張景發(fā) 姜文亮 田 甜 王 鑫

(中國北京100085中國地震局地殼應(yīng)力研究所)

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活動斷裂調(diào)查中的高分辨率遙感技術(shù)應(yīng)用方法研究*

(中國北京100085中國地震局地殼應(yīng)力研究所)

本文系統(tǒng)分析了高分辨率遙感在活動斷裂調(diào)查中應(yīng)用的技術(shù)現(xiàn)狀、 工作流程， 梳理了各類遙感數(shù)據(jù)的要求、 適用條件和處理方法， 總結(jié)了活動斷裂的遙感解譯方法、 解譯要素和測量參數(shù)， 并通過實例解析了一些典型的斷錯地貌， 給出了相應(yīng)的遙感特征． 基于資源三號衛(wèi)星的立體像對和影像， 判讀了大青山活動斷裂的幾何特征和活動特性． 結(jié)果表明： 人工改造較大的地區(qū)宜收集早期遙感影像， 利用不同波段間地物光譜的差異來增強隱伏活動斷裂的信息， 使用空間增強方法來識別斷層陡坎等線性構(gòu)造； 雷達數(shù)據(jù)多極化分解是檢測隱伏構(gòu)造信息的有效方法； 由宏觀信息向局部信息追蹤是活動斷裂解譯的有效途徑； 將遙感影像與數(shù)字高程模型(DEM)聯(lián)合可進行活動斷層參數(shù)的高精度測量． 本文結(jié)果可為活動斷裂大比例尺、 定量調(diào)查提供參考．

活動斷裂 高分辨率遙感 影像特征 解譯要素

引言

遙感技術(shù)由于其宏觀性和直觀性等優(yōu)勢， 在活動斷裂研究中的應(yīng)用越來越廣泛， 目前已發(fā)展成為活動斷裂研究中不可或缺的技術(shù)， 為活動斷裂研究提供了豐富的定量化數(shù)據(jù)(何宏林， 2011)． 由于地震的發(fā)生與活動斷裂密切相關(guān)， 因此， 深入開展活動斷裂研究， 確定其在地表的出露位置、 分布形態(tài)與幾何結(jié)構(gòu)， 并在此基礎(chǔ)上判斷其活動習性與變形方式， 對地震研究具有非常重要的意義(鄧起東， 2002； 鄧起東等， 2004)．

近20年來， 隨著衛(wèi)星遙感資源不斷增加， 圖像處理技術(shù)也在不斷發(fā)展， 遙感技術(shù)在地球科學中的應(yīng)用研究取得了很多重要成果． 例如： Rheault等(1991)利用美國陸地衛(wèi)星Landsat 4—5號專題制圖儀所獲得的多波段掃描圖像(thematic mapper， 簡寫為TM)和雷達圖像， 開展了隱伏斷裂帶幾何展布、 運動特性方面的提取工作； Issaak等(2001)將經(jīng)匹配和重采樣的歐洲空間局遙感衛(wèi)星(European space agency remote sensing satellite, 簡寫為ERS-1)合成孔徑雷達影像(synthetic aperture radar， 簡寫為SAR)和TM影像進行融合， 最終確定了希臘科扎尼(Kozani)流域因正斷層活動而產(chǎn)生的構(gòu)造盆地的范圍； Kaya等(2004)利用Landsat TM影像和法國地球觀測衛(wèi)星(systeme probatoire d’observation dela tarre， 簡寫為SPOTS)高分辨率全色影像識別了土耳其北部安納托利亞(Anatolian)斷層帶噶瑙斯(Ganos)段的兩條活動斷層， 更正了之前“這一地區(qū)只存在一條斷層”的認識． Shukla等(2012)運用遙感技術(shù)和數(shù)字高程模型(digital elevation model， 簡寫為DEM)， 發(fā)現(xiàn)了喜馬拉雅構(gòu)造活動山區(qū)的新構(gòu)造運動跡象． 與此同時， 我國的遙感技術(shù)研究也得到了同步發(fā)展， 取得了許多成果． 例如： 鄒謹敞(1991)建立了一套研究活動斷裂遙感影像特征的方法和程序， 并歸納了活動斷裂的主要判讀標志； 張景發(fā)等(1996)以鮮水河地區(qū)TM影像為例， 對其進行數(shù)字圖像處理， 并在此基礎(chǔ)上提出可以利用數(shù)字圖像處理技術(shù)提取遙感影像上活動斷裂所引起的地貌、 水系等細微特征； 姜文亮等(2007)通過對Landsat多波段掃描儀(multi spectral scanner， 簡寫為MSS)， TM和歐洲環(huán)境衛(wèi)星(environmental satellite， 簡寫為ENVISAT)影像采用主成分融合方法來突出研究區(qū)影像中的各類地質(zhì)體特征， 并對影像中呈現(xiàn)的紋理、 色調(diào)及構(gòu)造形跡進行提取， 建立了遙感影像解譯標志, 進而對活動斷裂的分布及其活動情況予以分析； 王華林和王紀強(2012)根據(jù)活動斷裂的多種遙感影像特征， 總結(jié)出斷裂水平、 垂直錯動的解譯標志， 并針對沂沐斷裂帶北段展開遙感地質(zhì)解譯工作， 結(jié)合野外地質(zhì)考察， 最終確定了該斷裂的空間分布及活動性．

