葉夢旎，張緒教，葉培盛，傅連珍，吳澤群，賈麗云，何祥麗

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083; 2.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081)

SPOT-6與無人機航測技術在第四紀地質及活動構造填圖中的應用
——以內蒙古1∶50000呼勒斯太蘇木等四幅填圖試點為例

葉夢旎1，2，張緒教1，葉培盛2，傅連珍1，2，吳澤群1，2，賈麗云2，何祥麗1

(1.中國地質大學(北京)地球科學與資源學院，北京 100083; 2.中國地質科學院地質力學研究所，北京 100081)

選擇SPOT-6數據，對內蒙古呼勒斯太蘇木等四幅圖的SPOT-6遙感影像進行正射校正、配準及信息的數字增強處理后，根據不同地質體影像特征、野外實地調查，初步建立了填圖區(qū)第四紀地層及新構造活動的解譯標志，并結合野外地質調查，對研究區(qū)沉積物的成因類型和分布范圍、地貌特征及分區(qū)、活動構造運動等進行了調查驗證;利用2015年飛行的無人機航測數據，對區(qū)內新構造、活動構造進行了識別及活動性質的初步判斷。研究結果表明，高精度遙感技術及無人機技術在平原區(qū)第四紀地質填圖中具有獨特優(yōu)勢，有助于快速識別第四紀沉積成因類型與相對時序及準確厘定區(qū)域主要活動斷裂空間位置與活動特征，從而有效提升填圖工作效率，并彌補地表調查的局限。

SPOT-6;無人機;遙感;第四紀地質;活動構造;河套盆地;五原縣

0 引言

河套平原覆蓋區(qū)地表基本為晚更新世(Q p3)以來的沉積物所覆蓋，如何開展平原區(qū)的第四紀地質填圖、填圖的內容以及成果的表達等一直是個難題。本文的試點填圖研究區(qū)地處河套盆地腹地，鄂爾多斯臺地北側，色爾騰山南緣。前人針對研究區(qū)基巖、礦產、活動構造等做過一系列地質調查及遙感研究工作。中國地震局于20世紀90年代對大青山、狼山—色爾騰山山前活動斷裂帶開展過1∶50000填圖，初步查明了區(qū)內活動斷裂的幾何學、運動學特征及古地震復發(fā)周期。填圖試點工作中遙感地質調查至關重要。遙感技術具有宏觀性，能夠更為直觀地反映地表覆蓋沉積物類型［1～7］。2013年長安大學在“內蒙古自治區(qū)阿拉善盟拐子湖等三幅1∶50000礦產地質調查”項目中，使用SPOT高分辨率全色波段影像與ETM多波段融合影像提取了礦化蝕變信息，圈定蝕變范圍，結果證明解譯出的地質界限與實際地質體界限吻合較好，說明SPOT數據對于解譯不同地質地貌單元有很好的效果［8］。近年來無人機航空攝影測量及其影像處理技術在高山峽谷區(qū)(青藏高原)的應用有了長足的進步［9］，但是利用無人機低空攝影測量技術對河套盆地平原區(qū)、山麓過渡帶新構造與活動斷裂精細解譯工作還未涉及。

本文對高分辨率SPOT-6遙感影像的數據區(qū)分出不同成因類型的地貌單元，并且劃分出不同時期形成的山前沖洪積扇和河流沖積物;利用無人機航測的DEM數據對區(qū)內的細微地貌進行遙感解譯，對研究區(qū)北部山前過渡帶河流階地進行解譯，宏觀掌握河流階地的展布和延伸方向等形態(tài)特征及屬性，確定河流階地的級序;同時對山前活動構造帶的幾何學、運動學特征進行分析研判，尋找斷裂的垂直差異運動與水平錯動的證據。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內蒙古自治區(qū)臨河縣東部邊界，與五原縣接壤，處于東經107°45'—108°00'、北緯40°40'—41°20'之間;屬典型的大陸性氣候，冬季受西伯利亞氣流影響，寒冷而漫長，夏季炎熱、短促。受陰山山脈影響，研究區(qū)南北氣候存在一定差異，北部較冷，南部較溫暖。

