引用本文
黄猛, 张学斌, 韩荣文, 李继军. 数字高程模型在天津滨海平原区地质填图中的应用[J].中国地质调查, 2020,7(5): 123-133.
HUANG Meng, ZHANG Xuebin, HAN Rongwen, LI Jijun. Application of Digital Elevation Model in the geological mapping of the coastal plain of Tianjin[J].Geological Survey of China, 2020,7(5): 123-133.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2020.05.14
Permissions
Copyright@2020, 《中国地质调查》编辑部
《中国地质调查》编辑部 所有
数字高程模型在天津滨海平原区地质填图中的应用
黄猛, 张学斌, 韩荣文, 李继军
天津市地质调查研究院,天津 300191

第一作者简介: 黄猛(1985—),男,工程师,主要从事第四纪地质与区域地质研究。Email: 390183708@qq.com。

收稿日期: 2020-01-16
基金资助: 中国地质调查局“燕山—太行成矿带丰宁和天镇地区地质矿产调查(编号: DD20160042)”与天津市国土和房屋管理局“天津1:50 000黑狼口乡、林亭口镇、尔王庄乡、黄庄乡幅区域地质调查(编号: 国土房任(2014)19号)”项目联合资助
摘要

天津市滨海平原地区地势平坦,地貌类型不易划分,沉积物粒度较细,遥感解译精度及实地可识别性差,按照传统的地质调查方法开展填图,图面表达效果不佳。数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)是地形的数字化表达,具有一般地形图无法表达的三维可视化信息,能够真实反映地形地貌特征。在开展天津滨海平原地质填图过程中,通过建立研究区DEM,并结合路线地质调查、槽型浅钻施工、样品测试分析,进行了地貌单元划分,将浅地表沉积物划分为河流、海侵和三角洲3个沉积体系: 河流沉积体系包含边滩(曲流砂坝)、充填河槽(牛轭湖)、决口扇、天然堤、洪泛盆地和湖沼沉积微相; 海侵沉积体系包含海滩脊、越岸扇、高潮坪和残留潟湖沉积微相; 三角洲沉积体系主要为三角洲前缘沉积。通过与不同类型遥感解译结果进行对比分析可知,DEM可充分弥补遥感影像的不足,对浅地表沉积物进行详细的成因类型划分,提升对浅地表地质作用过程的认知程度,较好地指导野外地质填图。将高精度DEM数据应用于第四系覆盖区地质填图,可以大大提高填图精度及效率,为城市生态安全保障、国土空间规划、产业结构布局等提供基础地质依据。

关键词: 数字高程模型; 地质填图; 遥感解译; 滨海平原
中图分类号:P231.5;P217;P623 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2020)05-0123-11
Application of Digital Elevation Model in the geological mapping of the coastal plain of Tianjin
HUANG Meng, ZHANG Xuebin, HAN Rongwen, LI Jijun
Tianjin Institute of Geological Survey, Tianjin 300191, China
Abstract

Tianjin coastal plain is flat and its landform is not easy to be divided. The grain size of the sediments is fine, with poor remote sensing interpretation accuracy and field identification, which leads to weak geological map expression effect by the traditional geological survey method. Digital Elevation Model (DEM) is a digital representation of the topographic surface and it has 3D visual information that cannot be expressed by the general topographic map, which can truly reflect the features of the landform. The authors divided the geomorphic units of shallow sediments during the geological mapping process of Tianjin coastal plain based on DEM and the geological survey of the route, the construction of the shallow groove drilling and the sample testing. The shallow sediments can be divided into three sedimentary systems: fluvial sedimentary system, transgression sedimentary systm and deltaic sedimentary system. The fluvial sedimentary system includes several genetic types of point bar, oxbow lake, crevasse splay, natural levee, flood basin and lake marsh. And the transgression sedimentary system can be divided into beach ridge, overland fan, high tide flat, residual lagoon, while the deltaic sedimentary system includes the delta front. DEM can fully make up for the shortage of remote sensing images after the comparative analysis with the results of remote sensing interpretation of different types. Besides, DEM can also be used for the detailed genetic classification of the shallow sediments and improve the cognition about shallow geological process, which will guide the field mapping. The application of high-precision DEM data to the geological mapping on the covered areas of quaternary system can greatly improve the mapping accuracy and efficiency, and provide basic geological support for urban ecological security, territorial space planning and industrial structure layout.

