斷層高分辨率遙感在線解譯及產狀測量平臺

郭啟倩， 李盛樂， 劉珠妹

(1.中國地震局第二監測中心，西安　710054； 2.中國地震局地震研究所，武漢　430071)

?

斷層高分辨率遙感在線解譯及產狀測量平臺

郭啟倩1， 李盛樂2， 劉珠妹2

(1.中國地震局第二監測中心，西安710054； 2.中國地震局地震研究所，武漢430071)

摘要：為解決高分辨率遙感應用中的斷層在線解譯及產狀測量問題，利用主流網絡地圖服務提供的高分辨率衛星遙感影像及應用程序接口，開發斷層在線解譯及產狀測量平臺。通過該平臺在線分析地質構造、解譯斷層，提取斷裂地理信息； 數據以可擴展標識語言(extensible markup language,XML)格式存儲，可轉換為主流GIS軟件數據格式； 對已有斷裂的GIS數據通過格式轉換進行查看、校準； 使用Google Earth Plug-in嵌入三維地圖服務，結合數字高程模型(digital elevation model,DEM)數據同步采用多點法解算斷層產狀要素，以提高精度。結果表明： 基于網絡地圖服務的斷層在線解譯和產狀測量方法，發揮了高分辨率遙感影像在斷裂構造解譯中的優勢，同時突破了遙感影像和DEM數據源的限制，可快速、準確地提取斷裂構造地理信息和產狀要素； 平臺矢量化數據具有可共享性，程序具有可移植性。

關鍵詞：高分辨率遙感； 斷裂； 矢量化； 斷層產狀測量； Google Earth Plug-in

0引言

斷裂構造是地層或巖體順破裂面發生明顯位移的構造，是地球內應力的外在表現。傳統的斷裂構造研究方法主要包括地面地質調查、地球物理勘查和鉆探等。這些方法僅僅從微觀、局部上調查斷裂構造，很難從宏觀角度全面把握斷裂。此外，在一些自然條件惡劣、交通不便、地質工作程度較低的地區，地質調查工作存在很大的困難。遙感技術極大地拓寬了人類的視野和視覺能力，以其宏觀性、綜合性、多尺度(時間、空間、光譜)、多層次(地面、航空、航天)等特點，已成為人類研究地球表層系統的有力工具，也成為地質研究和地質勘查不可缺少的技術手段[1]。利用高分辨率遙感影像解譯斷裂構造，不僅可以對斷裂的地質構造背景進行快速、全面、綜合分析，從宏觀角度了解斷裂構造的空間展布及活動特征； 而且能夠根據斷裂在影像上的光譜特征和空間特征，對某一具體斷裂構造及其活動性進行定位、定性和定量分析。然而，遙感影像數據的處理過程專業性強，在獲取到研究區的遙感影像數據之后，還需要進行去除噪聲、幾何糾正、配準、融合及鑲嵌等專業處理，給地質工作者帶來一定程度的困難，且受數據源的限制較大。另外，僅利用二維遙感影像資料難以獲取測點的高程信息，不利于解譯斷層的產狀要素。

為解決高分辨率遙感應用中的斷層在線解譯及產狀測量問題，本文開發的“斷層在線解譯及產狀測量平臺”可通過JavaScript腳本實現斷裂在線矢量化、已有斷裂GIS數據查看校準、斷層產狀測量及其他相關功能。該平臺以主流網絡地圖服務(如Google Maps、百度地圖、天地圖等)提供的免費高分辨率衛星遙感影像為地理底圖，可直接提取斷層的地理信息； 數據采用可擴展標識語言(extensibe markup language,XML)文件格式存儲，便于實現地理信息數據的有效存儲、管理及共享； 使用Google Earth插件程序(Google Earth Plug-in)嵌入三維地圖服務，可同步解算斷層走向、傾向和傾角； 并提供數據格式轉換、測距等功能。