隨著高分辨率遙感技術(shù)的發(fā)展， 目前所獲取的衛(wèi)星影像的分辨率可達亞米級； 通過無人機立體像對獲得的影像， 其水平和垂向分辨率可達厘米級． 這些高精度的遙感圖像均為活動斷裂及構(gòu)造微地貌精細結(jié)構(gòu)的定量研究提供了經(jīng)濟有效的手段(Arrowsmith， Zielke， 2009; Klingeretal， 2011)．

圖1 活動斷裂遙感解譯工作流程圖Fig.1 The work flowchart of remote sensing interpretation for active faults

盡管如此， 高分辨率遙感在活動斷裂調(diào)查中的應(yīng)用還有很大的提升空間， 因此有必要對活動斷裂和構(gòu)造微地貌的遙感識別標志進行系統(tǒng)性的總結(jié)與梳理， 以便更好地輔助活動斷裂的調(diào)查工作． 活動斷裂是晚第四紀以來有活動的斷層， 活動斷裂解譯的最基本原則為判定是否存在被斷錯的新地貌體或地貌面； 然而由于這種錯斷地貌的規(guī)模大小不一， 位錯量也存在很大差異， 再加上在中低分辨率影像中， 僅可宏觀地識別出斷層跡線， 因此， 需要借助高分辨率的衛(wèi)星影像或航片才能準確地解釋該斷錯地貌現(xiàn)象， 而鑒別線性構(gòu)造兩側(cè)是否存在被斷錯的新地貌體則成為活動斷裂解譯的關(guān)鍵(何宏林， 2011)．

1 工作流程

活動斷裂的遙感解譯工作分為數(shù)據(jù)獲取、 數(shù)據(jù)預處理、 數(shù)據(jù)處理、 活動斷層遙感解譯、 質(zhì)量檢查和成果編制等6個階段， 具體流程如圖1所示．

2 數(shù)據(jù)獲取要求

用于活動斷層解譯的數(shù)據(jù)包括遙感數(shù)據(jù)和輔助數(shù)據(jù)， 其獲取要求分述如下．

2.1 遙感數(shù)據(jù)獲取要求

為了獲取滿意的解譯效果， 遙感影像須滿足以下要求： ① 應(yīng)收集高、 中、 低不同分辨率的影像， 也可收集超高分辨率數(shù)據(jù)以獲得更精確的構(gòu)造、 地貌參數(shù)； ② 光學數(shù)據(jù)的云覆蓋率不宜超過10%； ③ 影像時相宜選擇春、 秋季節(jié)； ④ 對于城市及其周邊地區(qū)等人工改造較大地區(qū)， 宜收集早期遙感影像； ⑤ 平原區(qū)和盆地內(nèi)部等斷層隱伏地區(qū)宜收集雷達遙感影像； ⑥ 宜收集1級以上的遙感影像； ⑦ 衛(wèi)星數(shù)據(jù)經(jīng)過解壓縮和編碼處理后， 應(yīng)具有星歷數(shù)據(jù)和影像正射糾正所需的參數(shù)索引文件、 軌道參數(shù)、 傳感器參數(shù)等元數(shù)據(jù)．