Keyword: Digital Elevation Model(DEM); geological mapping; remote sensing interpretation; coastal plain
0 引言

随着地质工作转型发展, 区域地质调查工作的战略性结构逐步调整, 从服务于找矿为主拓展到了全面服务于自然资源管理和生态文明建设。区域地质调查工作的重心也在逐步向丘陵、平原区及沿海地区转移。近年来遥感技术的发展使其在地质调查工作中发挥了越来越重要的作用, 尤其是在区域地质调查中发挥了举足轻重的作用[1, 2, 3, 4, 5]。受制于地形起伏较小且沉积物粒度较细, 在滨海平原地区开展区域地质填图工作主要存在以下几个问题及难点: 一是地势平坦导致微地貌不易区分; 二是除河道带附近有少量砂质沉积外, 其余地区均以细粒的黏性土沉积为主, 沉积物粒度整体偏细, 遥感解译精度低, 野外可识别性较差; 三是受人类改造影响, 野外调查时原始沉积信息不易寻找。上述问题及难点往往造成地质填图精度较差, 图面表达效果不佳, 浅地表地质作用过程及资源环境效应研究难以深入。

数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)是对地球表面地形地貌信息的数字化表达[6], 是目前地理信息系统、地学分析、测绘、遥感和虚拟现实等各领域研究的热点[7], 并且得到了迅速的发展、充分的应用和广泛的关注。基于DEM 的地形地貌研究从本质而言就是进行数值模拟和计算的过程, 随着GIS空间分析模块的引入, 大大增加了地貌学研究的手段, 提高了工作效率。DEM作为一种空间数据, 可以进行各种空间分析, 有效地显示地形特征, 使人们更直观地观察地形, 比起传统的地形等值线图, 可以更精细地显示地形数据结构[8]。

目前获取DEM的主要方法有以下几种: 传统的大地测量、已有数字化地图的内插、数字摄影测量、激光测量和雷达测量[9]。总体可归纳为地基模式、星载模式和机载模式。地基模式观测精度较高, 但单点式采集费时费力, 不适用于面积相对较大的区域地质填图。星载模式主要为卫星遥感影像、星载InSAR、激光雷达等获取技术, DEM精度都偏低, 高程误差为± 2.47~± 8.40 m[10, 11, 12]。机载模式包含航空摄影测量、机载激光雷达以及无人机等方法, 随着传感技术的不断改进, DEM的精度逐步提高, 具有作业成本低、效率高的特点[13, 14, 15]。DEM在地质学领域的应用起步较晚, 近年来随着研究的不断深入, 其应用范围越来越广泛, 已在湖泊及湿地变迁分析、地表过程研究、地貌特征及区划研究等领域取得了较好的应用效果[8, 16, 17, 18]。运用DEM数据研究地表地形可直观揭示地表的形态特征, 且具有较高的分辨率, 因而, 近年来在地质调查领域越来越受到重视。为此, 笔者在开展天津1:50 000新安镇等6幅图区域地质调查过程中对滨海平原区地表填图方法进行了新的探索和研究, 将数字高程模型应用于地貌研究, 旨在详细划分浅地表沉积物的成因类型, 提升对浅地表地质作用过程的认知程度, 提高地质填图的效率和精度。

1 研究区概况

研究区位于天津市东北部(图1), 处于冲、洪积平原与滨海平原的过渡地带, 是滦河水系和潮白河水系的汇集地带, 地势平缓, 自西北向东南倾斜, 地面标高-1~5 m, 地形坡度为0.2‰ ~0.5‰ 。区内河渠密布, 主要行洪河道有潮白河、青龙湾河、蓟运河等, 均从西北流向东南, 湿地主要有大黄堡湿地及黄庄洼湿地。研究区地处华北平原北部与渤海湾的交界地带, 新生代以来, 在强烈的构造沉降背景下[19, 20, 21], 松散沉积物不断加积, 形成了典型堆积型海岸。第四纪以来, 天津滨海平原地区经历了多次海陆变迁, 沉积环境的变迁促进了堆积地貌的再改造[22]。全新世中晚期以来, 在气候波动变化影响下, 该区先后发生了海侵及阶段性海退, 形成一套海侵沉积, 在海退过程中, 河流与海洋的共同作用造就了地貌带状分布特点。全新世晚期形成的冲海积平原及海岸线迁移过程中遗留的几道贝壳堤和古海岸线与现今海岸线潮间带基本呈环带状分布, 其地貌年龄自陆向海有逐渐变新的趋势[23, 24]。天津滨海平原地区地处九河下梢, 地势较低, 各条河流携带的粗粒沉积物基本堆积于山麓地区和平原的中上部, 带入该区的沉积物由黏土、粉砂质黏土、黏土质粉砂及少量粉砂组成, 粒度相对较细。海河水系各条河流在该区汇聚入海, 历史时期各条河流的频繁迁徙、迂回荡涤使区内曲流河、古河道、古河床高地等发育[25]。

