文 | 劉雪萍 董穎 朱雪征 董曉晨 陳梓慧

1.北京大學(xué)城市與環(huán)境學(xué)院 2.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院 3.華北科技學(xué)院

一、前言

地質(zhì)遺跡是指在地球演化過(guò)程中，由內(nèi)、外地質(zhì)營(yíng)力作用形成的各類(lèi)地質(zhì)地貌現(xiàn)象。地球表面的不同規(guī)模和各種特征的地貌形態(tài)，是地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和巖漿活動(dòng)等地球內(nèi)營(yíng)力作用和流水、波浪、冰川和氣候等地球外營(yíng)力作用的結(jié)果，地表的巖石、土壤、河流和地貌（包括完整的和殘留的）包含著地球發(fā)展的證據(jù)，使地球的歷史不斷被認(rèn)識(shí)。地質(zhì)遺跡具有突出的普遍科學(xué)價(jià)值，是人類(lèi)認(rèn)識(shí)地質(zhì)現(xiàn)象、推測(cè)地質(zhì)環(huán)境和演變條件的重要自然遺產(chǎn)。地質(zhì)遺跡的類(lèi)型主要包括：巖土體地貌、巖石地貌、主要化石產(chǎn)地、水體地貌、火山地貌等。然而由于自然原因和人類(lèi)活動(dòng)的影響，地質(zhì)遺跡存在被破壞和消失的威脅，地質(zhì)遺跡的保護(hù)成為國(guó)內(nèi)外地學(xué)和自然保護(hù)領(lǐng)域關(guān)注的問(wèn)題，而地質(zhì)遺跡調(diào)查是地質(zhì)遺跡保護(hù)的首要內(nèi)容。

河流地貌類(lèi)地質(zhì)遺跡是地質(zhì)遺跡的重要類(lèi)型。根據(jù)地質(zhì)遺跡與河流地貌的定義，河流地貌類(lèi)地質(zhì)遺跡是指由河流作用形成的地貌景觀。在世界自然保護(hù)聯(lián)盟（IUCN）制定的《地質(zhì)遺跡全球框架》中，將河流地質(zhì)遺跡劃分為一個(gè)專(zhuān)門(mén)類(lèi)別；還有些學(xué)者將河流地質(zhì)遺跡劃分到水文分類(lèi)中；在中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局編制的《重要地質(zhì)遺跡調(diào)查技術(shù)要求（暫行）》中屬于地貌景觀類(lèi)的水體地質(zhì)遺跡。黃河是我國(guó)第二條大河，是中華民族的母親河。黃河流域地形復(fù)雜，在地貌上從西到東跨越我國(guó)地貌的三大階梯，包括青藏高原東北部、黃土高原、太行山區(qū)和華北平原等地貌單元。黃河中下游是黃河流域中人口分布最集中的區(qū)域，與黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的重大國(guó)家戰(zhàn)略密切相關(guān)。調(diào)查和研究黃河中下游地質(zhì)遺跡為系統(tǒng)保護(hù)黃河資源，推動(dòng)黃河自然遺產(chǎn)保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

遙感具有覆蓋范圍廣、獲取信息速度快，周期短、可重復(fù)性強(qiáng)，限制條件少、手段多，信息量大的特點(diǎn)，在河流地貌地質(zhì)遺跡調(diào)查中具有獨(dú)特的作用。

二、 河流地貌地質(zhì)遺跡遙感調(diào)查方法

地質(zhì)遺跡調(diào)查主要的技術(shù)方法包括遙感圖像預(yù)處理技術(shù)、一般的遙感圖像處理技術(shù)，也包括針對(duì)地質(zhì)遺跡的特征分析解譯的技術(shù)，主要表述如下。

1.光譜特性分析

河流地貌物質(zhì)組成的不同，形成了遙感圖像的不同地物光譜特性。這一特征是進(jìn)行河流地貌解譯的基礎(chǔ)，主要河流地貌類(lèi)型的光譜響應(yīng)曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 河流地貌類(lèi)型的光譜特性