不同精度遙感影像的適用范圍為： ① 低分辨率影像的空間分辨率低于20 m， 適用于活動斷層宏觀線性特征的遙感解譯； ② 中等分辨率影像的空間分辨率為20—2 m， 適用于地質(zhì)地貌單元的遙感解譯； ③ 高分辨率影像的空間分辨率優(yōu)于2 m， 適用于斷層錯斷地貌、 構(gòu)造精細結(jié)構(gòu)和微地貌的遙感解譯； ④ 超高分辨率影像的空間分辨率優(yōu)于0.3 m， 適用于典型斷層錯斷地貌、 構(gòu)造精細結(jié)構(gòu)和微地貌參數(shù)量測．

2.2 輔助數(shù)據(jù)要求

輔助數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、 數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)和地質(zhì)數(shù)據(jù)等， 通?？梢允占矶?， 也可通過商業(yè)途徑獲取． 高分辨率影像的正射校正所需DEM的空間分辨率須優(yōu)于30 m， 地理數(shù)據(jù)的比例尺不得低于出圖比例尺．

3 數(shù)據(jù)處理

3.1 光學影像處理

表1給出了遙感解譯波段的探測特征， 可以看出， 針對不同的調(diào)查目標， 需選取不同波段的數(shù)據(jù)． 具體而言， 裸露斷層宜選擇3， 4波段； 隱伏斷層宜選擇5波段； 植被覆蓋區(qū)宜選擇2， 4波段； 水體覆蓋區(qū)宜選擇1， 2， 4波段； 地層宜選擇6波段． 光學影像處理即基于這些地物特征， 通過數(shù)學運算， 增強所感興趣的地物信息， 也可以采用波譜增強和空間增強的手段進行數(shù)據(jù)處理(張景發(fā)等， 2004)．

表1 遙感解譯各波段所探測的地物特征

1) 波譜增強. 主要是通過處理以增強人的視覺對地物差異的可辨別程度， 包括彩色變換、 波段運算、 多光譜增強和對比度增強等方式．

彩色變換包括真彩色合成和假彩色變換． 真彩色合成是直接利用多光譜影像的紅、 綠、 藍通道合成， 用于高分辨率影像； 利用其它波段加權(quán)處理， 重新生成紅、 綠、 藍波段， 用于增強某種地物的顏色層次， 如植被、 水體等； 利用其它波段信息重新生成某一缺少波段的信息. 假彩色變換則是指選取不同波段進行假彩色合成．

波段運算包括差值運算和比值運算． 差值運算是指對于同一時相不同波段的兩幅影像， 將其對應(yīng)像元的亮度值相減， 以反映同一地物光譜反射率之間的差異； 為突出邊緣信息， 可將兩幅圖像的行、 列各移一位， 再與原圖像相減， 能夠起到幾何增強的作用． 比值運算則是指對于同一時相不同波段的兩幅影像， 將其對應(yīng)像元的亮度值相除(被除圖像不宜出現(xiàn)0值)， 可檢測波段的斜率信息并加以擴展， 以突出不同波段間地物光譜的差異， 提高對比度， 突出影像中植被特征、 土壤富水性差異、 微地貌變化， 對與隱伏活動斷裂信息相關(guān)的線性特征有不同程度的增強效果．

多光譜增強是針對多光譜和高光譜數(shù)據(jù)， 采用主成分變換和纓帽變換， 以突出不同巖性、 不同植被所造成的光譜差異， 間接地解譯活動斷裂．

對比度增強是指選用線性變換、 分段線性拉伸、 非線性變換(指數(shù)變換、 對數(shù)變換、 直方圖拉伸、 直方圖均衡化)來改變圖像亮度和對比度， 以突出線狀、 面狀結(jié)構(gòu)信息．

