資源衛星三號DEM數據在活動構造定量研究中的應用評價

宿淵源，張景發，何仲太，姜文亮，蔣洪波，李 強

(中國地震局地殼應力研究所，北京 100085)

0 引言

資源三號測繪衛星(ZY－3)是我國首顆民用高分辨率三線陣立體測繪衛星，主要用于全國1∶5萬比例尺的基礎地理信息產品生產和1∶2.5萬及更大比例尺的地形圖修測與更新，同時為國土資源調查與監測、防災減災、農田水利、生態環境、城市規劃與建設、交通等領域的應用提供服務和保障。ZY－3搭載了1臺多光譜相機和1臺三線陣相機，多光譜相機在可見光至近紅外譜區有4個波段，空間分辨率為5.8 m;三線陣相機可以獲取3.6 m分辨率的前、后視全色影像和2.1 m分辨率的正視全色影像，可生成立體像對。在軌測試表明:單景ZY－3影像的有控制點平面精度優于3 m，高程精度優于2 m;無控制點平面精度優于25 m;滿足1∶5萬比例尺的立體測圖要求和1∶25萬比例尺的地圖修測與更新要求［1］。ZY－3發射成功后，迅速由衛星應用系統牽頭開展了在軌測試工作。中國地震局地殼應力研究所在第一時間分發到了ZY－3測試數據，對實驗區內蒙古大青山山前斷裂進行了活動斷層信息提取，完成了震害領域ZY－3數據的應用評價［2－4］。

ZY－3最大的優勢在于可通過立體成像獲得數字高程模型(digital elevation modal，DEM)。DEM是通過有限的地形高程數據實現對地形曲面的數字化擬合，或者說是地形表面形態的數字化表示［5］。應用遙感技術獲取大范圍DEM數據始于1986年SPOT衛星的成功發射，現在許多衛星傳感器如QuickBird，IKONOS，ALOS等都可以立體成像。遙感技術已成為提取DEM的重要技術手段［6］。

DEM在地質學與地貌學中的廣泛應用始于20世紀90年代末，地球科學逐漸與其他學科融合，提出了“數字地球”的概念。利用DEM并結合地質資料進行地貌與新構造研究，不但可以突破區域條件的限制，還可以節省大量的人力和物力。國內外學者在這一領域已經進行了不同程度的研究及應用，例如Hooper等［7］應用雷達干涉技術生成高分辨率DEM，研究了美國內達華州—加利福尼亞州的魚湖谷斷層崖地貌;張會平等［8］利用DEM對我國岷江斷裂帶的構造地貌進行了模擬與分析;陳正位等［9］利用DEM制作地形剖面，分析了亞東—谷露構造帶的第四紀活動構造習性;洪順英等［10］則利用SRTM DEM結合地質資料，對阿爾泰山的構造地貌特征進行了統計分析。上述研究所采用的數據多為國外衛星的中、低分辨率DEM。ZY－3的成功發射彌補了國產衛星在這一領域的數據空白，高分辨率的成像精度將極大地提高其在活動構造定量研究中的應用水平。基于此，本文應用國產ZY－3 DEM數據，對內蒙古大青山山前斷裂呼和浩特段的地貌特征進行了定量分析和微地貌研究。

1 實驗區概況與數據源

1.1 實驗區概況

實驗區為內蒙古大青山山前斷裂呼和浩特段。大青山山前活動斷裂位于鄂爾多斯斷塊的北緣，是河套活動斷裂系的主要斷裂之一，為典型的張性正斷裂。它西起流經包頭市的黃河以南，東至呼和浩特市東，長約240 km，總體沿NEE方向呈線狀展布，控制著大青山隆起和呼—包斷陷盆地的形成和發展。大青山山前斷裂自晚更新世以來的活動在空間上分布不均勻，依據斷裂幾何學、運動學特征和古地震分布，可將其劃分為5段:黃河南—雪海溝段、雪海溝—威俊段、水澗溝—美岱橋段、美岱橋—土左旗段和土左旗—奎素段［11］。本文研究的呼和浩特段是指土左旗—奎素段的東半段，始于呼和浩特西北郊的烏素圖—元山子一帶，向東延伸至奎素以東4 km。相對而言，呼和浩特段比大青山山前斷裂中間幾段自第四紀以來的累積位移量都要小，其更新世以來的位移速率僅為中間4個段的一半［12］。在晚更新世晚期至全新世，該段的活動性增強，冉永康等［13］使用位移量限定法和多探槽校驗法對這一段揭示了7次古地震事件。

