，thismethod can correctly classify the graniteweathering degree，which provides reference for engineering design and construction work.

granite；weathering degree；slope characteristics；remote sensing

P512.1；P588.12；TP79

A

2095－8706（2017）03－0010－07

（責任編輯：常艷）

10.19388／j.zgdzdc.2017.03.02

李霞，于德浩，陳偉濤，等.基于坡度特征的花崗巖風化程度劃分方法研究［J］.中國地質(zhì)調(diào)查，2017，4（3）：10－16.

2017－03－10；

2017－04－29。

中國地質(zhì)調(diào)查局“全國邊海防地區(qū)基礎地質(zhì)遙感調(diào)查（編號：DD20160076）”、國土資源部航空地球物理與遙感地質(zhì)重點實驗室“航遙青年創(chuàng)新基金（編號：2016YFL14、2013YFL12）”和國家“863”計劃項目“缺水地區(qū)地下水勘查與污染控制技術（編號：2012AA062601）”項目聯(lián)合資助。

李霞（1987—），女，工程師，主要從事工程地質(zhì)和遙感地質(zhì)研究。Email：frlixia＠163.com。

于德浩（1981—），男，博士后，主要從事工程地質(zhì)和遙感地質(zhì)研究。Email：gsrs＿fish＠163.com。