從圖中可以看出，河床、牛軛湖對(duì)光的吸收能力強(qiáng)，反射率低，這是由于該類(lèi)型區(qū)域是由水體構(gòu)成，水體是遙感圖像中最醒目的圖斑；但黃河中下游含泥沙量大，較一般的河流反射率大，在遙感圖像上反而多呈淺色調(diào)（夏秋季含泥沙量較大多為黃褐色，冬春季含泥沙量較少為藍(lán)綠色）。河漫灘具有泥沙和礫石的二元結(jié)構(gòu)，在反射特征上呈現(xiàn)較高的反射率，有些河漫灘含水量較大，生長(zhǎng)灌草，表現(xiàn)為植被的光譜特征；階地的光譜特征比較復(fù)雜，由階地覆蓋的物質(zhì)決定，覆蓋物有黃土、礫巖、灌木、灌草，因此單從階地的光譜特征判斷地貌類(lèi)型還不能完全確定，需要結(jié)合土地覆蓋類(lèi)型和地質(zhì)環(huán)境來(lái)確定。圖2為黃河中游（陜北）曲流河及不同季節(jié)的河流水體圖像。

圖2 黃河中游（陜北）曲流河及不同季節(jié)的河流水體圖像（上部冬春季圖像，水體變窄，河漫灘及河心洲出露較多，水體呈藍(lán)綠色；下部夏秋季圖像，水體變寬，河漫灘及河心洲出露少，水體含沙量高，呈淺褐色）

2.水域及河流形態(tài)特征識(shí)別

水體指數(shù)是快速準(zhǔn)確提取水域的方法，有歸一化差值水體指數(shù)（NDWI）、修正歸一化差值水體指數(shù)（MNDWI）、增強(qiáng)型水體指數(shù)（EWI）?？梢岳盟w指數(shù)快速提取水體，由于指數(shù)型方法快速簡(jiǎn)便，得到了廣泛應(yīng)用。

流域內(nèi)水體象元的識(shí)別能夠獲取河流平面輪廓，如線(xiàn)狀、帶狀、格狀、放射狀，形成對(duì)河型類(lèi)型特征的認(rèn)識(shí)。

3.圖像融合

圖像的地面分辨率反映出地物尺度的識(shí)別能力。中分辨率遙感數(shù)據(jù)的分辨率為100～20m，而高分辨率遙感圖像的分辨率達(dá)到5～0.6m。由于各種遙感傳感器的設(shè)計(jì)應(yīng)用于不同的目的，其波段的選擇、傳感器的設(shè)計(jì)也有各自的特點(diǎn)，即使是相同的觀測(cè)系統(tǒng)，其各波段影像的空間分辨率也有所差別，如高分二號(hào)圖像，多光譜的分辨率為4m，全色波段的分辨率為1m。經(jīng)過(guò)圖像融合算法，彩色圖像地面分辨率達(dá)到1m，提高了識(shí)別河流微地貌的能力。

4. 多時(shí)相遙感影像動(dòng)態(tài)分析

利用遙感圖像多時(shí)相的特點(diǎn)，對(duì)同一地質(zhì)遺跡不同時(shí)段的遙感影像進(jìn)行對(duì)比，可以分析出地質(zhì)遺跡演化的過(guò)程，氣候、溫度、地質(zhì)、流水等營(yíng)力作用對(duì)地貌的影響都在不同時(shí)相的遙感影像對(duì)比中有所發(fā)現(xiàn)和驗(yàn)證，并對(duì)未知的地質(zhì)遺跡的演化發(fā)展予以預(yù)測(cè)和發(fā)現(xiàn)。

5.波段比值

比值運(yùn)算可以呈現(xiàn)地貌的隱伏構(gòu)造，通過(guò)不同波段比值，突出波段間地物光譜的差異，對(duì)土壤富水性差異、微地貌變化，起到了圖像增強(qiáng)的效果。比如古河道的解譯，可以通過(guò)波段比值加以顯示。

6.3D GIS遙感技術(shù)

解譯地表高程起伏較大的地質(zhì)遺跡如階地、瀑布、跌水時(shí)，增加數(shù)字高程模型（DEM）是有效的方法。利用3D GIS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)三維可視化、3D虛擬現(xiàn)實(shí)分析，立體顯示地質(zhì)遺跡的地貌形態(tài)，提高解譯的準(zhǔn)確度和可視性。利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)建立的河流流域的DEM，建立沿河流流向的縱剖面和垂直河流流向的橫剖面圖。從河流縱剖面上，可以看到由于巖性不同產(chǎn)生的抵抗河流侵蝕能力差異產(chǎn)生的巖檻、跌水和瀑布等地質(zhì)遺跡；河流橫剖面圖可以識(shí)別河漫灘、江心洲、階地等地質(zhì)遺跡（圖3）。