1.2 遙感數據源

本文所用的ZY－3數據為2012年2月17日獲取的1C 級數據，地理范圍在 E 111.01°～ 111.90°，N 40.63°～ 41.36°之間。采用基于 WGS84 橢球的UTM投影，共有前、后視影像各1景、正視影像1景和多光譜影像1景。數據質量較好，沒有云、雪等覆蓋，紋理信息和幾何結構清晰。用于對比的ASTER GDEM數據的空間分辨率為30 m，由國際科學數據服務平臺提供;用于驗證DEM高程的基準數據是空間分辨率為25m的1∶5萬比例尺DEM數據(TIN DEM)，由國家測繪地理信息局提供。野外實測的GPSRTK數據，在研究區內共有233個采樣點。

1.3 數據處理及DEM數據的生成

對多光譜影像的前、后、正視影像分別進行輻射校正和幾何精糾正。對多光譜影像和正視影像進行色彩拉伸、影像增強等處理，以提高其可解譯程度。本次實驗采用的立體像對覆蓋了整個實驗區，重疊度接近100%。按照“立體像對相對定向—立體相對絕對定向—核線影像生成—DEM生成及編輯”等步驟，基于地面控制點和連接點進行DEM提取，生成以衛星地勢面－WGS 84基準面為基準的5 m分辨率ZY－3 DEM數據(圖1)。

圖1 呼和浩特段ZY－3 DEMFig.1 ZY－3 DEM of Huhehaote section

2 DEM精度評價

DEM數據的高程誤差是評價DEM數據質量的一個重要指標。評價DEM高程精度的主要方法有檢查點法、剖面法及等高線回放法等［14］。本文主要采用檢查點法和剖面法進行精度評價。

2.1 檢查點法

以野外實測GPS高程點(圖2中紅色虛線為GPS采樣路線)作為檢查點的真值，沿大青山山前斷裂北側的溝谷進行采集。

圖2 GPS采樣路線部署Fig.2 GPS sampling strategy

從ZY－3 DEM和ASTER GDEM數據中提取對應點進行比較，并建立高程中誤差(RMSE)模型，對ZY－3 DEM的高程精度進行評價。其計算方法為

式中:RMSE為均方根誤差;H與H'分別為某個點在DEM上的高程值和GPS實測高程值;n為檢查點個數。RMSE模型是一種廣泛應用的DEM高程精度評價模型。在美國地質調查局(USGS)，各尺度DEM中都以RMSE作為其垂直精度的衡量標準;但并不反映單個點位高程誤差的大小，而是從整體意義上描述地形參數與其真值的離散度［15］。

將與采樣點對應的 ZY－3 DEM和 ASTER GDEM數據高程值分別與野外GPS實測數據進行線性回歸分析(圖3)。

圖3 2種DEM高程值與GPS實測值的線性回歸分析Fig.3 Linear regression between DEM s and GPS data

結果表明，在實驗區內，2種 DEM高程值與GPS實測結果都有顯著的相關性，趨勢線的斜率均接近1。提取采樣點位置在2種DEM數據中的高程值，計算高程中誤差(RMSE，表1)。

表1 ZY－3 DEM和ASTER GDEM采樣點數據對比Tab.1 Com parison between sam p ling point data of ZY－3 DEM and ASTER GDEM (m)

