無人機航測技術在2014年魯甸M_S6.5地震震區活動構造調查中的應用

于江 張彥琪 李西 鄧梅 常玉巧 和仕芳

摘要：魯甸震區地處滇東北高山峽谷地區，地形地貌復雜，第四系極不發育，常規的活動地貌調查條件較差。近年來快速發展的無人機航測技術在地貌數據采集方面展現出了突出優勢，通過將無人機航測技術應用于魯甸震區一帶活動構造研究中，結合野外地質調查和探槽選點工作，探討了無人機航測技術在震區活動構造研究中的工作流程，基于無人機航測數據采集及解譯，得到包谷垴—小河斷裂光明村小埡口段2組密集分布的優勢地表破裂；沿昭通—魯甸斷裂發現水系、山脊同步右旋位錯約70m；在新棚子村發現斷層槽谷并布設探槽，成功揭露斷層，以上應用顯示了無人機航測技術在多山地區活動構造研究中的較好適用性。

關鍵詞：無人機航測；魯甸地震；昭通—魯甸斷裂；活動構造

中圖分類號：P315.2 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2018）02-0166-07

0 引言

2014年8月3日，云南省魯甸縣發生M，6.5地震，震區地震烈度等震線長軸方向呈NW向展布，極震區烈度達到Ⅸ度，余震分布為NW和NE兩個方向，其發震構造和孕震環境受到了諸多學者的廣泛關注和討淪。徐錫偉等（2014）結合地震應急考察、震源機制解、震源破裂過程、余震分布空間等信息研究認為NW向包谷垴—小河斷裂為魯甸MS6.5地震的發震構造；李西等（2014）在震后對震區地震地表裂縫、位錯分布特征、震害特點及其與構造的關系展開了討論，并開挖了探槽；常祖峰等（2014）從第四紀地質地貌人手闡述了昭通一魯甸斷裂帶的晚第四紀活動特征和最新活動地質地貌證據。目前對震區主要斷裂的活動性和活動程度研究仍然缺乏統一的認識，2017年2月8日，震區發生MS4.9地震（常玉巧等，2017），可見震區地震危險性不容忽視，需要進一步加強對NW向包谷垴—小河斷裂及NE向昭通—魯甸斷裂的野外地質調查，這將有助于對震區斷裂活動性和孕震構造背景的研究，為評判該區域地震危險性提供參考。

魯甸震區地處滇東北高山峽谷地區，第四系極不發育，很難找到斷層斷錯或上覆第四系等晚第四紀活動剖面直接證據，人工改造強烈、植被發育、通視條件差，常規的活動地貌調查條件較差。在利用傳統衛星遙感影像研究微構造地貌時存在影像分辨率低、時效性差的局限性，隨著無人機在民用領域的普及，其靈活度高、操作簡單的特點，使得利用無人機獲取遙感影像成為可能（段福洲，趙文吉，2010）。目前，無人機航測技術已經應用到構造地貌解譯、第四紀地質填圖等多個活動構造研究領域（Johnson et al，2014；葉夢旎等，2016）。該方法在我國多應用于地形廣闊、植被稀少的西北等地區，在云南多山、植被發育地區則應用較少。本文將無人機航測技術應用于魯甸震區一帶活動構造調查研究，一方面探討無人機航測技術在多山地區活動構造調查中的工作流程，另一方面開展典型構造地貌點的無人機航測數據采集及其影像解譯，并通過野外實地調查研究對實測結果進行對比分析。

1 震區構造背景

震區位于青藏高原東南緣川滇菱形塊體與華南塊體之間的大涼山次級活動塊體的南緣昭通—蓮峰斷裂帶內，南北地震帶南段（圖1b）。大涼山次級活動塊體是巴顏喀拉塊體和川滇菱形塊體向東和南東擠出時受穩定的華南塊體阻擋所形成的，構造活動和地震活動較強烈（聞學澤等，2013；程佳等，2014）。該塊體西邊界為SN-NNW向安寧河—則木河斷裂帶，以左旋走滑為主，滑動速率為4～7mm/a（聞學澤，2000；周榮軍等，2001；何宏林，池田安隆，2007；冉勇康等，2008）：其東邊界為SN-NNW向馬邊斷裂帶，以左旋走滑一擠壓逆沖為主，左旋走滑速率在3mm/a左右（張世民等，2005；徐錫偉等，2014）：其南部邊界為昭通—蓮峰斷裂帶，主要由蓮峰斷裂帶和昭通—魯甸斷裂帶2條NE向右旋走滑斷裂帶所組成，平行展布于四川大涼山南部至云南昭通魯甸地區，以擠壓逆沖性質為主，屬于川滇塊體和華南地塊邊界帶的一部分（聞學澤等，2013）。