圖3 河流橫剖面圖

三、調(diào)查成果與分析

黃河中游起點(diǎn)在內(nèi)蒙古托克托縣河口鎮(zhèn)，中游分界點(diǎn)在鄭州桃花峪，桃花峪之下為下游，孟津以下為黃河三角洲。

黃河中游的大部分地區(qū)位于黃土高原，地勢(shì)在100～2000m，主要由黃土高原、秦嶺及太行山等構(gòu)成。河口至禹門(mén)口一段流經(jīng)晉陜峽谷，受到下切和側(cè)蝕的作用，發(fā)育了典型的曲流；禹門(mén)口至三門(mén)峽區(qū)間，黃河河谷擴(kuò)展，水流緩慢，汾河、洛河、涇河、伊洛河等支流在此匯聚，河段在汾渭平原迂回?cái)[動(dòng)，形成了自由曲流。

黃河下游河道位于華北斷塊沉降區(qū)，通過(guò)開(kāi)封凹陷、東明斷陷及魯西隆起等地質(zhì)構(gòu)造單元，在自然營(yíng)力和人類(lèi)活動(dòng)雙重機(jī)制作用下，黃河下游河道已發(fā)展演變?yōu)榕e世聞名的地上懸河，是由典型的游蕩性河床向彎曲型河床過(guò)渡的河道。

黃河三角洲地勢(shì)西南高東北低，與黃河入海的方向相一致。由于黃河尾閭擺動(dòng)的影響，這里的地面形成許多溝壑交錯(cuò)的廢棄河道及防水堤壩，雖經(jīng)多年風(fēng)雨剝蝕、人為填補(bǔ)，至今仍見(jiàn)崗、坡、洼相間分布的地形，以及波浪漣漪狀的地貌。黃河帶來(lái)的大量泥沙，使三角洲平均每年以2～3km的速度向渤海推進(jìn)，形成大片的新增陸地。

本文選擇了5個(gè)地點(diǎn)作為地質(zhì)遺跡遙感調(diào)查的研究區(qū)，研究區(qū)內(nèi)典型地質(zhì)遺跡見(jiàn)表1。

表1 調(diào)查區(qū)典型地質(zhì)遺跡列表

1.山地曲流地質(zhì)遺跡

山地曲流地質(zhì)遺跡主要解譯河流的平面形態(tài)，從河流蜿蜒度判斷河流的彎曲度。河流蜿蜒度是指河床中心線(xiàn)長(zhǎng)度與河床兩端之間直線(xiàn)距離之比。

晉陜峽谷段的黃河是典型的山地曲流（圖4）。在陜西延川縣附近，黃河呈現(xiàn)有7個(gè)大彎，永和關(guān)彎、乾坤彎、盤(pán)龍彎、仙人彎等，此段蛇曲彎多且彎曲程度高，彎曲度最高達(dá)到320°，乾坤彎處連續(xù)彎曲形成“S”形大彎，經(jīng)計(jì)算此段河流蜿蜒度為2.63，這個(gè)數(shù)值在晉陜峽谷多個(gè)河曲中最高，其彎曲程度表明了河流的流水作用不斷側(cè)蝕的河流發(fā)展變化過(guò)程；在一個(gè)區(qū)域內(nèi)有連續(xù)的多個(gè)彎曲在深切曲流中較為稀有，具有典型性。山地曲流的形成更多是受到地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地殼抬升，曲流深切到基巖中而形成的。在地質(zhì)構(gòu)造和流水作用的共同影響下，形成了奇特的深切河流形態(tài)的地貌景觀。在山地曲流巖壁發(fā)育凹槽、曲流中心灘、邊灘，是曲流地質(zhì)遺跡的不同地貌景觀。