2) 空間增強. 指通過處理以提高人眼識別地物最小尺寸的能力． 可選用的空間增強方法有平滑、 銳化和濾波． 平滑是指采用中值濾波、 均值濾波方式進行平滑， 去除圖像噪聲， 保留圖像宏觀的線狀、 面狀結(jié)構(gòu)特征； 銳化是指采用定向檢測等算法， 突出圖像邊緣、 線性目標或某些亮度變化率較大的部分， 識別斷層陡坎、 溝谷等線性構(gòu)造特征； 濾波包括低通濾波、 高通濾波、 定向濾波等， 其中低通濾波可抑制圖像細節(jié)， 突出宏觀結(jié)構(gòu)特征， 高通濾波可突出圖像細節(jié)， 增強微地貌細節(jié)特征， 定向濾波可突出某一方向的地貌或構(gòu)造信息．

3.2 雷達影像處理

雷達影像具有穿透淺層地物的能力， 處理方法主要有以下幾種:

1) 濾波. 可采用的濾波方法有斑點濾波和定向濾波． 斑點濾波法是對雷達圖像進行平滑處理， 以去除斑點噪聲， 改善視覺效果， 提高解譯效率; 定向濾波法則是根據(jù)構(gòu)造主體的延伸方向， 確定濾波方向角， 以增強該方向的信息， 壓抑其它方向的信息．

2) 紋理分析. 指通過共生特征和變異系數(shù)來進行紋理分析． 共生特征包括統(tǒng)計雷達影像的二階陣、 反差、 熵、 逆差矩、 自相關(guān)、 差異性、 最大可能性、 均值、 方差、 叢生蔭、 叢生突等信息量(王慧敏， 李艷， 2011)， 從不同角度反映影像的灰度分布、 信息量及紋理粗細度， 突出紋理特征信息， 進行假彩色合成． 變異系數(shù)是指對標準差和平均數(shù)作除法運算， 得到標準差系數(shù)， 通過其來刻畫某一地物分辨信息的能力． 變異系數(shù)大， 分辨信息的能力強， 代表某一地物在整幅影像中灰度分布的變異性大； 變異系數(shù)小， 分辨信息的能力弱， 代表某一地物在整幅影像中灰度分布的變異性?。?此種處理可以簡化成果， 有效地突出紋理信息， 增強視覺效果．

3) 邊緣提取. 包括均值比率(ratio of averages， 簡寫為RoA)算法， Sobel算法和Canny算法等3種邊緣提取方法． RoA算法是指在考慮雷達影像局部統(tǒng)計特性的情況下， 利用滑動窗口有效地抑制相干斑噪聲并進行邊緣檢測， 實現(xiàn)較高檢測概率的雷達影像構(gòu)造邊緣信息的提??； Sobel算法是將方向差分運算與局部加權(quán)平均相結(jié)合， 查找圖像灰度的躍變位置， 突出構(gòu)造線性特征， 識別斷層陡坎、 溝谷等線性構(gòu)造； Canny算法則是基于Canny算子， 采用二維高斯函數(shù)的一階導數(shù)對圖像進行低通濾波， 從而實現(xiàn)信噪比高的邊緣檢測， 在噪聲抑制與邊緣檢測之間取得較好的平衡(季虎等， 2004)， 可用于面狀構(gòu)造信息的邊緣提?。?/p>

4) 假彩色合成. 對不同波段的雷達影像進行假彩色合成， 突出植被、 巖性以及含水性差異等弱異常信息， 用于假彩色合成的雷達圖像須精確配準， 配準精度不低于一個像元， 圖像應(yīng)完全重合．

5) 多極化分解. 主要有Pauli分解和Cameron分解． Pauli分解是一種多極化雷達影像相干目標分解模型， 選擇Pauli基作為基本散射矩陣實現(xiàn)多極化數(shù)據(jù)的分解， 并利用分解系數(shù)合成新的彩色圖像， 突出新的構(gòu)造信息， 其形式簡單， 但卻不能完整描述目標的散射特性(張軍等， 2015)； Cameron分解則是將任意目標的散射矩陣分解為非互易分量、 最大對稱散射分量以及最小對稱散射分量等3部分的相干和， 實現(xiàn)多極化雷達影像分解， 主要用于檢測自然構(gòu)造目標和人工目標．