圖1 研究區(qū)構造和地貌圖Fig.1 Themap showing landforms and tectonics of the study area

研究區(qū)北部為陰山山脈西段色爾騰山南緣，山體呈近東西走向(見圖1)，位于巴彥淖爾盟烏拉特前旗東北部和烏拉特中旗東南部，是內蒙古高原的邊緣山嶺，海拔1300～1800 m。山間有河流與泉水，較大的河有石哈河、摩楞河，為小余太川農牧林業(yè)發(fā)展提供了水源。多為中山和低山丘陵。研究區(qū)中部為廣闊的河套平原，為沖積平原，平均海拔1026～1072 m，在陰山山脈以南、黃河以北，地勢平坦，居民房屋及耕地多分布于平原上。黃河從研究區(qū)南部穿過，河道蜿蜒曲折，呈現曲流河特征，并且河道附近平原上牛軛湖發(fā)育，為黃河截彎取直改道所致。黃河以南為庫布齊沙漠北緣，被風成沙覆蓋，水系不發(fā)育。

2 數據選擇及圖像處理

2.1 數據選擇

在此次區(qū)域地質調查工作中，以解決地質問題和最佳性價比為原則，選取了兩種數據，分別為SPOT-6數據和無人機航拍的高分辨率數據。對整個研究區(qū)使用中高分辨率SPOT-6數據(見表1)，而對于難以解譯的地質體如河流階地、活動斷裂等重點調查區(qū)域，則使用無人機航拍高分辨率數據。無人機飛行平臺選擇四旋翼無人機，由機體、操縱系統(tǒng)、動力系統(tǒng)3部分組成。傳感器以保證航攝質量為前提，本次航攝所用相機選擇SONY ILCE-QX1。

表1 SPOT-6傳感器波段特征Table 1 Band features of the SPOT-6 remote sensor

2.2 圖像處理

2.2.1 SPOT-6圖像預處理

為了消除SPOT-6遙感圖像中由大氣散射引起的輻射誤差，對遙感數據進行了大氣校正;對大氣校正后的數據進行鑲嵌并裁剪得到研究區(qū)范圍的遙感影像數據。為消除因地形起伏和傳感器誤差而引起的像點位移，對圖像進一步進行正射校正，根據DEM糾正影像，為圖像加上高程信息。

2.2.2 SPOT-6圖像增強

測區(qū)內遙感數字圖像的目視效果較差，對比度不夠，色彩飽和度較低。為了突出圖像中目標信息，區(qū)分不同地物特征，擴大不同圖像亮值間差別，使信息得到補償，層次豐富，最終獲得影像特征明顯的圖像，對研究區(qū)影像進行了圖像增強處理，包括彩色合成(RGB= 4，3，2)［10］，主成分變換，高斯平滑，裁剪拉伸。

SPOT-6遙感圖像雖然精度高，但是色彩飽和度不高。為了尋找不同地質體之間的巖性分界線，對SPOT-6遙感影像先進行了主成分變換，再通過RGB彩色合成(RGB=4，3，2)使SPOT-6遙感影像的色彩飽和度增大并進行了均衡化處理。直方圖均衡化在一定程度上改善了圖像的對比度差和灰度動態(tài)范圍(見圖2)，增強了圖像的可讀性，提高了地物的可分性，有利于進行遙感圖像的目視解譯。

圖2 呼勒斯太蘇木北部SPOT-6遙感增強圖像(RGB=4，3，2)Fig.2 Enhanced SPOT-6 remote sensing image of North Hulesitai town

進行了RGB彩色合成(RGB=1，2，3)，得到假彩色合成圖像。又對其進行了2%裁剪拉伸，使其對比度加強。最后對初步增強圖像進行主成分變換。進行過遙感增強的圖像，黃河河床與河漫灘對比度增大，不同期次河流沖積物色調差異明顯，界線截然(見圖3)，為目視解譯河床與河漫灘提供了便利。

圖3 黃河河道遙感增強圖像(RGB=1，2，3)Fig.3 Enhanced remote sensing image of Yellow River channel