區內主要發育北東向及北西向斷裂，其中多期活動的北東向斷裂是本區的主干構造，其余方向的斷裂一般為北東向構造的次級構造。NE向昭通—魯甸斷裂帶由龍樹斷裂、灑漁河斷裂和昭通—魯甸斷裂3條右階雁列展布的次級斷裂組成，總體走向NE40°～50°，沿斷裂發育昭通、魯甸等新生代盆地（常祖峰等，2014；李西等，2014），NW向發育包谷垴—小河斷裂，由數條斷續展布的短小斷層組成，總體走向330°，全長約40km（常祖峰等，2014；張彥琪等，2016；李西等，2018），如圖1a所示。震區范圍內主要以5～6級地震為活動背景，曾發生2003年云南魯甸5.0級和5.1級地震、2以科年云南魯甸5.6級地震、2006年云南鹽津2次5.1級地震、2012年云南彝良5.7級和5.6級地震、2014年云南魯甸6.5級地震以及2017年云南魯甸4.9級地震（聞學澤等，2013；李西等，2014）。

2 基于無人機航測技術的活動構造研究工作流程

2.1 無人機航測技術

無人機航測技術是指通過無人機與遙感技術相結合，搭載各類傳感器，利用先進的無人駕駛飛行技術、遙控技術及數字攝影測量等技術，從而方便快捷的獲取地面實時影像和各類遙感數據的測繪技術（李德仁，李明，2014）。無人機航測系統主要由無人機飛行平臺、成像傳感器系統和數據后處理系統3部分組成（洪宇等，2008；鄒長慧等，2011）。

根據飛行平臺的不同，將無人機主要分為固定翼無人機、多旋翼無人機、無人直升機3大類平臺，各類無人機飛行平臺根據自身的特點，應用領域如表1。成像傳感器是獲取遙感影像的重要組成部分，在航測作業中，需要根據無人機平臺的載荷條件、研究對象，選擇合適的傳感器。目前在攝影測量中常用的傳感器主要有：可見光相機、多光譜成像儀、高光譜相機、熱紅外掃描儀、激光雷達等。其中數碼相機作為拍攝可見光波段的成像傳感器，具有成本低，影像分辨率高的特點，因而被廣泛使用。

2.2 工作流程設定

在設定無人機航測系統工作流程時，首先需要根據3類無人機平臺的特點和航測區域的地形地貌特征選擇符合野外地質地貌調查工作實際的無人機航測系統。昭通一魯甸地區位于云南省東北部，該區域地形復雜、交通不便，而旋翼無人機具有便于攜帶、原地起降、定點懸停的特點，在多山地區微地貌調查工作中顯示出了較好地適用性。結合無人機航測系統的組成、野外構造地貌研究的需要，將無人機航測系統在構造地貌研究中的應用分為前期準備、遙感數據采集、數據處理、影像數據解譯4個部分，如圖2所示。

3 無人機航測技術在魯甸震區活動構造調查中的應用

3.1 數據采集

本文采用大疆Inspire 1四旋翼無人機搭載1200萬像素數碼相機對魯甸震區在衛星遙感影像解譯過程中發現的多個地貌點進行了航測數據采集。根據航測區域的實際情況，拍攝航高設定在80～120m，航向重疊率為70%～80%，旁向重疊率不低于65%，每個測區均勻布設4個地面控制點（GCP），共獲取了魯甸震區8個地貌點的低空數字影像，近2131張有效航空照片。后期基于PhotoScan軟件對影像數據進行影像對齊、優化圖片對齊方式、建立密集點云、構建地形網格、導入野外測量的像控點，生成了航拍點數字表面模型（DSM）、數字正射影像（DOM）。DSM數據中所選地面控制點的平均高程誤差為0.15m，數據分辨率可達0.1m/pix，真實地反映了航測區的地形地貌，滿足活動構造影像解譯及構造地貌實測的需求，航拍點航測數據如表2所示。

3.2 光明村地震地表破裂調查

李西等（2014）在魯甸MS6.5地震后對NW向包谷垴—小河斷裂展開了詳細的野外調查，發現了沿謝家營盤—光明村—王家坡一線NW向、長約8km斷續延展的地表破裂帶，并在光明村小埡口開挖了探槽。本文對NW向地表破裂帶中地表遺跡最為清晰的光明村小埡口段進行了低空無人機航測數據采集。