在273個采樣點中，ZY－3 DEM與 ASTER GDEM數據的高程中誤差(RMSE)分別為15.96 m和16.41m;兩者與GPS實測值的絕對誤差平均值均大于15 m，其產品的垂直精度都沒達到官方提供的參考數值，但前者的精度明顯優于后者。這種現象的產生可能有3個原因:①GPS數據本身有一定偏差;②實驗區地形多為山地和丘陵，地形因素可能對精度造成一定影響;③由立體像對提取DEM時，控制點的數量和分布也會對DEM提取精度造成較大影響。因此，需要選取范圍更大、地形更豐富的實驗區以及更高精度的參考GPS數據做進一步實驗。

2.2 剖面法

為了驗證2種DEM產品的水平位置精度，選擇1∶5萬比例尺的標準DEM數據(TIN DEM)為參照，在DEM上沿X和Y方向各作4條剖面曲線(圖1，分別以Xa，Xb，Xc，Xd和Ya，Yb，Yc，Yd表示)，并在任意方向作2條剖面曲線(圖1，以Ra和Rb表示)。計算這些曲線與TIN DEM的RMSE(表2)。

表2 剖面曲線與TIN DEM的RMSETab.2 RMSE between profiles and TIN DEM (m)

這些剖面曲線如圖4—6所示。

圖4－1 東西方向剖面曲線Fig.4－1 Profiles along X direction

圖4－2 東西方向剖面曲線Fig.4－2 Profiles along X direction

圖5 南北方向剖面曲線Fig.5 Profiles along Y direction

圖6 任意方向剖面曲線Fig.6 Profiles along random directions

從圖4—6可以看出，每個剖面中的3條曲線都不完全吻合，但其分布趨勢相似。ZY－3 DEM與ASTER GDEM的相似度較大，兩者與 TIN DEM(1∶5萬標準數字高程模型)有一定偏差，這可能與衛星的飛行軌道方向有關［16］。不同方向剖面曲線與TIN DEM的RMSE具有不同的特征:①X方向剖面曲線與TIN DEM的RMSE由Xa至Xd(即由北至南)先增大后減小，在影像上表現為RMSE隨地形而變化，Xa和Xd地形較平緩，其值較小;Xb和Xc處為山地，其值較大;②ZY－3 DEM在X方向剖面曲線與TIN DEM的RMSE大于ASTER－DEM與TIN DEM的RMSE，說明ZY－3的立體相對受地形的影響更顯著;而在Y方向，ZY－3 DEM較ASTER GDEM與TIN DEM的RMSE整體偏小，說明其沿經度方向的精度較高;③對于任意方向的2條剖面曲線，其與TIN DEM的RMSE皆表現為ZY－3 DEM數據的精度較高。不同方向剖面曲線的RMSE與233個檢查點的RMSE基本一致(其值大部分都優于一個像素)，說明ZY－3 DEM的精度略優于ASTER GDEM的精度，兩者高程精度都優于一個像素。從剖面曲線上可以看到，用立體像對提取的DEM與標準DEM之間不存在明顯的位置偏移，其位置精度較高。綜上所述，ZY－3立體像對能生成高分辨率、高精度的DEM，可應用于活動構造信息的定量提取中。

3 大青山山前斷裂地貌分析

3.1 地表坡度分析

地表坡度能夠對地貌成因、地貌發育階段起指示作用，對研究新構造運動有重要意義。使用ZY－3 DEM數據，采取三階反距離法生成坡度圖，然后利用GIS空間統計分析方法對大青山山前斷裂呼和浩特段進行遙感解譯與地貌分析。

從坡度圖(圖7)中可以看出，斷裂兩側的地表坡度存在著明顯差異，這與較強的構造活動造成斷裂兩側地形和地貌的強烈反差相對應。

結合ZY－3 DEM(圖1)可以發現，該區域的坡度和高程具有較強的相關性，高程較小的區域(如山前盆地)其地表坡度較小，高程較大的山地區域對應的地表坡度較大。同時，坡度變化明顯區域的高程亦發生強烈變化，表明這些區域受斷層的控制，構造活動較為強烈(如在融合影像中顯示為陡坎、陡崖的區域，在坡度圖上出現相應的高坡度值)。