2.2.3 無人機航測數據處理

通過無人機低空攝影獲取測區(qū)數碼影像，外業(yè)采用GPS測量少量像片控制點，內業(yè)通過采用密集匹配方法自動構建空中三角測量網，然后通過光束法平差實現快速無人機影像的解算，最后生成大比例尺高精度DEM。

3 第四紀沉積物的遙感解譯

研究區(qū)第四系主要屬于內蒙古南部地層區(qū)河套盆地地層分區(qū)和鄂爾多斯地層分區(qū)，沉積厚度以河套盆地為最大。河套盆地更新統(tǒng)除在山麓階地陡坎有零星出露外，大部分深埋于地下。研究區(qū)除北部基巖外，絕大部分被第四紀松散沉積物覆蓋，廣泛分布于山前沖溝、平原河流、湖盆周圍及沙漠地區(qū)［11～12］。區(qū)內第四紀松散堆積形態(tài)多樣，渾圓狀、不規(guī)則狀、條帶狀、平臺都有;地貌類型豐富，河谷地帶為階地、條帶狀地貌、扇體，沙漠發(fā)育新月形沙丘鏈、縱向沙壟等。SPOT-6真彩色遙感影像色調從褐紅色、棕黃色、黃色到灰黑色，紋形多變，斑點狀、碎塊狀影紋，粗糙到光滑，帶狀階地地貌、扇體、辮狀水系發(fā)育。

研究區(qū)第四系按成因類型主要分為上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組(Qp3s)、全新統(tǒng)沖洪積(Qhal－pl)、沖湖積(Qhl+al)、沼澤及湖泊沉積(Qhl+h)、沖積(Qhal)、風成沙丘(Qheol)等。上更新統(tǒng)出露于色爾騰山山前和山間河谷，而在盆地內廣伏于全新統(tǒng)之下。全新統(tǒng)(Qh)有洪積、沖積、湖積、風積等松散堆積物，洪積沖積層呈帶狀斷續(xù)分布于山前，構成洪積扇群，沼澤及湖泊沉積于平原區(qū)，風積零星分布于平原、大范圍發(fā)育在測區(qū)南部的庫布齊沙漠。山前地區(qū)的主要填圖單元有沖積物、湖積物和洪積物。沖積物主要分布在規(guī)模較大的溝谷，洪積物主要分布在規(guī)模相對較小的沖溝，湖積物主要分布在山前兩級臺地。從時代來看，測區(qū)內第四系主要為上更新統(tǒng)(Qp3)、全新統(tǒng)(Qh)(見圖4)。

圖4 呼勒斯太地區(qū)第四系成因類型解譯地質圖及分布圖Fig.4 Types and distributions of Quaternary sediments in Hulesitai town

根據增強處理后的遙感影像，并在野外地質調查的基礎上，識別出區(qū)內不同地質體的不同影紋特征，最后建立第四紀沉積物的遙感解譯標志(見表2)。

表2 第四紀沉積物成因類型-填圖單位遙感解譯標志Table 2 Remote sensing interpretation of Quaternary sediments

4 古河道的遙感解譯

4.1 古河道遙感解譯標志

遙感解譯就是利用不同地質體遙感圖像色調和形態(tài)的不同來判譯地質體的屬性。本文通過對SPOT-6真彩色遙感影像的目視判讀，再結合研究區(qū)歷史地理資料、野外GPS調查資料，確立區(qū)內古河道的判譯標志如下:

①形狀特征:古河道在圖像上反映的形狀與其自身形狀一致，為蜿蜒曲折的線狀特征。受后期人為活動影響，有的古河道呈現出居民點、耕地沿河道定向排列的蛇曲線狀分布特征。

②色調特征:古河道的間接判讀標志既有土壤標志也有植被標志，其原因是地下古河道的存在影響了其上地表土壤的某些物理特性和植被的長勢，造成與周圍土壤和植被輻射特征的差異。由于古河道后期經過河流沉積作用，被沉積物覆蓋，成為地下淺層淡水富集帶。古河道地區(qū)含水量高于周圍地區(qū)，土壤透水性好且混有有機質腐殖質使得古河道分布地區(qū)植被長勢較好［13］。遙感影像上地表植被已經返青，古河道的判讀應以植被標志為主，在SPOT432假彩色合成圖像上，古河道分布地區(qū)與正常地區(qū)相比，植被顏色呈深綠色。