图1 研究区位置Fig.1 Location map of the study area

2 DEM制作及分析
2.1 DEM制作

本次研究选用天津市测绘局2000年1:10 000地形图(等高距1 m)提取高程数据, 生成研究区DEM。为保证制图效果, 首先删除了人工堤岸、道路、特殊居民地等影响原始地质地貌分析的异常数据, 然后应用ArcGIS10.4的TIN模块生成大小为50 m× 50 m的栅格, 最后通过ArcGIS10.4的3D功能模块生成研究区DEM, 高程精度可达到0.2 m。

2.2 DEM地貌分析

研究区一级地貌单元为陆地堆积平原, 二级地貌单元以黑狼口— 牛家牌— 大黄堡为界(图2), 可以划分为冲积平原和冲海积平原。冲积平原主要分布在研究区西北部, 为燕山冲积平原的前缘部位, 主要受潮白河、青龙湾河多期摆动影响, 地面高程1.5~5.0 m, 坡度0.3‰ ~0.5‰ , 全新世以来基本未受海侵影响; 冲海积平原主要分布在研究区东南部的大部分区域, 地面高程-1.0~3.0 m, 坡降0.2‰ ~0.3‰ , 平原广阔平坦, 局部地势稍高, 全新世以来普遍受海侵影响, 为全新世海退过程中河流与海洋共同作用形成。

图2 研究区DEM及地貌分析
1.河道带; 2.边滩; 3.牛轭湖; 4.天然堤; 5.决口扇; 6.洼地; 7.河间洼地; 8.积水洼地; 9.古潟湖洼地; 10.垄岗; 11.海滩脊; 12.越岸扇; 13.高潮坪; 14.三角洲; 15.成因类型界线; 16.钻孔位置及编号; 17.槽型钻位置及编号; 18.东棘坨砖厂剖面位置及编号; 19.联孔剖面位置及编号Fig.2 DEM and the geomorphologic analysis map of the study area

按照形态及成因, 研究区三级地貌单元可划分为河道带、洼地、垄岗和三角洲(表1)。

表1 研究区地貌类型与DEM填图单位对应关系 Tab.1 Corresponding relation between geomorphologic types and DEM mapping units of the study area

(1)河道带。主要分布在潮白河、箭杆河、蓟运河、还乡河、青龙湾河及其古河道分支河道两侧的狭长地带, 是主流线长期侧移的产物, 宽度一般为2.0~10.0 km。在冲积平原及冲海积平原北部, 为 DEM呈条带型分布的连续高地, 较周围地形高1~2 m; 在冲海积平原南部, 为DEM呈河曲形态的连续低洼地, 较周围地形低0.5~1.5 m。其中四级地貌单元可划分为边滩、牛轭湖、决口扇、天然堤。

(2)洼地。为平原中与周围高差1.0~2.0 m的封闭或半封闭的相对低洼区域, DEM多呈蝶形或不规则形状, 具有独特的形成、演化历史。根据其形态及成因, 主要划分为河间洼地、积水洼地和古潟湖洼地四级地貌单元。

(3)垄岗。主要分布在东棘坨以南、潘庄以东的三角洲、古潟湖或洼地边缘, DEM呈条形高地, 高程2.0~3.0 m, 普遍高出周边0.5~1.0 m。根据其形态及成因, 主要划分为海滩脊、越岸扇和高潮坪四级地貌单元。

(4)三角洲。主要分布在大辛庄— 东棘坨一带, 为蓟运河、还乡河入海(湖)口形成的过渡地带, DEM多呈Δ 形, 显示由河口向海(湖)心及两侧地势逐渐降低。

3 野外验证及填图单位划分

以研究区DEM分析结果为基础, 通过路线地质调查、槽型浅钻施工和样品测试分析, 着重考虑物质组成、空间分布、成因类型及相互关系等因素, 对浅地表不同类型沉积物组成及沉积相进行了验证和分析。槽型浅钻采用荷兰产Eijkelkamp型取样器, 取心直径4 cm, 取出的土心基本不受扰动, 便于观察研究浅地表松散沉积物的组成、结构构造和含有物, 分析沉积相和沉积物的分布规律; 样品测试分析重点进行介形虫和有孔虫鉴定, 由天津地质矿产研究所王强研究员完成, 主要用于沉积相分析。研究区地貌类型与DEM填图单位对应关系见表1。