1遙感地質解譯

1.1斷裂構造識別

斷裂構造在遙感影像中的光譜特征和空間特征是利用遙感影像識別斷裂構造的基礎。斷裂構造是地球內應力的外在表現，其形成必然影響到斷裂的周圍區域，反映在遙感影像上則以一定的構造形跡特征表現出來。這些特征根據其是否為斷裂本身固有屬性在影像上的表現，可分為直接特征和間接特征[2-4]。

直接特征是斷裂構造在影像上呈現的形狀、色調、紋理等特征。斷裂構造多為線性構造，在影像上斷裂形跡的亮度、長度和分布是判斷斷裂規模、裸露或隱伏等情況的依據。斷裂構造活動引起地質單元在物質組成、結構等方面的差異，使斷裂帶兩側地下水含量、抗風蝕能力、抗水蝕能力等有所差異，導致地表含水量、地表粗糙度和植被覆蓋等明顯變化，反映在遙感影像上即為色調和紋理特征的變化。

間接特征是由斷裂構造引起的地貌、水系、植被、巖石、土壤等地物的異常變化，在影像上主要表現為地貌形態異常、水系格局突變、巖體錯位遷移等。地貌形態是遙感解譯斷裂構造最直觀的要素之一，在遙感影像中呈直線或折線展布的地貌單元(如山地、丘陵、盆地等)的輪廓線、分割線，以及由于新構造活動發育形成的地貌形態(如斷層崖、斷層三角面、延山麓分布的洪積扇裙等)都是斷裂存在的證據。斷裂構造活動引起的水系格局突變可根據水系總體展布、整體錯位、河流流向異常、河段呈直線延伸或肘狀拐彎等現象識別。巖體的錯位、遷移會在遙感影像中表現為巖體穩定的色調、紋理等特征的連續性出現位置錯移或突然消失。

1.2巖層產狀測量

傳統的巖層產狀測量方法是利用地質羅盤儀、坡度儀等工具，在野外巖石露頭上實測產狀參數，用圖解法計算各產狀要素。這種方法存在工作量大、效率低、精度差以及受野外條件限制等問題。20世紀60年代，利用航片測量巖層產狀的方法開始出現，但利用二維影像測量產狀的效果受到影像分辨率和處理方法等方面的限制，未能得到推廣。進入21世紀以來，隨著測繪和遙感技術的迅速發展，地學工作者通過高分辨率衛星影像疊加數字高程模型(digital elevation model,DEM)，建立三維地形，擬合巖層面，實現了巖層產狀測量[5]，并達到了較高的精度。其方法主要包括目視估算法、線性投影圖解法、三點法和多點法等。產狀測量的基本原理是首先確定巖層面，然后利用巖層面信息計算巖層的各個產狀要素。

2平臺設計

2.1地圖數據

斷層在線解譯及產狀測量平臺(簡稱“平臺”)選用Google提供的衛星影像服務。Google Maps和Google Earth地圖服務提供含有政區、交通和商業信息的矢量地圖、高分辨率衛星影像以及顯示地形和等高線的地形視圖，其衛星影像分辨率最高能達到0.61 m，DEM的有效分辨率通常為30 m，局部區域能達到更高的分辨率。

2.2體系結構

平臺采用基于JavaScript技術的Web GIS開發模式。JavaScript使多種任務僅在客戶端就可以完成而不需要網絡和服務器的參與，從而支持分布式的運算和處理[6]。平臺體系結構分為4層： 用戶層、JavaScript引擎層、業務邏輯層和數據訪問層(圖1)。

圖1　平臺體系結構

1)用戶層負責提交客戶端請求、顯示服務器端返回的數據(本平臺基于B/S架構，用戶層由瀏覽器實現)。

2)JavaScript引擎層負責客戶端與服務器端的異步數據交互、地圖操作(包括縮放、移動、漫游等)、斷層矢量化操作和斷層產狀測量等任務。異步數據交互和地圖操作通過AJAX(Asynchronous JavaScript and XML)引擎實現，其核心是使用 JavaScript 對象 XmlHttpRequest實現與服務器的異步通信，在不刷新Web頁面的情況下動態更新數據； 斷層矢量化操作通過Google Maps API for JavaScript實現； 斷層產狀測量通過引入Google Earth Plug-in以及Google Earth API for JavaScript實現。