3.3 影像融合

影像融合主要采用光學影像與光學影像融合、 光學影像與雷達影像融合、 雷達影像與雷達影像融合等3種方式． 融合方法主要有： ① HSV (hue-saturation-value)變換法. 該方法能改善紋理， 空間保持較好， 但光譜信息損失較大， 受波段限制； ② 超分辨率貝葉斯(pan sharpening)法. 該方法適合于高空間分辨率的影像， 能較好地保持影像的紋理和光譜信息； ③ 色彩標準化變換融合(Brovey)法. 該方法的光譜信息保持較好， 受波段限制； ④ 主成分融合(PC spectral sharpening)法. 該方法無波段限制， 光譜保持好， 第一主成分信息高度集中， 色調(diào)變化較大； ⑤ 標準化彩色變換融合(color normalized spectral sharpening)法. 該方法對大尺度地貌類型的影像融合效果好， 同時可用于多光譜與高光譜的融合； ⑥ GS光譜銳化融合(Gram-Schmidt spectral sharpening)法. 該方法也無波段限制， 保持原有影像的光譜信息， 圖像保真效果較好， 邊緣信息清晰， 圖像對比度高．

4 活動斷裂遙感解譯方法、 解譯要素和測量參數(shù)

遙感影像、 解譯對象和應(yīng)用范圍等的具體內(nèi)容列于表2， 下面將對其逐一介紹．

表2 遙感影像分類、 解譯要素及應(yīng)用范圍

4.1 解譯方法

解譯方法主要有3種： ① 直接判定法.對遙感影像中諸如線性陡坎、 拉分盆地、 沖(洪)積扇等大尺度構(gòu)造、 地貌現(xiàn)象等的直接解譯判定； ② 延伸追蹤法.根據(jù)遙感影像特征之間的聯(lián)系， 由宏觀信息向局部信息追蹤， 從外圍特征向中心目標延伸， 由清晰特征向模糊信息推斷； ③ 相關(guān)分析法.利用遙感影像的色調(diào)、 色彩、 紋理和結(jié)構(gòu)特征異常推斷活動斷裂等信息．

4.2 高分辨率影像解譯要素

使用高分辨率影像詳細地解譯地質(zhì)地貌和構(gòu)造地貌要素， 用于編制圖件產(chǎn)品和報告． 具體識別信息要素列于表3．

表3 各類各級識別要素

4.3 影像特征

活動斷裂和構(gòu)造微地貌解譯要素的遙感影像特征表現(xiàn)為： ① 影像中連續(xù)狀或斷續(xù)狀延伸的線性紋理特征以及具有相似屬性的面狀紋理特征， 如線性陡坎、 地震地表破裂帶等； ② 影像中地貌紋理特征的錯斷或中斷現(xiàn)象， 如地層、 地貌要素的突然斷錯或不連續(xù)， 以及斷錯山脊、 斷錯階地、 斷錯沖溝； ③ 影像中存在線性排列的鼓包、 擠壓脊、 斷塞塘、 拉分盆地、 三角面或斷層陡坎等微地貌； ④ 水系、 沖溝的突然中斷、 直角彎曲、 同步扭動、 拐彎等水系異常標志， 以及線性水體邊界， 如斷頭溝、 斷尾溝、 沖溝等的同步位錯； ⑤ 河流和沖溝的一側(cè)或兩側(cè)具有一定寬度近平行延伸的階梯狀連續(xù)或斷續(xù)臺階平面， 如河流階地； ⑥ 河流、 沖溝出山口處形成的扇形、 弧形面狀結(jié)構(gòu)特征， 如沖洪積扇； ⑦ 影像中匯水區(qū)域(如盆地、 坳陷或洼地)和沖溝、 河流向四周發(fā)散的源頭區(qū)域(如隆起、 凸起)； ⑧ 有規(guī)則排列的峽谷、 湖盆、 沼澤等負地形和地下水溢出點； ⑨ 影像中呈雁行斜列式或羽狀分布的帶狀地表裂隙； ⑩ DEM所揭示的地形異常標志(如地形坡度的陡變、 不連續(xù)帶)和線性平直分界(如斷層陡坎、 斷層崖、 斷層三角面)； ○11 影像中的色調(diào)異常標志， 如植被、 巖性等地物波譜異常差異所造成的線性分界．