4.2 監(jiān)督分類

依舊選取SPOT-6遙感影像作為古河道解譯的主要數據源，其具有高分辨率等特征，便于提取古河道及反映古河道遺存的串珠狀小型湖、泡、沼及微地貌結構等信息。軟件平臺使用的是Erdas Imagine 8.6、Envi4.0軟件。

本研究中采取了監(jiān)督分類的方法，針對SPOT-6(RGB=1，2，3)真彩色合成圖像(見圖5)，依據影像灰度、色調、紋理、形狀、大小等地物的各種特征進行目視解譯。將本區(qū)土地類型分為4大主要類型:鹽堿地、沙地、古河道殘留水體以及耕地(見圖6)。

圖5 塔爾湖地區(qū)SPOT-6遙感影像Fig.5 SPOT-6 remote sensing image in Taal Lake area

圖6 塔爾湖地區(qū)監(jiān)督分類圖Fig.6 Supervised classification image in Taal Lake area

通過監(jiān)督分類后的影像可以清晰看出古河道在地表的殘留水體為串珠狀分布的小湖泡，具有線狀分布特征，輔助SPOT-6數字增強的遙感影像可以較為準確地目視解譯出古河道的分布范圍(見圖7)。

圖7 塔爾湖地區(qū)現今殘留湖盆、古河道分布圖Fig.7 Distribution of residual lake basin and paleochannel in Taal Lake area

5 活動構造的遙感解譯

研究區(qū)正處在陰山東西向復雜構造帶南部和鄂爾多斯坳陷北部。伴隨著陰山的隆起，主要發(fā)育線性緊密褶皺，褶皺軸面東西向展布，由西向東轉為北東東向，東西向山前活動斷裂發(fā)育，長數十至數百千米。其中，呼包斷裂位于陰山山脈南緣，西起臨河、五原經包頭至呼和浩特，呈近東西向延伸，基底為太古代變質巖系，其上被巨厚的第四紀地層覆蓋，全新世時期構造活動強烈［14～18］。

5.1 河流階地的遙感解譯

河流階地包含豐富的構造運動和氣候變化信息，階地的發(fā)育年代、形成過程以及構造變形等一系列問題一直是新構造和古氣候研究的重要內容［19～20］。利用遙感圖像對研究區(qū)河流階地進行解譯(見圖8)，可以宏觀掌握河流階地的展布和延伸方向等形態(tài)特征及屬性，確定河流階地的級序，有助于區(qū)內新構造運動的地貌響應與山前活動斷裂性質、期次與活動強度的研究，同時可以提高野外工作的效率和精度［17］。

圖8 DEM影像顯示的河套盆地北緣山麓過渡帶的主要河谷分布Fig.8 DEM image showing the distribution of themain valley in the transition zone in Northern Hetao basin

測區(qū)山前發(fā)育4級河流階地，也是該區(qū)階段性強烈隆升的地貌證據［21］，同時，階地上的沉積物類型與特征，可反映該區(qū)氣候與環(huán)境變化。

5.1.1 河流階地解譯過程

河流地貌解譯流程(見圖9):①準備階段，通過收集流域資料，選擇衛(wèi)星遙感影像作為數據源，確立階地發(fā)育狀況較好的重點區(qū)域;②初步解譯與野外考察，任務是根據遙感影像，掌握解譯河流階地的總體發(fā)育特點，建立目視解譯標志，并在野外實測河谷橫剖面圖等;③室內詳細判讀，如發(fā)現不清楚的地方或有待于驗證的問題要及時記錄下來，留待補判階段解決;④野外驗證與補判，野外驗證的主要內容是檢驗河流階地的圖斑內容及界限是否正確;⑤將目視解譯成果轉繪與制圖［17］。