3.1 河道带

根据野外验证, 研究区河道带沉积主要由河道沉积和堤岸沉积组成, 其中河道沉积包括边滩(曲流砂坝)和充填河槽(牛轭湖), 堤岸沉积包括决口扇和天然堤。

(1)边滩(曲流砂坝)。主要发育在蓟运河、箭杆河两侧, 尤以河流的凹岸为多, 主要由黏土、粉砂质黏土、黏土质粉砂和粉砂组成, 颜色为黄灰色、灰黄色、棕黄色和棕色。就沉积层序而言, 上部为薄层黏土, 中部为黏土质粉砂, 下部为厚层粉砂, 粉砂呈块状, 局部见有平行层理发育, 夹植物碎屑, 二元结构较为明显, 揭露厚度一般为2.0~3.0 m(图3)。

图3 研究区D2072孔边滩沉积特征Fig.3 Sedimentary characteristics of the point bar for borehole D2072 in the study area

(2)充填河槽(牛轭湖)。地表多为蛇曲状低洼条带, 分布在蓟运河两侧(图2), 由河流改道或废弃形成。沉积物多为深灰色、灰色、灰棕色黏土, 局部为粉砂, 含较多碳质及植物碎屑, 揭露厚度一般为2.0~3.0 m。

(3)决口扇。分布在潮白河和青龙湾河故道两岸, DEM呈不同规模扇状、舌状凸起, 向周边逐渐降低, 主要由黏土质粉砂和粉砂组成, 粒度比洪泛盆地冲积物相对稍粗, 多呈块状, 少数发育平行层理、交错层理等沉积构造, 夹动植物化石碎片。潮白河故道两岸决口扇冲积物岩性相对较粗, 以细砂、粉砂为主, 颜色多为棕黄色、黄棕色, 夹薄层黏土, 向南东方向逐渐变薄、尖灭(图4); 青龙湾故道决口扇冲积物规模小、数量多, 沉积物主要有粉砂、黏土质粉砂和夹薄层黏土, 颜色多为灰黄色、黄灰色。揭露厚度一般为0~4.0 m。

图4 研究区西北部潮白河故道两岸决口扇剖面Fig.4 Profile map of the crevasse splay on both sides of old Chaobai River in the northwest of the study area

(4)天然堤。主要分布在蓟运河、箭杆河、还乡河河道两侧, 地表沉积物为灰棕色、黄棕色黏土质粉砂夹少量粉砂, 河道附近沉积物颗粒相对较粗, 离开河道沉积物逐渐变细, 黏土质含量逐渐增加, 下伏沉积物多为洪泛盆地及湖沼相沉积。揭露厚度一般为0.5~1.5 m。

3.2 洼地

野外验证证实, 研究区洼地沉积成因类型主要包括洪泛盆地、湖沼和残留潟湖(图2)。

(1)洪泛盆地。广泛分布于青龙湾河、潮白河、箭杆河及蓟运河等河流两侧地势稍低地区, 沉积物以黏土质粉砂、粉砂质黏土和黏土为主, 颜色为灰黄色、黄灰色、棕黄色及黄棕色, 呈互层状产出, 在垂向上有由下而上逐渐变细的趋势, 平行层理、波状层理、透镜层理及脉状层理广泛发育, 其中含少量螺壳化石碎片及植物茎叶碎片。揭露厚度一般为1.5~2.5 m。

(2)湖沼。主要分布于大黄堡洼、里自古洼、黄庄洼等地段。沉积物大多以黏土为主, 颜色为黄棕色、灰绿色及绿灰色, 黏性大, 密实, 水平层理少见, 含大量的钙质结核, 少量见碳质斑点, 沉积厚度较大, 下伏地层为深灰色、灰黑色潟湖相沉积。沉积物中含丽蚌(Lmprotula sp.)、篮蚬(Corbicula sp.)、萝卜螺(Radix sp.)、白小旋螺(Gyraulus albus)、田螺(Viviparus sp.)、布氏土星介(Ilyocypris bradyi)、玛纳斯土星介(I.manasesis)等陆相双壳类、腹足类及介形虫化石。揭露厚度一般为1.5~2.5 m。

(3)残留潟湖。主要分布于东田庄及桐城村以南的低洼地带, 地表沉积物以深灰色、灰色、灰棕色黏土和粉砂质黏土为主, 含碳质, 向下颜色逐渐变成棕灰色、灰棕色和淡棕色。沉积物中含较多含腹足类化石, 如白旋螺(G. albus)、沼螺(Paraforssarulus sp.)、纹沼螺(P.striatulus)等, 介形类见有苏氏小玻璃介(Candoniella suzini)、舒滨小玻璃介(Candoniella schubibae)、意外湖花介(Limnocythere inopinata)等, 此外还含有少量广盐性有孔虫, 如毕克卷转虫变种(Ammonia beccarii vars.)、多变假小九字虫(Pseudononinella varibilis)和希望虫诸种(Elphidium sp.)等。揭露厚度一般为1.0~2.0 m。