4.4 參數(shù)測量

影像參數(shù)測量主要是指測量地物平面空間的相對關(guān)系， 與影像空間分辨率有關(guān)； DEM參數(shù)測量主要指測量地物三維空間的相對關(guān)系． 基于影像和DEM測量的參數(shù)有： ① 地震地表破裂帶的長度、 走向， 斷層陡坎等斷錯地貌體的長度、 走向， 構(gòu)造地貌面的軸長、 軸向、 面積， 線狀地貌體的水平位錯量， 活動斷裂的累計位錯量， 可分辨的單次地震事件的位錯量等； ② 斷層產(chǎn)狀、 地層產(chǎn)狀、 陡坎高度、 斷層傾滑位移量、 地貌面高度、 地貌面垂向位錯量、 沖溝垂向位錯量、 跌水高度等； ③ 宜提取水系、 沖溝制作河床縱剖面， 計算流域面積-高程積分、 河床縱比降、 凹凸度、 傾斜度等參數(shù)．

5 活動斷裂斷錯地貌遙感特征分析

判斷活動斷裂是否存在， 通常是根據(jù)斷層錯斷的地形地貌特征(如斷錯沖溝、 斷錯洪積扇)， 也可以根據(jù)活動斷層對地表地貌的控制改造作用(如斷層控制水體、 湖泊或火山口的分布)． 活動斷層除對地形地貌產(chǎn)生影響外， 沿活動斷裂地表出露的跡線還可以形成一系列派生構(gòu)造要素， 如拉分盆地、 斷塞塘、 雁行斜列式破裂等． 斷層斷錯地貌面、 斷錯沖溝等特征， 可以用來確定斷層滑動的方向以及垂向、 水平向的位移規(guī)模．

斷層活動除造成沖溝水系的同步位錯， 還容易造成沖溝水系的完全錯斷， 使得上游沖溝失去下游或下游沖溝失去上游源頭， 形成斷尾河或斷頭溝(圖2)． 當斷層斷錯山脊后，

圖2 阿爾金斷裂帶斷層斷錯形成的斷尾河(a)與喀喇昆侖斷裂帶的斷頭溝(b)

圖3 康西瓦斷裂帶左旋剪切斷錯山脊形成的閘門脊

圖4 阿爾金斷裂帶活動斷裂斷錯冰磧物

被錯斷的山脊阻擋了上游沖溝而容易形成閘門脊現(xiàn)象(圖3)． 在冰川地貌發(fā)育地區(qū)， 斷層活動容易錯斷側(cè)磧物， 形成斷錯冰川地貌(圖4)． 活動斷裂長期強烈的正斷作用， 可以形成清晰的線性斷層三角面、 斷層崖和斷層陡坎．

6 基于資源三號測繪衛(wèi)星(ZY3)數(shù)據(jù)定量研究活動構(gòu)造

6.1 ZY3數(shù)據(jù)處理

ZY3是中國首顆民用高分辨率三線陣立體測繪衛(wèi)星， 可應(yīng)用于基礎(chǔ)地理信息產(chǎn)品的生產(chǎn)， 為防災減災、 生態(tài)環(huán)境等領(lǐng)域提供服務(wù)(高衛(wèi)軍等， 2012)． ZY3發(fā)射成功后， 數(shù)據(jù)在第一時間分發(fā)至中國地震局地殼應(yīng)力研究所， 對內(nèi)蒙古大青山山前斷裂測試區(qū)實現(xiàn)了活動斷層信息提取(宿淵源等， 2015)． 本文將應(yīng)用國產(chǎn)ZY3生產(chǎn)的高分辨率遙感數(shù)據(jù)， 參考相關(guān)地質(zhì)資料， 以大青山山前斷裂呼和浩特段為試驗區(qū)， 對其斷裂地貌特征進行遙感數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析， 進而對微地貌加以研究．

大青山山前活動斷裂為一條典型的張性正斷裂(冉勇康等， 2002； 唐新明， 謝俊峰， 2013)， 西起包頭市黃河以南， 東至呼和浩特市以東， 長約240 km， 總體呈線狀展布， 沿ENE向延伸， 控制著大青山隆起和呼包斷陷盆地的形成和發(fā)展． 該斷裂形成于始新世， 新生代活動強烈．

圖5 大青山山前活動斷裂呼和浩特段的地形高程模擬圖Fig.5 The terrain simulation for Hohhot seg-ment of Daqingshan piedmont active faults