圖7 坡度分類圖Fig.7 Slope classification

GIS空間統計分析表明，研究區內的最大坡度值可達88°，平均坡度值8°，這與研究區域內分布有大量的盆地和丘陵(坡度0°～9°，約占44.41%)有關。對緩坡(坡度0°～9°)以外的區域進行坡度統計分析的結果見表3。

表3 坡度統計Tab.3 Slope statistics

根據坡度傾角大小進行分類，可劃分為低陡坡(坡度傾角［9°，21°)，約占69%)、中陡坡(坡度傾角［21°，33°)，約占22%)、陡坡(坡度傾角［33°，45°)，約占5%)和陡崖(坡度傾角45°以上，約占3%)。由此可見，大青山呼和浩特段多為中、低坡度，存在少量懸崖峭壁，反映了該區域受活動構造的控制作用地表存在較大起伏，地勢及地表坡度變化較大的地區往往是斷裂構造發育或活動強烈的區域。結合相關地質資料分析大青山呼和浩特段的高程及坡度變化特點，在某種意義上說明:①內部因素作用。受大青山山前斷裂的強烈控制，山體不是簡單的大面積拱起，而是間歇性抬升;②外部因素作用。因遭受剝蝕作用，形成了大量的夷平面、剝蝕山地等地貌。在晚更新世，山前構造活動強烈，形成了山前臺地和斷崖，對現代地貌的形成具有重要意義。

3.2 地形剖面分析

研究地形剖面通常以線代面，進而研究區域的地貌形態、輪廓形狀、地勢變化以及地表切割強度等。在研究區自西向東分別作4條剖面(剖面位置見圖1)。通過高程剖面分析(圖8)可知，大青山呼和浩特段存在明顯的層狀地貌，大致發育5層(級)地貌單元，山脈西北側地勢高于東南側。第Ⅰ級地貌單元主要分布于海拔2 200 m以上的高山，由山脊線和峰頂面組成;第Ⅱ級主要分布于海拔2 100 m左右的高度;第Ⅲ級主要位于海拔2 000 m左右的亞高山帶;第Ⅳ級主要位于海拔1 800 m左右;第Ⅴ級位于海拔1 400 m左右低山帶。以上5級地貌單元與前人野外工作查明的該段發育有1級山前侵蝕盆地和4期夷平面共5級地貌單元的結果相符［17］。

圖8 山體剖面(圖中Ⅰ～Ⅴ表示第Ⅰ級～第Ⅴ級地貌單元)Fig.8 Profiles ofmountainous bodies

大青山呼和浩特段5級地貌單元的分布特征具有一定的規律。在總體上:①從地勢來看，山體西北側同級夷平面的高度大于其東南側，山體西段同級夷平面的高度大于東段，這與整個大青山西段構造活動強度大于東段有關，且越向西構造活動強度越大;②從成因來看，各級夷平面代表著一個相對平靜的構造時期，不同級夷平面海拔的明顯差異說明該段經歷過多次隆升作用;③從分布來看，夷平面從分水嶺向兩側逐漸降低，呈階梯狀分布。從圖8可以看出，自西向東，“V”形谷發育逐漸減弱、夷平面保存逐漸完好，說明越向東、流水活動性越緩，深切作用越小，側蝕作用越強，致使山前河谷越寬闊。綜上所述，越向東越靠近斷裂末端，斷裂的構造活動性越明顯減弱，這符合斷裂末段應有的規律［18］，這一結果與斷層垂直位移幅度和平均傾滑速率的研究結果相符［19］。

關于大青山呼和浩特段階梯狀地貌的成因、時代及層數，吳中海等［20］通過熱釋光年代分析法進行實驗后認為:該區域存在4期夷平面和1級山前侵蝕臺地，并與之對應具有4期大的沉積間斷(分別是下白堊統與始新統之間、始新統與漸新統之間、漸新統與中新統之間和中新統與上新統之間的沉積間斷)，根據夷平面與相關沉積的關系，推斷盆地堆積中的主要沉積間斷期應對應于相鄰隆升山地的地貌面形成時代;因為最高1級夷平面夷平了大青山逆沖推覆構造和下白堊統固陽組，所以大青山最高1級夷平面形成于大青山逆沖推覆運動［20］，即白堊世至早始新世之間［21］。