圖4 晉陜峽谷的黃河曲流

2.階地地質(zhì)遺跡

河流下切侵蝕使原先的河谷底部（河漫灘或河床）超出一般洪水位以上，呈階梯狀分布在河谷谷坡上，這種地形為河流階地。河流階地是第四紀(jì)地質(zhì)時(shí)期的河流遺跡，黃河多個(gè)區(qū)域有明顯的階地。階地沿河呈條帶分布在河谷兩側(cè)，與河床縱向平行，多次地殼運(yùn)動(dòng)、氣候變化等原因引起的河床下切或堆積變化，形成了多級(jí)階地。從圖5 的遙感圖像上可以看出，階地條帶的寬窄特征有所不同，階地一般階面平坦，覆蓋物多為第四紀(jì)土壤，下層為河漫灘堆積的礫石層，最下層為基巖。一般來(lái)說(shuō)，河谷中高程最高的時(shí)代最老的階地，位于谷坡之上，形態(tài)不完整；靠河近的階地是年輕的階地，色調(diào)較淺，有一定的連續(xù)性。

圖5 黃河中游（陜北-山西）白家峁、-神山村段河流階地衛(wèi)星遙感影像圖

3.剖面形態(tài)地質(zhì)遺跡

剖面形態(tài)地質(zhì)遺跡指從河流縱剖面或橫剖面上觀察地質(zhì)遺跡的方法，包括瀑布、跌水、巖檻與壺穴。這類(lèi)地質(zhì)遺跡在河床之中，由地勢(shì)變化引起。地貌特征為地表起伏較大、分布規(guī)模較小，需要高分辨率的遙感影像和DEM數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行綜合解譯。

瀑布是斷層差異形成的河流從高處泄落的地貌景觀。河流在發(fā)育過(guò)程中發(fā)生斷層，河床的局部高差發(fā)生變化，河水垂直或近似垂直傾瀉形成瀑布。

壺口一帶出露的基巖主要是三疊系中部的紙坊組、銅川組地層，其巖性主要為砂巖、泥巖、頁(yè)巖互層。砂巖較為堅(jiān)硬，頁(yè)巖松軟破碎，易遭流水侵蝕，在險(xiǎn)峻的峽谷中，奔騰的激流在垂直下切時(shí)遇到軟硬相間巖石交替沉積的地質(zhì)條件，其堅(jiān)硬巖石易形成巖坎，也是斷崖裂點(diǎn)，較軟的巖層則因激流侵蝕而深凹。

巨大河流落差使河水形成了高速?lài)娚涞钠扑轱w沫，飛沫的反射率比河水高，改變了水體光譜的吸收特性，在遙感圖像上瀑布的區(qū)域顯示為白色的高反射圖斑，與瀑布周邊的河水形成了明顯差異，瀑布的這一光譜特征是進(jìn)行瀑布解譯的重要特征（圖6）。

圖6 壺口瀑布衛(wèi)星遙感影像

因受瀑布水流作用的影響，在壺口瀑布的位置區(qū)域產(chǎn)生了多種地貌，包括邊灘、沖蝕凹槽、側(cè)蝕洞穴、巖檻與壺穴巖、谷中谷等地質(zhì)遺跡。利用遙感影像和DEM數(shù)據(jù)相結(jié)合，形成區(qū)域裂點(diǎn)前后1600m縱剖面地形高程變化，為解譯地質(zhì)遺跡增加輔助信息（圖7）。

圖7 河流瀑布區(qū)域縱向剖面示意圖

4.辮流地質(zhì)遺跡

在河口或沖積平原上橫斷面放寬，河流流速降低，水流散亂，河床分成許多河汊，寬窄相間，形如發(fā)辮，這樣的河型稱(chēng)為辮流，也叫游蕩型河段。辮流在山區(qū)和平原都有存在。

禹門(mén)口位于山西省河津市西北和陜西省韓城市北部的黃河峽谷中，為黃河晉陜峽谷的南端出口。黃河從這里流出晉陜峽谷，擺脫兩岸夾山束縛，形成流路不定的大河辮狀交織水流（圖8）。韓城斷裂與黃河河谷相交，晚更新世該斷裂活動(dòng)使龍門(mén)山體抬升，黃河在禹門(mén)口形成裂點(diǎn)溯源侵蝕，不斷向上游溯源侵蝕。禹門(mén)口的辮流是典型的平原型河流地質(zhì)遺跡。

圖8 禹門(mén)口黃河辮流遙感影像

禹門(mén)口有著特殊的歷史文化價(jià)值。禹門(mén)口也叫龍門(mén)，是大禹劈山治水和鯉魚(yú)跳龍門(mén)等中華文化歷史故事的地理地點(diǎn)。從科學(xué)性和文化價(jià)值及觀賞性上，禹門(mén)口的地質(zhì)遺跡應(yīng)得到重視并應(yīng)盡快加以保護(hù)。