3.3 垄岗

研究区垄岗根据其形态特征及物质组成, 可划分为海滩脊、越岸扇和高潮坪。

(1)海滩脊。主要分布在东棘坨、潘庄、桐城村一带, 为海岸线相对稳定时在高潮线附近由波浪作用堆积形成, 地势相对较高, DEM呈NEE向或近EW向条带状凸起, 较周边高出0.5~1.0 m, 宽度为1~2 km, 沉积物以灰黄色、灰棕色、黄棕色黏土质粉砂、粉砂及粉砂质黏土为主, 颗粒相对较粗, 含较多贝壳碎屑。揭露厚度一般为1.0~4.0 m。QHJ01孔中采集到的有孔虫化石主要为A. beccarii、P.variabilis、缝裂希望虫(magellanicum Heron-Allen et Earland)、低盐种中华假圆旋虫(Pseudoeponidessinensis Zheng)和广盐种清晰希望虫(Elphidiumlimpidum Ho)。介形类鉴定结果表明, 海相介形类主要为广盐种典型中华美花介(Sinocytherideaimpressa Brady)、丰满陈氏介(Tanella opima Chen)、中华洁面介(Albileberissinensis Ho)和少量浅海相的窝形半尾花介(Hemicytheruracuneata Hanai)(图5)。微体古生物鉴定结果整体显示顶部样品盐度最低, 综合分析为海滩脊环境。

图5 研究区QHJ01孔海滩脊沉积特征Fig.5 Sedimentary characteristics of the beach ridge for borehole QHJ01 in the study area

(2)越岸扇。主要分布在东棘坨北部、宁河镇西南部一带, DEM呈向北地势逐渐降低的扇形, 主要由强烈风暴形成。强烈风暴从海岸沙丘及海滩脊侵蚀出大量的沉积物, 分布在海滩脊靠陆一侧, 形态上呈扇状, 沉积物与海滩脊沉积物类似。揭露厚度一般为1.0~4.0 m。

(3)高潮坪。主要分布在史家庄— 东棘坨— 廉庄以南的海滩脊之间, 地势较海滩脊略低, 为河流供给沉积物相对增加时在高潮线附近由波浪作用堆积形成, 沉积物以灰棕色、灰黄色、棕黄色粉砂质黏土和黏土为主, 夹黏土质粉砂透镜体, 含较多贝壳壳体及碎屑, 发育透镜状层理, 含较多碳质, 向下颜色逐渐变为灰色和深灰色。揭露厚度一般为1.0~5.0 m。东棘坨砖厂剖面PM14微体古生物鉴定结果显示: 表层0.40 m样品中见广盐低盐种光滑九字虫(Cribrononionlaevegatum Ho, Hu et Wang)与P.variabilis共生, 还见广盐低盐海相介(S. impressa)和丰满陈氏介(T. opima)的少量个体, 显示了滨海低地环境; 0.70~3.90 m段见P.variabilis、多角口室虫(Stomoloculinamultiangula Ho, Hu et Wang)和广盐低盐种海相介形类王氏三原介(Sanyuaniawangi Zhao et Whatley)(图6)。低分异度高优势度低盐— 广盐微体生物组合可以作为海侵的证据, 指示非正常海环境中富有机质沉积的河湾环境。

图6 东棘坨砖厂剖面PM14高潮坪沉积特征Fig.6 Sedimentary characteristics of the supratidal zone for profile PM14 in Dongjituo brickyard

3.4 三角洲

研究区三角洲沉积主要分布在大辛庄至东棘坨北、廉庄镇东一带(图2), DEM呈扇状, 近NE向展布, 地势向南逐渐降低, 由蓟运河、还乡河向洼地逐渐进积形成。槽型浅钻揭露其下部的前三角洲沉积物为灰黑色、灰色黏土沉积, 向上逐渐变粗, 中上部发育了一套三角洲前缘砂体沉积。沉积物为浊棕色、灰棕色、棕灰色粉砂和黏土质粉砂, 整体砂质含量较高, 发育平行层理、交错层理、反粒度层理、透镜状层理, 潴育化明显(图7)。揭露厚度一般为1.5~4.0 m。

图7 研究区D0050孔三角洲沉积特征Fig.7 Sedimentary characteristics of the delta for borehole D0050 in the study area

4 结果与讨论

综合DEM分析结果, 在对不同成因类型沉积物及沉积相验证和分析的基础上, 编绘了研究区沉积体系图(表1、图8), 对比了DEM分析与遥感解译在地质填图中的应用, 总结了研究区的沉积体系和浅表地质作用过程。