3)業務邏輯層負責響應JavaScript引擎層提交的數據請求和業務請求。平臺采用Google服務器作為GIS服務器提供地圖服務，以Tomcat 6.0服務器作為Web服務器響應客戶端請求及一般業務處理。

4)數據訪問層負責地圖瓦片數據和XML格式數據組織管理。地圖瓦片數據主要為Google Maps衛星影像瓦片，應用于地圖視圖模塊； XML數據則應用于斷層矢量化模塊。

2.3功能模塊

平臺功能模塊主要包括地圖視圖模塊、斷層矢量化模塊和斷層產狀測量模塊。功能模塊界面如圖2所示。

圖2　斷層在線矢量化平臺操作界面

3斷層矢量化

按照GIS中基于分層的數據組織方法，提供按點、線、面要素分類分層的矢量化功能。用戶以Google提供的衛星影像為底圖，用鼠標進行點、線、面要素的矢量化操作(包括要素的增加、修改、刪除等)，矢量化數據可保存為XML格式，也可轉換為主流專業GIS軟件數據格式(如MapInfo的MIF/MID文件、ArcGIS的Shape文件等)，便于在GIS軟件中打開矢量數據和進行進一步的專業分析操作。已有的GIS數據可以在平臺中通過格式轉換打開、查看和編輯。斷層矢量化是對線要素矢量化的擴展，參照《中國地震活動斷層探測技術系統技術規程》[7]中的活斷層信息管理系統基礎數據庫規定，設計斷層屬性字段，以便于數據的統一規范管理及共享。

3.1可擴展標識語言(XML)

矢量化數據格式采用的XML是一種用于標記電子文件、使其具有結構性的標記語言。XML以其開放性、可擴展性、高度結構化和自我描述性等優勢，在WebGIS中被廣泛應用。開放地理信息系統協會(Open GIS Consortium,OGC)制定了基于XML的互聯網地理模型語言GML； ESRI公司的ArcIMS建立了基于XML的ArcXML； Google Earth使用的遵循XML語法與格式的編碼規范KML也由OGC接管成為國際標準。XML可根據需求自定義標記和屬性名，從而使結構復雜到任意程度，強化特定的專業數據結構。另外，XML支持高效的數據增、刪、改、查等操作，可作為數據庫進行數據的組織存儲。

根據活斷層信息管理系統基礎數據庫，規定自定義的斷層矢量化數據XML格式如下：

<活動時代 type="Char(20)">"Q4"

……

節點Document為根節點； 子節點Polyline記錄斷裂數據： ID為要素標識碼； Coordination記錄要素地理坐標(斷裂線坐標)； Attributes記錄斷裂屬性，包括斷裂編碼、斷裂顯示碼、斷裂名稱、斷裂性質、斷層走向、斷層傾向、斷層傾角、斷層長度、活動時代、斷層巖類型、上斷點埋深、下斷點埋深、破碎帶寬度、斷裂符號基礎位、斷裂符號上標位和斷裂符號下標位等； Style為要素樣式； Description記錄描述信息。

斷裂的分段性是指一條活動斷裂帶可由許多獨立的斷裂段組成，這種分段性造成了歷史強震活動性的分段差異[8]。不同斷裂段的活動方式、幅度和速率以及單次地震的同震位移量、地震地表破裂的長度、最大地震的震級以及地震復發間隔等均有所不同[9]。因此，Polyline屬性中type定義了值Multiple和Pline，分別表示多線型要素和單線型要素(其中多線型要素用于描述具有分段性的斷裂)； 屬性Num值為線條(斷裂)標識碼； 屬性SubNum值為子線條(斷裂分段)標識碼，僅當type值為Multiple時該屬性有效。

3.2矢量化操作

矢量化操作流程按照主流GIS軟件矢量化流程設計(圖3)，采用分類分層的數據組織方式，編輯過程中數據的增、刪、改、查等操作在輸入的XML文件中執行同步數據更新。

圖3　平臺矢量化操作流程

用戶可以在本地新建XML文件進行矢量化操作。已有的斷裂數據，如MapInfo的MIF/MID文件、ArcGIS的Shape文件、Google Earth的KML文件等，可在平臺上經過格式轉換打開，進行查看和數據校準； 也可通過AJAX請求服務器端的XML文件，在本地顯示和下載。