本文所使用的ZY3數(shù)據(jù)為2012年2月17日獲取的1C級數(shù)據(jù)， 采用基于WGS84 (Word Geodetic System 1984)橢球的通用橫軸墨卡托(Universal Transverse Mercator， 簡寫為UTM)投影， 共有前后視影像各一景、 正視影像一景、 多光譜影像一景， 沒有云、 雪等覆蓋， 數(shù)據(jù)紋理和幾何結(jié)構(gòu)清晰． 對多光譜影像和前、 后、 正視影像進行輻射校正、 幾何精校正后， 數(shù)據(jù)精度優(yōu)于1個像素； 對多光譜影像進行色彩拉伸、 影像增強等處理， 增加其可視性． 本次試驗采用的立體像對覆蓋了整個試驗區(qū)， 重疊度接近100%． 基于地面控制點和連接點， 進行DEM提取， 生成以衛(wèi)星地勢面為基準的分辨率為5 m的ZY-DEM數(shù)據(jù)， 如圖5所示．

由于地表坡度能夠?qū)Φ孛渤梢蚝偷孛舶l(fā)育階段有指示作用， 對研究新構(gòu)造有重要意義， 因此本文基于ZY-DEM數(shù)據(jù)， 采用三階反距離法生成坡度圖(圖6)， 然后利用地理信息系統(tǒng)(geographic information system， 簡寫為GIS)空間統(tǒng)計分析方法對大青山山前斷裂呼和浩特段的區(qū)域構(gòu)造活動予以分析．

由圖6可以看出： 斷裂兩側(cè)的地表坡度存在明顯差異， 高程較小的區(qū)域如山前盆地， 其地表坡度較小， 高程較大的山地區(qū)域所對應(yīng)的地表坡度較大； 坡度變化明顯的區(qū)域， 其高程變化亦劇烈， 表明這些區(qū)域因受斷層的控制構(gòu)造活動較為強烈． 結(jié)合相關(guān)地質(zhì)資料

圖6 坡度分類圖Fig.6 Classification of slopes

(馬保起等， 1999)分析大青山呼和浩特段的高程及坡度變化特點， 結(jié)果顯示： 由于受大青山山前斷裂的強烈控制， 該區(qū)域的山體未呈簡單的大面積拱起， 而是呈現(xiàn)間歇性抬升； 遭受剝蝕作用， 形成了大量的夷平面、 剝蝕山地等地貌； 在晚更新世， 山前構(gòu)造活動強烈， 形成了山前臺地和斷崖， 對現(xiàn)今的地貌形成具有重要意義．

6.2 ZY3構(gòu)造地貌遙感分析

大青山山前斷裂的北盤為高聳的大青山山體， 南盤為平坦廣闊的呼包盆地東部， 廣為全新統(tǒng)沖洪積物覆蓋， 兩盤的構(gòu)造地貌差異明顯， 該斷層大致控制著山地與平原的邊界．

大青山山前活動斷裂不僅在DEM數(shù)據(jù)和彩色影像上呈線性特征， 還對周圍的地貌產(chǎn)生強烈的控制作用(陳桂華等， 2006； 付碧宏等， 2008)．

圖7 呼和浩特段附近斷裂的三維效果顯示． 圖中紅色箭頭為斷裂陡坎， 呈線性分布

圖8 呼和浩特段附近微地貌分布圖 Fig.8 Micro-topography near Hohhot segment

沿活動構(gòu)造發(fā)育有斷層三角面、 陡坎等地貌， 同時， 該斷裂控制了河流， 改變了河流流向， 影響著階地發(fā)育， 因此造成了不同的局部微地貌特征， 這些特征在遙感影像上得以清晰的表征．

利用ZY-DEM構(gòu)造三維場景(圖7)， 并賦以多光譜彩色影像的色彩和紋理特征， 可以看到斷裂清晰的線性分布特征， 如圖7中紅色箭頭所示．

圖8給出了結(jié)合全色影像和多光譜影像進一步分析所得的呼和浩特段的微地貌特征． 可以看出： 該斷裂山前發(fā)育有大量斷層三角面(圖9a)， 山前斷層三角面高度角南傾， 并具有張性特征； 斷層陡坎廣泛分布(圖9b)， 經(jīng)野外考察證實， 該陡坎高達4.78 m； 大青山山前斷裂呼和浩特段在晚更新世以來活動較弱， 山間發(fā)育的河流普遍具有二級階地(圖9c， d)； 水系對山前斷裂活動極為敏感， 山前水系有明顯的左旋特征(圖9e)， 表明斷層具有左行水平滑移運動， 這種滑移導致大青山山前水系不是直接向南流動， 而是轉(zhuǎn)向西流入黃河(劉群， 2012)．