如圖3a、b所示，小埡口段在無人機正射影像及三維模型上表現為NW向平直的斷層槽谷地貌。在槽谷SE端，NW向與NE向破裂交匯部位，地表最為破碎，清晰地反映了槽谷內NW向與NE向2組地表破裂的空間展布（圖3d）。其中NW向地表破裂形態平直且延伸較遠，影像范圍內長約650m，沿槽谷北東側發育，產狀50°∠59°（圖3c、f），與山脊走向平行，在尾端出現分叉現象。NE向地表破裂則密集發育在槽谷SE端王家坡滑坡后緣附近，總體走向約40°，沿走向貫通性差，主要顯張性，根據影像測量裂縫寬度可達0.6m，認為NE向地表破裂可能主要是由王家坡滑坡重力因素誘發的次生地表破裂（圖3d）。據現場調查NW向地表破裂展布，發現地震鼓包及石塊的扭動方向顯示出破裂帶具有明顯的左行右階走滑特征（圖3e）。

3.3 新棚子村活動地貌與探槽選點

新棚子村無人機正射影像解譯表現為2條平行的NE向線性斷層槽谷地貌（圖4a），槽谷形態清晰平直，位于昭通—魯甸斷裂南段。線性槽谷沿走向向東延伸較遠，向西延伸在地貌上表現不清楚，根據無人機影像解譯初步認為斷裂向NW沿婭口通過。其中SE側斷層槽谷規模較大，據無人機影像測量槽谷最窄處寬度約26m，NW側斷層槽谷規模較小，寬度僅約10m（圖4b）。區內NE地勢整體較低，水系沿2條槽谷向NE匯聚，與2側地勢高差較大，槽谷內易于新的松散物源沉積，可以有效地記錄和保存地質構造事件。同時，槽谷2側植被比較發育，有利于碳樣的采集。NW側槽谷規模較小，易于控制斷層，且靠近公路，便于挖機施工，在地貌上符合探槽開挖的基本要求。

根據現場調查發現沿NW側槽谷走向，2側巖性不同，NW側為二疊系灰巖，SE側為泥盆系粉砂質泥巖，為斷層接觸關系。其SE側粉砂質泥巖可以為槽谷提供豐富、細粒的沉積物源（圖4c），能有效保存構造事件。沿斷裂走向調查，在槽谷SW段公路旁見基巖斷層（圖4d），斷層產狀為146°∠68°，斷裂帶內發育密集劈理、構造透鏡體，見近水平斷面擦痕。在NE段新棚子村待建住房開挖的剖面處見另一斷層剖面，顯示北東向斷層切割紅土，產狀160°∠81°，斷層滑動面見近水平擦痕（圖4e）。綜合以上影像解譯及野外調查結果，認為NW側規模較小的槽谷具備較好的地質地貌條件，符合探槽開挖的基本條件。經過多次踏勘對比，在NW側槽谷中段開挖探槽，并成功揭露斷層。

3.4 白巖村斷錯地貌與實測

白巖村位于魯甸盆地西南，屬于昭通一魯甸斷裂南段。無人機正射影像解譯表現為NE向線性斷層槽谷地貌（圖5a，b），槽谷線性形態清晰平直，經無人機影像測量槽谷最窄處寬度約35m，沿槽谷向兩端追索，線性延伸較遠。解譯初步認為斷裂沿槽谷東南側發育，沿斷裂走向發現沖溝、山脊出現同步右旋位錯（圖5a），其位錯方向與槽谷走向一致，對正射影像進行測量，沖溝位錯量為70m，山脊位錯量為74m，2者位錯量具有較好的同步性。

在野外調查驗證中發現槽谷2側巖性不同，線性槽谷NW側為二疊系灰巖，SE側為奧陶系砂巖。沿槽谷走向追索，在槽谷東南側公路邊發現斷層剖面（圖5c），斷層錯斷了中—晚更新世坡洪積層，顯逆沖性質，斷裂通過位置與無人機影像解譯結果一致。

4 結論

通過無人機航測技術在魯甸MS6.5地震震區活動構造調查中的應用，初步認為利用無人機航測技術可以快速獲取地表變形和構造地貌影像，其航測數據精度及分辨率滿足多山地區活動構造研究需要；光明村小埡口地表破裂精細結構調查、白巖村斷錯地貌實測、新棚子活動地貌探槽選點等應用結果展現出較好的適用性，可以有效提取地表破裂長度、裂縫寬度、水平位錯量、垂直位錯量、坡度等活動構造參數，為定量化研究活動斷裂提供有力的數據支撐。

本文是在謝英情高級工程師的提議下完成的，感謝審稿專家對本文提出的寶貴修改意見。

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