交城縣主要活動(dòng)斷裂遙感影像處理及初步解釋

李偉華，馮 軍，王 龍

(1.中國(guó)地震應(yīng)急搜救中心,北京 100049;2.中國(guó)地震局地球物理研究所,北京 100081)

0 引言

隨著高分辨率遙感影像技術(shù)的日益發(fā)展，在活動(dòng)斷裂探查過程中，使用遙感探測(cè)技術(shù)越來(lái)越多。遙感資料分析作為獲取地質(zhì)調(diào)查的重要手段，可以快速定位斷裂位置及最新活動(dòng)特點(diǎn)[1]。活動(dòng)斷裂、地貌等均可以通過高分辨率遙感影像進(jìn)一步確定[2]。

交城斷裂帶是具有發(fā)生7級(jí)以上地震的發(fā)震斷裂，為避免人民生命財(cái)產(chǎn)遭受損失，城市規(guī)劃和建設(shè)項(xiàng)目選址應(yīng)避開斷裂帶。因此，對(duì)交城斷裂帶的具體詳細(xì)空間展布應(yīng)進(jìn)行精確確定，對(duì)斷裂帶進(jìn)行斷層勘探工作很有必要。文章在采用地球物理探測(cè)方法之前，利用遙感數(shù)據(jù)可以有效提高斷層空間位置的定位精度，初步確定目標(biāo)區(qū)斷層空間位置和延伸情況。同時(shí)，結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查及地球物理勘探結(jié)果，給出交城斷裂(交城縣段)的斷層活動(dòng)參數(shù)，并印證遙感數(shù)據(jù)的可靠性。

1 交城斷裂帶概況

交城斷裂帶位于山西斷陷帶中部，是太原盆地西界的主控邊界斷裂。在太行山與呂梁山之間，坐標(biāo)在東經(jīng)111°35′-112°55′，北緯37°10′-38°15′之間。斷裂北起陽(yáng)曲縣泥屯鎮(zhèn)，向南經(jīng)土堂村、西張、柴村、晉祠、清徐、交城、文水，南至汾陽(yáng)一帶，全長(zhǎng)約150 km(見圖1)。斷裂走向NNE轉(zhuǎn)NE，傾向SEE，以正斷活動(dòng)為主，兼有右旋活動(dòng)分量，是一條上新世形成的活動(dòng)斷裂。在晉祠一帶斷裂兩盤的垂直斷距達(dá)1 500 m，由南向北斷距逐漸減小。斷裂東西盤差異運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，西盤(下盤)強(qiáng)烈抬升，出露元古界、古生界和中生界等基巖，海拔約1 400 m的唐縣期夷平面殘留在陡峭的山地；東盤(上盤)是厚200～3 800 m左右的新生代堆積盆地，盆嶺地形反差強(qiáng)烈，山區(qū)同時(shí)代基巖地層的斷距為5 000余米，斷層兩側(cè)的升降幅度最大可達(dá)5 000余米，現(xiàn)今盆嶺地形反差強(qiáng)烈，高差達(dá)1 450 m左右。交城斷裂山前的斷錯(cuò)地貌十分發(fā)肓，山前廣泛發(fā)育黃土臺(tái)地，主斷裂位于洪積扇后緣與基巖山地交界地帶，有黃土臺(tái)地分布的地段，斷裂的最新活動(dòng)展布在黃土臺(tái)地的前緣。斷裂帶附近歷史上曾發(fā)生過6級(jí)地震。交城縣城西北側(cè)地裂縫的產(chǎn)生與交城斷裂有關(guān)，屬于構(gòu)造地裂縫[3-4]。

圖1 交城斷裂帶平面分布圖[4]Fig.1 Plane distribution of Jiaocheng fault zone

2 遙感數(shù)據(jù)采集、處理及初步解釋

2.1 遙感數(shù)據(jù)采集

為重新分析遙感影像識(shí)別特征,采集高空間分辨率遙感數(shù)據(jù)，需要最大限度地從交城遙感影像中提取有用信息,認(rèn)識(shí)數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用范圍,選取最佳數(shù)據(jù)源。制定科學(xué)合理的遙感測(cè)量方案，能夠獲得更佳的遙感影響[5]。根據(jù)山西省交城縣地形、空域以及相關(guān)技術(shù)規(guī)范，對(duì)交城縣進(jìn)行分區(qū)航攝設(shè)計(jì)。結(jié)合交城縣地勢(shì)特點(diǎn)，總體地勢(shì)西北高，東南低。境內(nèi)地貌復(fù)雜，山多川少，海拔高度在750～2 830.7 m之間，設(shè)計(jì)分區(qū)測(cè)量方案。