圖9 斷層三角面(a)、 陡坎(b)、 河流階地(c, d)及河流轉(zhuǎn)向(e)地貌

7 討論與結(jié)論

對活動斷裂開展深入的研究， 確定其在地表的出露位置、 分布形態(tài)與幾何結(jié)構(gòu)， 并判斷其活動習性與變形方式， 對地震研究具有非常重要的意義． 本文總結(jié)分析了高分辨率遙感技術(shù)應(yīng)用于活動斷裂調(diào)查研究中的主要應(yīng)用現(xiàn)狀和目前存在的問題， 歸納了各類遙感數(shù)據(jù)的處理方法， 并利用豐富的高分辨率影像， 確定了不同類型活動斷裂的解譯標志及其識別方法． 此外， 還利用ZY3衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)判讀了大青山活動斷裂的幾何特征和活動特性． 隨著遙感數(shù)據(jù)資源不斷增加， 遙感圖像的空間分辨率和波譜分辨率不斷提高， 圖像處理技術(shù)不斷成熟， 關(guān)于活動斷裂定量參數(shù)的分析將會更為深入． 活動斷裂的波譜分析、 構(gòu)造地貌的精細定量分析將是未來活動斷裂遙感研究的前沿方向．

需要說明的是， 遙感數(shù)據(jù)的空間分辨率和波譜分辨率并不是越高越好， 空間分辨率過高， 會增加運算的時耗和存儲成本， 因此宜根據(jù)工作需要選擇合適的遙感數(shù)據(jù)； 根據(jù)工作地區(qū)的地物特點， 選擇恰當?shù)奶幚矸椒ǎ?有時復雜的處理算法會導致信息冗余， 引入無用的復雜信息. 經(jīng)驗表明， 使用多源地學信息， 能夠使地質(zhì)解釋更客觀； 加強遙感解譯成果的檢查與驗證， 將會避免錯誤， 積累經(jīng)驗． 因此， 在享用空間信息資源帶來便利的同時， 更需要思考如何發(fā)展和深化活動斷裂本身的研究， 期望豐富的遙感信息資源帶給活動斷層研究長足的發(fā)展．

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High resolution remote sensing application research in active fault surveying

(InstituteofCrustalDynamics，ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100085，China)

This paper analyzes systematically the technology status-quo and work flow of high resolution remote sensing in application of the active fault investigation， combing with the various of remote sensing data requirements， applicable conditions and processing methods， and summarizes the interpretation method， interpretation elements and measurement parameters of remote sensing for active faults. Furthermore， some typical features of faulted geomorphologies are analyzed， and the corresponding remote sensing characteristics are described. Taking the Daqingshan as a test， the geometric features and activity characteristics of the active faults in the area are interpreted by using the stereoscopic image and image of ZY3， meeting the needs of quantitative research on the active structure. The results suggest that the old remote sensing image should be collected in the surfaces deeply changed by city development， and the spectral differences in different bands can be adopted to enhance the information of buried faults， meanwhile, the spatial enhancement methods can be used to identify fault scarp. Multi-polarization radar data decomposition is an effective method for the detection of buried structure features， and tracking from the macro information to the local information is also an effective way to make active faults interpretation. The combination of remote sensing images with DEM will improve the measurement precise of active fault parameters. The results provide reference for the large-scale and quantitative investigation of active faults， and for the researchers to grasp the relevant technology of remote sensing application as soon as possible.

active fault; high resolution remote sensing; image feature; interpretation element

中國地震局項目“高分辨率遙感活動構(gòu)造調(diào)查工作規(guī)范”資助.

2016-03-10收到初稿， 2016-04-18決定采用修改稿.

e-mail: zhangjingfa@hotmail.com

10.11939/jass.2016.03.006

P315.2

A

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