斷裂矢量化過程中，對于分段斷裂或由“平行帶狀”、“發辮狀”、“雁行式”斷裂緊密排列組成的斷裂帶，需要在錄入屬性值時選擇線型“多線”以定義XML文件中Polyline節點type屬性值Multiple，并錄入屬性值Num和SubNum作為主線條(斷裂)和子線條(斷裂分段)標識碼(圖4)。

圖4　屬性錄入窗口

4斷層產狀測量

斷層產狀測量的誤差包括遙感影像數據質量與DEM數據質量的帶入誤差、DEM與遙感影像的匹配誤差以及鼠標選點標定方式導致的選點誤差等。其中，選點誤差可通過選取多點進行平差來消除。平臺采用多點法解算斷層產狀： 通過Google Earth Plug-in在HTML頁面中嵌入Google Earth，使用Google Earth API提供的GEGlobe接口，獲取多個斷層露頭的經緯度和高程信息； 運用最小二乘法擬合斷層面，進一步計算斷層的走向、傾向和傾角。編程采用開源的JavaScript類庫Sylvester。Sylvester是一個對向量和矩陣進行數學運算的JavaScript 類庫，它能夠對任意維度的向量和矩陣進行模型化，利于面向對象編程。

4.1斷層露頭平面坐標與高程獲取

(1)

式中：X為自赤道量起的子午線弧長，帶入WGS-84橢球體參數計算；B為選點大地緯度；l為大地經差；N為卯酉圈曲率半徑；t=tanB；η=e′cosB，e′為第二偏心率；ρ為轉換參數，ρ=206 264.806 247″。為了避免y值出現負數，將x軸向西平移500 km(即計算結果y值均加上500 000 m)。

4.2最小二乘法斷層面擬合

設所求的斷層面擬合方程為

AX+BY+CZ+1=0 ,

(2)

式中：X,Y和Z分別為斷層面的水平和垂直坐標；A,B和C為擬合方程參數真值。

根據最小二乘原理，將選點到擬合斷層面的距離作為誤差，令該誤差的平方和導數為零(即誤差平方和為最小)，求滿足誤差平方和最小值的擬合方程參數真值A,B和C[5,11]。選取斷層露頭點集中的任意3個點，求出滿足3點的平面方程，即

A0X+B0Y+C0Z+1=0 ,

(3)

式中A0,B0和C0為參數初始值。

則參數真值和初始值的關系為

(4)

式中A′,B′和C′為參數改正值。

因經過求導后的誤差方程不滿足線性條件，不能采用最小二乘法，故需要對誤差方程進行化簡以滿足采用最小二乘法的線性條件。設Vi為選點坐標(Xi,Yi,Zi)帶入擬合斷層面方程求得的誤差，即

Vi=AXi+BYi+CZi+1, (i=1,2,…,n) ?Vi=A′Xi+B′Yi+C′Zi+Mi,

(5)

式中Mi為選點(Xi,Yi,Zi)基于基準平面的誤差，即Mi=(A0Xi+B0Yi+C0Zi+1); 因基準平面已知，故Mi是常數項。對誤差平方和中的A′,B′和C′求導，令導數為零，即

(6)

將式(5)帶入式(6)，展開得到線性方程組，即

(7)

解線性方程組(7)求得參數改正值A′,B′和C′，分別代入式(4)和式(2)即可求得擬合斷層面方程。

4.3斷層產狀計算

1)斷層走向。斷層面與水平面的交線即為斷層的走向，即平面AX+BY+CZ+1=0與平面Z=0的交線與方向北的夾角θ。斷層走向的計算公式[11-12]為

(8)

2)斷層傾向。斷層傾向為斷層面上最大傾斜線在水平面上的投影所指的方向，求得走向θ后±90°即可確定斷層傾向[11-12]。

3)斷層傾角。斷層面與水平面的夾角即為斷層傾角，即平面AX+BY+CZ+1=0與平面Z=0的夾角δ。斷層傾角的計算公式[11-12]為

(9)