图8 研究区沉积体系Fig.8 Sedimentary system map of the study area

4.1 方法对比

不同类型遥感影像对沉积物的敏感性不同, 利用监督分类、波段比值、主成分分析及纹理分析等处理方法得出的数据可以有效地对地貌及浅地表第四系沉积物进行分类, 为滨海平原区地质填图提供技术支持[26, 27]。本次研究分别选取了2016年8月ETM影像(波段B2、B4、B5分别赋予红、绿、蓝假彩色合成)、2014年4月资源3号卫星影像(全色波段和1、2波段分别赋予红、绿、蓝假彩色合成)及2002年5月ASTER数据监督分类解译结果与DEM进行对比(图9、图10)。

图9 研究区西北部冲积平原区DEM与不同类型遥感影像对比Fig.9 Comparison between DEM and remote-sensing images of the alluvial plain in the northwest of the study area

图10 研究区东南部冲海积平原区DEM与不同类型遥感影像对比图Fig.10 Comparison between DEM and remote-sensing images of the alluvial plain in the southeast of the study area

通过对比DEM与不同类型遥感影像发现, 研究区西北部马家店、牛家牌、黑狼口一带主要受河流作用影响, 不同类型遥感影像的解译程度都较高, 河道带、决口扇、河间洼地等不同地貌类型及不同类型沉积物解译效果相对较好。受耕作等人为改造活动的影响, ETM影像和资源3号卫星影像中不同沉积物的影纹多为渐变过渡, ASTER监督分类图中影纹界线较为清晰, 但存在一定的不确定性, 解译存在一定的误差, 解译效果与野外调查验证时存在较大出入。而DEM将微小差别的地形变化通过晕渲法表现在平面图上, 呈现出三维立体视觉效果, 使地面起伏看起来较为明显, 整体地貌格局可较为清晰地体现, 较好地弥补了不同类型遥感影像的缺陷。将DEM与不同类型遥感影像的解译结果相结合, 可较为准确地圈定不同成因类型沉积物的分布范围, 更深入地分析沉积物的分布规律, 同时结合野外路线调查验证, 开展地质填图, 可取得较为理想的效果。

研究区东南部大辛庄、东棘坨、廉庄、潘庄一带主要受河流与海洋两种动力共同作用的影响, 沉积物多以细粒黏土和粉砂质黏土为主, 夹少量黏土质粉砂, 传统类型遥感影像的解译效果较差。ETM影像呈浅黄棕色与灰棕色、棕灰色、深灰色相间的斑块, 无明显展布规律; 资源3号卫星影像呈灰白色、灰色、绿灰色、蓝灰色斑块, 整体显示由NE向SW颜色逐渐变暗的趋势; ASTER监督分类图中影纹以红色为主, 间夹绿色、青色、蓝色, 未显示明显的分布规律。这表明传统的遥感解译方法在这一区域指导填图的效果不够理想。相比而言, 结合海岸带地质结构特征, 进行DEM三维立体分析, 可取得较好的解译效果。

4.2 沉积体系划分

根据浅地表沉积物划分结果, 结合渤海湾西岸全新世海侵特征, 将研究区浅地表沉积物划分为河流、海侵和三角洲3个沉积体系。

根据河道形态特征, 研究区河流沉积体系可划分为曲流河沉积和顺直河沉积, 均形成于全新世中晚期。顺直河沉积分布在研究区西部, 主要受青龙湾河与潮白河影响, 河道多较为平直, 由NW向SE方向延伸, 河道两侧发育多期决口扇叠加沉积, 天然堤不发育, 在洼地边缘呈指状, 向洼地延伸, 河道附近及决口扇沉积物粒度相对较粗, 以粉砂、黏土质粉砂为主, 远离河道沉积物变细, 过渡为黏性土沉积。曲流河沉积分布在研究区东部及西南部, 主要受永定河、蓟运河、还乡河影响, 河道多呈蛇曲状, 曲流河相中的各类沉积亚相及沉积微相发育较齐全, 在现代河道两侧可见较多充填河槽(牛轭湖)沉积, 显示了曲流河河道截弯取直、多期改道的特点, 整体呈NW向SE方向展布。

海侵沉积体系主要为海退沉积, 分布在研究区南部。全新世中晚期, 受气候变冷、河流进积影响, 逐渐发生海退, 海岸线相对稳定时, 潮汐作用及风暴潮改造了三角洲堆积物, 使其在高潮线附近堆积形成近EW向展布的海滩脊、越岸扇和高潮坪, 地势相对较高, 尤其是海滩砂脊。多条海滩砂脊呈平行分布, 间隔一定的距离, 表明海退过程中海岸线在某一阶段处于相对稳定的状态。海滩脊之间的洼地后期逐渐淤塞, 形成残留潟湖。