2.1.1 空三角測(cè)量

采用空中三角測(cè)量，此方法是由少量的野外控制點(diǎn)，依據(jù)攝影測(cè)量原理，在室內(nèi)進(jìn)行控制點(diǎn)加密，求得加密點(diǎn)的高程和平面位置，同時(shí)解算得出每張影像的外方位元素。為制作數(shù)字正射攝影產(chǎn)品、線劃圖產(chǎn)品提供必要的立體模型定向參數(shù)。

采用光束法空中三角測(cè)量，即以一個(gè)攝影光束作為平差計(jì)算基本單元，以共線條件方程為理論基礎(chǔ)，在像片上測(cè)量出控制點(diǎn)、加密點(diǎn)像平面坐標(biāo)后，進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)平差，同時(shí)得到各像片的外方位元素和加密點(diǎn)地面坐標(biāo)(見圖2)。

2.1.2 空三加密

借助攝影測(cè)量系統(tǒng)PIXELGRID空三加密模塊，以加密分區(qū)為單元，將基于IMU/DGPS技術(shù)直接獲取的POS數(shù)據(jù)，作為帶權(quán)觀測(cè)值，引入加密分區(qū)和外業(yè)控制點(diǎn)成果進(jìn)行區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差，解算加密點(diǎn)坐標(biāo)并獲得更高精度的像片外方位元素成果。空三加密成果用于DOM生產(chǎn)，空三加密時(shí)對(duì)高程精度放寬要求(見圖3)。

圖2 空中三角測(cè)量技術(shù)流程圖Fig.2 Flow of aerial triangulation technical

圖3 空三加密計(jì)算Fig.3 Space three encryption calculation

2.2 數(shù)字高程模型制作

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model),簡(jiǎn)稱DEM，利用DMC數(shù)碼影像航空攝影資料，將影像數(shù)據(jù)和加密完成的空三成果導(dǎo)入像素工廠(Pixel Factory，簡(jiǎn)稱“PF”)影像處理系統(tǒng)。經(jīng)過創(chuàng)建立體像對(duì)，自動(dòng)計(jì)算生成DSM(數(shù)字表面模型)、DEM(數(shù)字地面模型)，對(duì)DEM加入一定的人工編輯，制作DEM(見第48頁(yè)圖4、圖5)。

利用三維衛(wèi)星影像增強(qiáng)技術(shù)，可以輕易觀察并獲得斷層特征，并由此搜尋斷層位置以及定義其活躍性。對(duì)地質(zhì)情況進(jìn)行解譯，是利用衛(wèi)星遙感影像疊加DEM構(gòu)建三維衛(wèi)星影像圖，并采用虛擬光源的方法，觀察地形高差變化導(dǎo)致的光影變化，從而避免受到衛(wèi)星影像中地物的復(fù)雜顏色干擾。同時(shí)，使用衛(wèi)星影像疊加DEM獲得的立體場(chǎng)景，可以在解譯過程中透過衛(wèi)星影像的信息快速分辨影像中的線狀屬性，有利于消除其他線狀地物如公路、堤壩等實(shí)體造成的誤判[6]。

圖4 DEM制作流程圖Fig.4 DEM process

圖5 交城縣DEM數(shù)據(jù)Fig.5 DEM data in Jiaocheng County

2.3 Quick Bird影像處理

采用遙感方法制作的數(shù)字正射影像是獲取基礎(chǔ)空間信息最快速、高效的手段,利用高精度遙感成圖,處理速度快、工藝簡(jiǎn)便、圖像清晰,而且精度達(dá)到成圖要求。Qucik Bird衛(wèi)星以其影像內(nèi)容豐富、分辨率高、直觀、生產(chǎn)更新周期短、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地形圖和航空影像的不足[7]。