4.4計算實例

以某地區的一處斷層為例，計算該斷層的產狀要素(圖5)。

圖5　斷層產狀計算實例

該地區存在較為明顯的斷裂構造。沿斷層露頭界線選取3個以上測點，由JavaScript腳本程序對測點地理坐標進行6°帶高斯-克呂格投影轉換，經過投影轉換后的平面坐標值X,Y和高程Z見圖5中的“選點坐標值”表。采用最小二乘法擬合斷層面，得到斷層面方程，即

-4.019×10-7X+5.445 5×10-7Y+1.339 2×10-6Z+1=0 。

(10)

根據式(8)和(9)計算出斷層的走向、傾向和傾角，對計算結果取整后得到斷層走向36°，斷層傾向126°，斷層傾角26°。

5結論

本文利用主流網絡地圖服務提供的高分辨率衛星遙感影像，研究開發了斷層在線解譯及產狀測量平臺，實現了斷層在線識別解譯和矢量化，并結合Google Earth提供的DEM數據實現了斷層產狀要素計算等功能。具有以下優勢：

1)使用Google提供的免費高分辨率衛星遙感影像數據，突破了遙感數據源的限制。

2)以衛星影像為底圖進行在線斷層解譯及矢量化，矢量化之前不需要對底圖進行專業的遙感數據處理； 矢量化結果既可在平臺上打開編輯與校準，也可在主流GIS軟件中打開進一步分析與操作。

3)矢量化數據采用XML格式，便于實現地理信息數據的有效存儲、管理及共享。

4)使用Google提供的免費DEM數據可進行斷層產狀要素計算，并采用多點法提高計算精度。

5)得益于主流地圖服務應用程序接口API的一致性，程序易于實現不同地圖服務間的遷移； 該平臺基于Google Maps API/Google Earth API試驗開發，可遷移至百度地圖和天地圖等網絡地圖服務應用中。

參考文獻(References)：

[1]王潤生,熊盛青,聶洪峰,等.遙感地質勘查技術與應用研究[J].地質學報,2011,85(11):1699-1743.

Wang R S,Xiong S Q,Nie H F,et al.Remote sensing technology and its application in geological exploration[J].Acta Geologica Sinica,2011,85(11):1699-1743.

[2]彭丹青,李京,陳云浩,等.基于先進對地觀測衛星遙感影像的斷裂識別——以江西德興為例[J].自然災害學報,2008,17(6):124-128.

Peng D Q,Li J,Chen Y H,et al.Fracture system recognition and interpretation based on advanced land observing satellite remote sensing image:A case study of Dexing,Jiangxi[J].Journal of Natural Disasters,2008,17(6):124-128.

[3]隋志龍,李德威,黃春霞.斷裂構造的遙感研究方法綜述[J].地理學與國土研究,2002,18(3):34-37,44.

Sui Z L,Li D W,Huang C X.Overview of research approach of faults based on remote sensing technology[J].Geography and Territorial Research,2002,18(3):34-37,44.

[4]李家存,魏永明,藺啟忠.遙感信息在南水北調西線工程區構造解譯中的應用[J].吉林大學學報:地球科學版,2004,34(1):150-153.

Li J C,Wei Y M,Lin Q Z.The application of remote sensing information in the structure interpretation of the west route project of south-to-north water transfer[J].Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2004,34(1):150-153.

[5]段福州,趙文吉,李家存,等.基于三維地理信息系統的巖層產狀測量方法[J].吉林大學學報:地球科學版,2011,41(1):310-315.

Duan F Z,Zhao W J,Li J C,et al.Measurement method of strata attitude based on three-dimensional geographic information system[J].Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2011,41(1):310-315.

[6]劉南,劉仁義.Web GIS原理及其應用[M].北京:科學出版社,2002.

Liu N,Liu R Y.Principles and Applications of Web GIS[M].Beijing:Science Press,2002.