3.3 區域構造地貌遙感分析

大青山山前斷裂斷層兩盤的構造地貌差異性明顯，斷層大致控制著山地與平原的邊界。斷層北盤為高聳的大青山山體，主要由太古宇和元古宇變質巖系、上侏羅統和下白堊統砂巖及礫巖組成;南盤為平坦廣闊的呼包盆地東部，廣為全新統沖洪積物所覆蓋，僅在東部零星出露少量上新統磚紅色砂巖和泥巖。

活動斷裂不僅在DEM數據和彩色影像中呈現出線性特征，還對周圍的地貌產生強烈的控制作用。沿活動構造發育有斷層三角面、陡坎等地貌;同時，斷裂控制了河流，改變河流流向、影響階地發育，造成不同的局部微地貌特征。這些特征在遙感影像中可以得到清晰的表征。

利用ZY－3 DEM構造三維場景(圖9)，并賦以ZY－3多光譜彩色影像的色彩和紋理特征，可以看到清晰的斷裂線性分布特征(圖中紅色箭頭所示)。

圖9 呼和浩特附近斷裂3D效果顯示(紅色箭頭指示斷裂線性分布)Fig.9 Three－dimensional scene of fault near Huhehaote

斷裂在山前發育有大量的斷層三角面(圖10(a))，山前斷層三角面坡度角向南傾，并具有張性特征;斷層陡坎(圖10(b))廣泛分布。大青山山前斷裂呼和浩特段在晚更新世以來活動較弱，山間發育的河流普遍具有2級階地(圖10(c)(d));水系對山前斷裂活動極為敏感，因受斷裂活動的影響，水系要調整自身的比降以達到均衡狀態。圖10(e)表明山前水系有明顯的左旋活動特征，表征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，而是轉向西流入黃河［22］。

圖10 斷層三角面、陡坎、河流階地及河流轉向地貌Fig.10 Geomorphology of term inal facet，scarp，terrace and river steering

4 結論

1)資源三號測繪衛星(ZY－3)立體像對可以生產高分辨率DEM，DEM精度與地面控制點的數量、分布和精度有密切關系。ZY－3 DEM高程精度優于一個像素，且優于30 m分辨率ASTER GDEM數據。DEM高程精度受衛星軌道和地形起伏的影響，對高程精度與地形的相關性需選擇更廣泛的、地形更豐富的實驗區作進一步分析。ZY－3 DEM無位置偏移。

2)整個研究區域包括盆地在內，平均海拔達1 497 m，說明與大青山呼和浩特段斷裂對應的大青山山體海拔很高，以中、低陡坡為主，這種高海拔、中低坡度的現代地貌特征與斷裂的強烈構造活動有關。該段山體具有明顯的階梯狀地貌特征，發育有4級夷平面和1級山前臺地，且同級夷平面具有西北側高度大于東南側的特點。大青山山脈不是簡單的拱起，而是呈階段性隆升;山體的發育特點表明，該斷裂的水系越向東，其流動性越弱，側蝕作用越強。控制水系的山前斷裂也具有相同的特征，與該段處于整個斷裂末段的特征相吻合。

3)以ZY－3 DEM、多光譜和全色數據為基礎，解譯大青山山前斷裂的呼和浩特段為NEE走向，主斷面向山前盆地傾斜，具有很強的線性特征和地形控制作用。在山前發育有大量的斷層三角面、陡坎及河流階地，河流普遍具有左旋活動特征，證明斷裂以張性力學性質為主并兼具左行水平滑移。

4)ZY－3的立體像對和全色影像可有效地應用于活動斷裂幾何特征和活動特性的解譯，能為分析活動斷裂的發育過程和控制作用提供遙感支撐，滿足活動構造定量研究的需要。ZY－3數據不僅填補了我國地圖測繪衛星數據的空白，而且可以預見其對地震監測預報、地震地質過程研究、地震應急評估等其他地震領域的科學研究與應用也將具有巨大潛力。

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