三角洲沉积体系为河流沉积体系与海侵沉积体系的过渡, 分布在研究区中南部。全新世中期, 研究区普遍发生海侵, 在中南部一带形成开放海域, 受蓟运河、还乡河影响, 河流所携带沉积物在河口附近堆积, 形成不规则扇形沉积, 垂向剖面揭露三角洲沉积包含前三角洲、三角洲前缘等沉积亚相。

4.3 浅地表地质作用过程

全新世早期, 气候变暖, 渤海湾沿岸普遍发生海侵, 约7 500 a B.P.左右进入最温暖的时期, 海侵范围达到最大, 可至宝坻区郝各庄一带, 形成了长度超过500 m、厚度超过1.50 m的牡蛎礁。全新世中后期, 气候变冷, 海平面逐渐下降, 河流逐渐进积, DEM影像显示蓟运河、还乡河水系在大辛庄一带交汇, 形成三角洲沉积。海退过程中形成多条牡蛎礁沉积[23], 代表海平面有多个相对稳定时期。在波浪及潮汐作用下, 三角洲沉积物被改造重新堆积, 在东棘坨、潘庄一带形成多条海滩脊沉积, 其间为高潮坪沉积。QHJ01钻孔东2 km毛毛匠村贝壳堤堆积14C测年结果显示, 其年龄为(6 350± 105)~(5 520± 75)a B.P., 反映其形成时代为全新世中期[22]。DEM影像显示, 三角洲、海滩脊、高潮坪沉积地势相对较高, 其西北侧上马台、大白庄、黄庄、八门城一带为NE向地势低洼地, 为积水洼地沉积。全新世晚期, NW向河流潮白河、青龙湾河进积, 在研究区西北部形成河道带、决口扇、洪泛盆地沉积, 在黑狼口、周良庄、大白庄一带形成SE向延伸的指状、扇状高地, 逐渐使积水洼地淤塞。同时, 蓟运河、还乡河水系在大辛庄、宁河镇、廉庄、芦台镇一带进积, 切割改造三角洲、海滩脊、高潮坪沉积, 形成地势较低洼的曲流河河道带。

5 结论与建议

(1)DEM在天津滨海平原区地质填图中的应用可较好地指导微地貌单元的划分。研究区三级地貌单元可划分为河道带、洼地、垄岗和三角洲, 河道带可细分为边滩、牛轭湖、决口扇和天然堤, 洼地可细分为河间洼地、积水洼地和古潟湖洼地, 垄岗可细分为海滩脊、越岸扇和高潮坪, 三角洲则主要为三角洲前缘。

(2)以研究区DEM分析结果为基础, 通过野外验证, 将浅地表沉积物划分为河流、海侵和三角洲3个沉积体系: 河流沉积体系分布在研究区西北部及中部, 形成于全新世晚期, 多呈NW— SE走向, 沉积亚相及沉积微相发育较齐全; 海侵沉积体系主要为海退沉积, 分布在研究区南部, 形成于全新世中晚期, 近EW向展布, 包含海滩脊、越岸扇、高潮坪和残留潟湖沉积微相; 三角洲沉积体系为河流沉积体系与海侵沉积体系的过渡, 形成于全新世中期, 分布于研究区中南部, 呈不规则扇形, 主要为三角洲前缘沉积。

(3)与传统的遥感解译相比, DEM弥补了天津滨海平原地区地质填图中因地势平坦、坡度变化小、地貌不易区分、沉积物较为单一等因素造成的不足, 可大大提高填图精度及效率。目前, 传感器技术不断改进, 地表高程获取技术也正向着多平台、多传感、多角度的方向发展, 同时精度也在逐步提高, 为DEM的生产以及在第四系覆盖区地质填图中的应用提供了更多选择。

(责任编辑: 刘丹)