通過對(duì)Quick Bird影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、幾何校正、影像勻色和融合處理(見圖6)，對(duì)交城斷裂進(jìn)行初步的解譯和定位。在此基礎(chǔ)上，編繪1∶5萬(wàn)斷層分布遙感解譯圖，有效提高斷層空間位置的定位精度，初步確定目標(biāo)區(qū)斷層空間位置和延伸情況。

圖6 Quick Bird影像處理及解釋流程圖Fig.6 Quick Bird image processing and interpretation process

2.4 遙感影像解釋

不同活動(dòng)斷裂的遙感影像具有不同的標(biāo)志，其形狀、色調(diào)、大小都有不同[7]。以交城斷裂遙感影像解譯圖(見圖7，解譯的斷裂大致位于交城斷裂清徐-文水段，走向北東40°～50°)為基礎(chǔ)，綜合結(jié)合光學(xué)圖像和DEM數(shù)據(jù)分析可知，交城斷裂交城縣段全長(zhǎng)約16 km。斷裂走向NE，以正斷活動(dòng)為主，斷裂的中段多出錯(cuò)斷洪積扇形成斷層陡坎，是斷裂全新世強(qiáng)烈活動(dòng)的表現(xiàn)。

圖7 交城斷裂北東走向遙感影像解譯圖Fig.7 Remote sensing image interpretation of northeast direction of Jiaocheng Fault

3 地球物理勘探方法解釋結(jié)果

城市活動(dòng)斷裂常為第四紀(jì)松散沉積物所覆蓋，為隱伏斷裂。因此，地球物理勘探成為最主要的探測(cè)方法。常用的地球物理勘探手段有地震勘探、電法勘探、探地雷達(dá)等。如圖8所示，在遙感影像解譯圖的基礎(chǔ)上，劃定探測(cè)范圍，采用電法勘探及淺層地震勘探方法，布置測(cè)線測(cè)量(見圖9、圖10)，均發(fā)現(xiàn)斷層存在(見圖11、第50頁(yè)圖12)。

圖8 交城縣段斷裂探測(cè)范圍分布圖Fig.8 Distribution of the detection range of the section in Jiaocheng County

圖9 高密度電法探測(cè)測(cè)線分布Fig.9 Line distribution of high density electrical method

圖10是f3測(cè)線的Google地圖位置圖。測(cè)線沿義南線瀝青路面進(jìn)行施工，測(cè)線走向南北向，全長(zhǎng)約2 733 m。該測(cè)線首先采用縱波反射波法施工， 3 m檢波點(diǎn)距，144道接收，18次覆蓋，采樣率0.5 ms，采樣長(zhǎng)度為2 000 ms，最小偏移距60 m，共完成210 炮，28 t可控震源施工。根據(jù)縱波取得結(jié)果再在樁號(hào)720-1941之間采用SH波反射波法施工，3 m檢波點(diǎn)距，120道接收，15次覆蓋，采樣率0.5 ms，采樣長(zhǎng)度為3 000 ms，中間激發(fā)，共完成100炮，3 t縱橫兩用可控震源車施工。

圖10 f3測(cè)線布置圖Fig.10 Layout of f3 line

圖11 電法勘探反演結(jié)果顯示的斷裂Fig.11 Faults displayed by the inversion results of electrical prospecting

圖12 f3淺層勘探顯示的斷裂Fig.12 Faults displayed by f3 shallow exploration line

4 結(jié)論

(1) 在衛(wèi)星遙感影像上可在色調(diào)形狀陰影方面表現(xiàn)出來(lái)，反映斷層斷裂位置，作為快速定位斷層斷裂位置的初勘方法。

(2) 從衛(wèi)星遙感影像特征提取需求角度出發(fā)，制定科學(xué)合理的測(cè)量方案，利用空三加密方法可以控制遙感數(shù)據(jù)采集質(zhì)量，以較少的采集點(diǎn)最大限度獲取有效信息。

(3) 利用處理后的高分辨率衛(wèi)星遙感影像、航攝影像以及 DEM數(shù)據(jù)，可以獲得對(duì)地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行更高精度的分析，從而多源數(shù)據(jù)的高精度高分辨率遙感技術(shù)可成為活動(dòng)斷裂研究的重要手段。

(4) 通過與地球物理勘探方法對(duì)比，進(jìn)一步印證高分辨率遙感影像解釋結(jié)論的正確性。