5.平原曲流地質(zhì)遺跡

在河流中下游的平原地區(qū)，地質(zhì)遺跡的類(lèi)型有辮流、平原蛇曲、牛軛湖，在自然條件下，曲流彎曲、變直、下移是一個(gè)周期迂回過(guò)程，發(fā)生變化的時(shí)間周期與氣候、地質(zhì)條件有關(guān)。與山區(qū)曲流的變化相比，平原曲流變化的周期更短，多則百年，少則幾十年。圖9為黃河靈寶市以北三門(mén)峽以東段河道不同年份的遙感影像對(duì)比，從圖中可以看到河曲在圖像上呈現(xiàn)很深的色調(diào)，其演變形跡在圖像上表現(xiàn)為一條條明暗相間的弧形條帶，沙壩收斂的一方指向河流上游，撇下的一方指向河流下游，隨著多年流水環(huán)流作用使河流曲流上下河段越來(lái)越接近，形成狹窄的曲流頸，洪水時(shí)曲流頸被沖開(kāi)，河道裁彎取直，出現(xiàn)了沉積迂回扇、牛軛湖、曲流等地質(zhì)遺跡。

圖9 平原曲流與牛軛湖發(fā)育形成過(guò)程

6. 三角洲地質(zhì)遺跡

三角洲位于河流的河口地區(qū)，是河流入海的河流末端堆積體。三角洲的形成是河口區(qū)的堆積作用超過(guò)侵蝕作用的結(jié)果。河流帶來(lái)的大量泥沙沉積物，在河口外海濱區(qū)水深較淺坡度平緩的河口區(qū)堆積形成了扇形三角洲。通過(guò)查看多個(gè)時(shí)期遙感圖像顯示的不同色調(diào)，分析沉積物覆蓋的植被生長(zhǎng)的差異和土地利用特點(diǎn)，識(shí)別黃河三角洲多種地質(zhì)遺跡，包括亞三角洲堆積體、河流故道、三角洲消長(zhǎng)和海岸帶變遷（圖10、11）。

圖10 黃河三角洲遙感影像河流故道示意圖

圖11 1980、1990、2000、2010年黃河三角洲遙感影像

四、結(jié)論

河流地貌類(lèi)地質(zhì)遺跡是區(qū)域宏觀的，同時(shí)具有不同尺度。利用遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)查時(shí)，從面、線(xiàn)、點(diǎn)逐步進(jìn)行分析，根據(jù)其基本形態(tài)、展布規(guī)律和空間關(guān)系、時(shí)間動(dòng)態(tài)演化及與周邊環(huán)境的聯(lián)系，是解譯地質(zhì)遺跡的形態(tài)并分析成因的有效方法。

黃河中下游的地質(zhì)遺跡非常豐富，涵蓋了河流地貌的主要類(lèi)型，利用衛(wèi)星遙感圖像并結(jié)合地質(zhì)資料和前人的研究成果，對(duì)比不同時(shí)期的遙感圖像，能夠發(fā)現(xiàn)河流演變的過(guò)程和地質(zhì)遺跡的狀況。黃河的地質(zhì)發(fā)育史長(zhǎng)達(dá)約170萬(wàn)年，歷經(jīng)黃河雛形期、河湖并存期、青藏高原隆起期、黃河黃沙期，歷史上黃河決口泛濫約1500次，較大的改道二、三十次，其中有六次重大改道，因此，黃河流域水系的變化反映了區(qū)域地貌、地質(zhì)變化的關(guān)聯(lián)，同時(shí)也對(duì)中國(guó)歷史的發(fā)展產(chǎn)生了很大影響。因此黃河的地質(zhì)遺跡是非常獨(dú)特和典型的，并具有源遠(yuǎn)流長(zhǎng)的文化內(nèi)涵。

黃河中下游地質(zhì)遺跡資源豐富，但是還沒(méi)有得到系統(tǒng)性的挖掘和保護(hù)，結(jié)合黃河流域高質(zhì)量發(fā)展的生態(tài)環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的國(guó)家重大需求，黃河流域的地質(zhì)遺跡在科學(xué)研究和科普上的價(jià)值將為鄉(xiāng)村振興和弘揚(yáng)黃河文化發(fā)揮重要作用。