[7]中國地震局.中國地震活動斷層探測技術系統技術規程[M].北京:地震出版社,2005.

China Earthquake Administration.Stipulation on Technical System for China Earthquake Active Fault Surveying[M].Beijing:Seismological Press,2005.

[8]聞學澤,Allen C R,羅灼禮,等.鮮水河全新世斷裂帶的分段性、幾何特征及其地震構造意義[J].地震學報,1989,11(4):362-372.

Wen X Z,Allen C R,Luo Z L,et al.Segmentation,geometric features,and their seismotectonic implications for the Holocene Xianshuihe fault zone[J].Acta Seismologica Sinica,1989,11(4):362-372.

[9]鄧啟東,聞學澤.活動構造研究——歷史、進展與建議[J].地震地質,2008,30(1):1-30.

Deng Q D,Wen X Z.A review on the research of active tectonics:History,progress and suggestions[J].Seismology and Geology,2008,30(1):1-30.

[10]孔祥元,郭際明,劉宗泉.大地測量學基礎[M].武漢:武漢大學出版社,2010.

Kong X Y,Guo J M,Liu Z Q.Foundation of Geodesy[M].Wuhan:Wuhan University Press,2010.

[11]蒲浩,楊新林,趙海峰,等.基于Google Earth的巖層產狀測量方法[J].西南交通大學學報,2012,47(6):949-954.

Pu H,Yang X L,Zhao H F,et al.Measurement method of strata attitude based on Google Earth[J].Journal of Southwest Jiaotong University,2012,47(6):949-954.

[12]王俊鋒,白宗亮,田琮,等.Google Earth在地質解譯中的應用[J].新疆地質,2014,32(1):136-140.

Wang J F,Bai Z L,Tian Z,et al.The application of Google Earth in geological interpretation[J].Xinjiang Geology,2014,32(1):136-140.

(責任編輯： 劉心季)

Platform of online interpretation and attitude measurement for faults using high resolution remote sensing image

GUO Qiqian1， LI Shengle2， LIU Zhumei2

(1.SecondCrustMoniteringandApplicationCenter,ChinaEarthquakeAdministration,Xi’an710054,China;2.InstituteofSeismology，ChinaEarthquakeAdministration，Wuhan430071，China)

Abstract:To solve the problems of online interpretation and attitude measurement for faults in the application of high resolution remote sensing, the authors developed a platform of online interpretation and attitude measurement for faults by using high resolution remote sensing image and application programmers interface provided by Web Map Service. The platform allows users to analyze the geological structure as well as identify and vectorize the fault. On this platform, vector data are saved as extensible markup language(XML)and can be transformed into typical GIS data formats, and existing GIS data are allowed to be viewed and calibrated after format conversion. Imbedding of Google Earth, through Google Earth Plug-in, enables users to calculate the fault attitude using the DEM on this platform. Multi-point method is adopted to improve calculation accuracy. The results show that the method of interpretation and attitude measurement for faults based on Web Map Service, which takes advantage of fault interpretation using high resolution remote sensing image and breaks through the data source limitation of remote sensing image and DEM data, can accurately extracts geographic information and attitude of geological structure，and the platform possesses data sharing and application portability.

Keywords:high resolution remote sensing； fault； vectorization； fault attitude measurement； Google Earth Plug-in

作者簡介：第一 郭啟倩(1990-),女,碩士,助理工程師，主要從事地震信息化研究。Email： guo_qq_822@126.com。

中圖法分類號：TP 753

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)01-0190-07

基金項目：中國地震局地震研究所所長基金項目“高分辨率衛星遙感道路震害損毀快速檢測方法研究”(編號： IS201256107)資助。

收稿日期：2014-09-01；

修訂日期：2014-10-14

doi:10.6046/gtzyyg.2016.01.28

引用格式： 郭啟倩,李盛樂,劉珠妹.斷層高分辨率遙感在線解譯及產狀測量平臺[J].國土資源遙感,2016,28(1)：190-196.(Guo Q Q,Li S L,Liu Z M.Platform of online interpretation and attitude measurement for faults using high resolution remote sensing image[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(1)：190-196.)