5.1.2 河流階地遙感影像特征

河流階地在高分辨率遙感影像上特征清晰。較老階地表面常遭破壞，年輕階地保留完好。階地是新構造運動的標志，解譯時應注意階地的級數、寬度、高度和同一階地的延伸長度。

在影像上，河流階地沿河流呈條帶狀展布，階面一般比較平整、連續(xù)，向河心或下游緩傾。階面與階坎間地形和色調有較明顯差異，階坎向陽時為比階面淺的條帶，背陽時階坎為比階面暗的條帶(見圖10)。此外，不同類型的階地可依據不同的影像特征區(qū)分(見表3)。

通過SPOT-6遙感影像并結合無人機航拍DEM(見圖11)，可以看出，測區(qū)山前發(fā)育4級河流階地，東、中、西部階地發(fā)育特征有較大差異:西部千里廟溝，由于地處低山丘陵地帶，呈下切河曲形式，發(fā)育的河流階地類型以侵蝕階地與基座階地為主，礫石層厚度3～10 m不等;中部的前達門溝、紅山口子、查干阿勒蓋塔拉發(fā)育在寬闊的山麓臺地內部，切穿臺地，并發(fā)育4級河流階地(見圖12)，以基座階地和堆積階地為主，礫石層厚度5～10 m不等，而且在T4下部，發(fā)現有湖相沉積層，查干敖勒蓋塔拉中上游發(fā)育有基座階地(見圖13);東部河谷中的河流階地由于發(fā)育在基巖山地中，階地類型以基座階地或侵蝕階地為主。

表3 不同階地遙感影像特征Table 3 Characteristics of remote sensing images in different types of terrace

圖10 查干敖勒蓋塔拉河谷遙感影像Fig.10 Remote sensing image of Chagan Aolegaitala Valley

圖11 查干敖勒蓋塔拉河谷河流階地無人機航拍DEMFig.11 The UAV aerial image of river terrace in Chagan Aolegaitala Valley

圖12 查干敖勒蓋塔拉河谷西側河流階地無人機航拍地貌高程剖面圖Fig.12 UAV aerial topographic elevation profile in the river terraces，western Chagan Aolegaitala Valley

圖13 查干敖勒蓋塔拉河谷橫剖面圖Fig.13 Cross sectional profile of Chagan Aolegaitala Valley

5.2 山前活動斷裂帶的遙感解譯

色爾騰山山前斷裂帶位于鄂爾多斯活動地塊北側，是河套盆地北緣最重要的控盆斷裂，晚新生代以來發(fā)生強烈的正斷層活動(見圖14a)，發(fā)育近東西向展布的活動斷裂構造地貌景觀［18］。

圖14 河套盆地北緣控盆斷裂幾何展布及錯段地貌特征Fig.14 Geometric distribution and dislocation landform characteristics of basin-controlling faults in northern Hetao Basin

遙感影像上斷裂帶地表出露清晰，斷裂北側為色爾騰山隆起，長約370 km，平均海拔1500～2200 m。斷裂帶附近褶皺構造較發(fā)育，地層以基巖為主，影像紋理粗糙，色調偏暗。斷裂南側是山前洪沖積傾斜臺地，海拔1000～2000 m，影像紋理較細膩，色調偏亮。遙感解譯出3—4期山前洪積扇的垂向疊加，反映色爾騰山3—4期構造抬升或氣候變化，在測區(qū)東部整齊排列的斷層三角面(見圖14b)，也反映色爾騰山垂直差異運動，并且溝口處水系發(fā)生水平同步偏轉且有錯段現象［22］(見圖14c)。山前沖洪積扇形態(tài)發(fā)生偏扭變形，扇形地的中軸線與斷裂斜交，表征了活動斷裂兼具平移錯動，而且其偏扭擺動方向準確反映了該斷裂為左旋剪切［6，15］。據地震及地質資料，沿斷裂帶發(fā)現歷史地震與古地震遺跡［18］。綜上所述，該斷裂帶影像特征明顯，具有強烈的垂直差異運動與水平錯動特征，并且沿斷裂帶有地震活動，表明其從第四紀晚期至現代均具有較強的活動性。

野外實地驗證中，在呼勒斯太蘇木北東1.5 km處發(fā)現了山前斷裂的直接證據(見圖15a)，在上盤的下降作用中，原本水平的全新世砂礫石層發(fā)生旋轉，向北傾斜，湖相層中發(fā)現主斷裂的次生小斷層(見圖15b)。