参考文献
[1] 薛重生. 遥感技术在区域地质调查中的应用研究进展[J]. 地质科技情报, 1997, 16(增刊1): 16-23. [本文引用:1]
[2] 闫柏琨, 董新丰, 王喆, 等. 航空高光谱遥感矿物信息提取技术及其应用进展——以中国西部成矿带调查为例[J]. 中国地质调查, 2016, 3(4): 55-62. [本文引用:1]
[3] 杨清华, 陈华, 路云阁, 等. 全国边海防地区基础地质遥感调查[J]. 中国地质调查, 2017, 4(3): 1-9. [本文引用:1]
[4] 刘智, 黄洁, 孙小飞, 等. 基于GF-1影像的西藏亚东地区构造解译研究[J]. 中国地质调查, 2017, 4(3): 17-23. [本文引用:1]
[5] 侯德华, 张立国, 王硕, 等. 基于GF-2影像西藏桑耶地区岩性-构造遥感解译[J]. 中国地质调查, 2018, 5(5): 66-73. [本文引用:1]
[6] 黄帅堂, 陈建波, 阿里木江·亚力昆, 等. 基于数字高程模型的南天山地貌特征研究[J]. 高原地震, 2018, 30(3): 17-24, 6. [本文引用:1]
[7] 胡昌龙, 易燕. 数字高程模型DEM及其显示[J]. 黑龙江科技学院学报, 2007, 14(4): 233-236. [本文引用:1]
[8] 刘少峰, 王陶, 张会平, 等. 数字高程模型在地表过程研究中的应用[J]. 地学前缘, 2005, 12(1): 303-309. [本文引用:2]
[9] 贾世真, 赵伟亮. 多角度卫星影像的DEM制作[J]. 测绘与空间地理信息, 2016, 39(6): 145-147. [本文引用:1]
[10] 谢飞, 吴杰. Pleiades卫星立体像对提取数字高程模型的试验研究[J]. 城市地理, 2017(22): 132-133. [本文引用:1]
[11] 陈隽敏. 资源三号正射影像和DEM制作及电力工程适用性分析[J]. 南方能源建设, 2015, 2(增刊1): 207-211, 229. [本文引用:1]
[12] 李振洪, 李鹏, 丁咚, 等. 全球高分辨率数字高程模型研究进展与展望[J]. 武汉大学学报: 信息科学版, 2018, 43(12): 1927-1942. [本文引用:1]
[13] 明国辉, 委民正. SURF算法在无人机倾斜摄影测量三维建模中的应用[J]. 测绘工程, 2017, 26(9): 41-45. [本文引用:1]
[14] 张会, 赵民. 无人机影像数据提取大比例尺DEM的方法研究[J]. 测绘与空间地理信息, 2018, 41(5): 195-197, 201. [本文引用:1]
[15] 戴伟琦, 李欢, 龚政, 等. 无人机技术在潮滩地貌演变研究中的应用[J]. 水科学进展, 2019, 30(3): 359-372. [本文引用:1]
[16] 常直杨, 孙伟红, 王建, 等. 数字高程模型在构造地貌形态分析中的应用现状及展望[J]. 南京师大学报: 自然科学版, 2015, 38(4): 129-136. [本文引用:1]
[17] 许丽, 李江海, 刘持恒, 等. 基于数字高程模型(DEM)的可可西里地貌及区划研究[J]. 北京大学学报: 自然科学版, 2017, 53(5): 833-842. [本文引用:1]
[18] 李美萍, 春喜, 胡和达来, 等. 基于数字高程模型的查干淖尔湖泊变迁研究[J]. 内蒙古师范大学学报: 自然科学汉文版, 2012, 41(5): 537-543. [本文引用:1]
[19] Xu Q M, Yuan G B, Yang J L, et al. Plio-Pleistocene magnetostratigraphy of northern Bohai Bay and its implications for tectonic events since ca. 2. 0 Ma[J]. J Geodyn, 2017, 111: 1-14. [本文引用:1]
[20] 靳宝珍, 杨云霄, 邱京卫, 等. 天津市古潜山奥陶系岩溶裂隙发育规律研究[J]. 中国地质调查, 2019, 6(2): 94-99. [本文引用:1]
[21] 黄猛, 李明辰, 樊航宇, 等. 渤海湾西北岸QHJ01孔记录的晚新生代气候与沉积环境演化[J]. 地质学报, 2019, 93(4): 899-914. [本文引用:1]
[22] 王强, 李凤林. 渤海湾西岸第四纪海陆变迁[J]. 海洋地质与第四纪地质, 1983, 3(4): 83-89. [本文引用:2]
[23] 王宏, 范昌福, 李建芬, 等. 渤海湾西北岸全新世牡蛎礁研究概述[J]. 地质通报, 2006, 25(3): 315-331. [本文引用:2]
[24] 王强, 袁桂邦, 张熟, 等. 渤海湾西岸贝壳堤堆积与海陆相互作用[J]. 第四纪研究, 2007, 27(5): 775-786. [本文引用:1]
[25] 徐利淼. 天津滨海地区地貌特征与分类系统[J]. 天津师范大学学报: 自然科学版, 1995, 15(4): 54-59. [本文引用:1]
[26] 张艳, 孙杰, 于长春, 等. 基于多源遥感数据的第四系覆盖物分类方法研究: 以内蒙古旗杆甸子幅1: 5万填图试点为例[J]. 地质科技情报, 2019, 38(2): 281-290. [本文引用:1]
[27] 陈星, 贾晓青, 张学斌. 监督分类在第四纪堆积物遥感解译中的应用——以天津武清地区为例[J]. 电子制作, 2013(4): 54-55, 69. [本文引用:1]