6 結論

在內蒙古呼勒斯太蘇木、塔爾湖鎮(zhèn)、復興城、吉爾嘎朗圖鄉(xiāng)幅1∶50000區(qū)域第四紀地質調查中，根據SPOT-6遙感數據在平原區(qū)第四紀地質填圖中具有的精度高、靈敏度高以及無人機快速高效的獨特優(yōu)勢，通過對SPOT-6遙感圖像的數字增強處理并解譯，無人機航測數據提取的DEM進行分析，對研究區(qū)的第四紀地質及新構造進行解譯;劃分測區(qū)內第四系成因類型，識別、篩分不同期次的山前沖洪積扇、黃河沖積物，圈定河套平原內古河道，建立了不同成因類型的第四系遙感解譯標志;通過遙感影像及DEM影像中水系、斷層三角面、沖洪積扇偏轉等方面的研究，對區(qū)域內活動構造性質及期次進行了研究，近東西向正斷層運動及其左旋走滑分量進行了解譯，從而提高野外工作效率及室內綜合分析研究的有效性，繼而提升野外填圖精度，豐富地質填圖的圖面信息。建立了在河套盆地開展不同數據源遙感研究的一套技術流程。此次研究不但較好地體現了遙感影像在平原區(qū)地質研究和地質填圖中應用的優(yōu)點，而且為河套平原新生代構造地貌演化研究奠定了基礎。

圖15 敖勒蓋圖北崩洪口子西邊探槽正斷層Fig.15 Normal fault in western trench of Benghongkouzi in northern Aolegaitu

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APPLICATION OF SPOT-6 AND THE UAV AERIAL TECHNOLOGY IN QUATERNARY GEOLOGY AND TECTONIC MAPPING:TAK ING THE 1∶50000 MAPPING PILOT OF THE HULESITAIAREA，INNER MONGOLIA AS AN EXAMPLE

YE Meng-ni1，2，ZHANG Xu-jiao1，YE Pei-sheng2，FU Lian-zhen1，2，WU Ze-qun1，2，JIA Li-yun2，HE Xiang-li1

(1.School of Earth Science andRecources，China University ofGeociences，Beijing 100083，China; 2.Institute of Geomechanics，China Academy of Geological Sciences，Beijing 100081，China)

Through choosing the SPOT-6 data，on the basis of pre-proceeding images of the Hulesitai area，Inner Mongolia，including Ortho-rectification，registration and sharpness，we initially established Quaternary strata and the neotectonic activity symbols for remote sensing interpretation of mapping area according to the image characteristics of different geological bodies and field investigation．Combined with field geological survey，we investigated and analyzed the origin and distribution of sediments，the geomorphological features and zoning，active tectonic movement etc．in the study area．And through the UAV aerial flight data in 2015，we identified the neotectonics，active tectonics and initially determine the activity characteristics．The study show that high precision of remote sensing technology and UAV technology in Quaternary geologicalmapping in plain area has unique advantages，which is contributed to the rapid identification of Quaternary sedimentary types and the relative timing，and determine precisely the spatial position of the main fracture and the activity characteristics in the area．It increases the efficiency ofmapping work and makes up for the limitations of surface survey．

SPOT-6;UAV;remote sensing;Quaternary geology;tectonic activity;Hetao Basin;Wuyuan

TP79

A

1006-6616(2016)02-0366-13

2015-12-01

中國地質調查局項目“內蒙古1∶50000呼勒斯太蘇木(K48E017024)、塔爾湖鎮(zhèn)(K48E018024)、復興城(K48E019024)吉爾嘎朗圖鄉(xiāng)幅(K48E020024)填圖試點”(12120114042101)

葉夢旎(1992-)，女，碩士研究生，專業(yè)方向第四紀地質與地理信息系統(tǒng)應用。E-mail:brownie418@ sina.com

張緒教(1964-)，男，博士，副教授，主要從事第四紀地質、新構造運動的教學及科研。E-mail:zhangxi @cugb.edu.cn