基于無人機航測的天景山斷裂孟家灣地貌精細解譯及活動構造定量參數提取

劉超 杜鵬 雷啟云 武治群 呂俊強 余思汗

摘要：利用無人機攝影測量技術航測天景山斷裂孟家灣的地表地形地貌數據，以獲取的數字高程模型為基礎，通過構造地貌精細解譯進一步提取地震斷層的水平位移量及垂直位錯量，計算斷層的平均水平滑動速率，并分析判識了古地震事件。結果表明：①研究區發育3期河流階地T3、T2、T1，且均被斷錯，最新的沖溝T0未見錯動;②在T1階地面上提取水平位移量為（7.77±0.98）m，計算得到全新世中期以來的平均水平滑動速率為0.86～0.91 mm/a;③在T1階地面上跨陡坎提取垂直位錯量為（0.61±0.11）m，其坡度存在2個明顯拐點，代表2次地表破裂型地震事件，推測在12 000 a前，即晚更新世末期或全新世初期以來至少發生過2次地表破裂型地震。

關鍵詞：無人機航測技術;天景山斷裂;構造地貌;精細解譯;定量參數

中圖分類號：P315.2 文獻標識碼：A 文章編號：1000-0666（2022）01-0100-09doi：10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2022.0011

0 引言

我國大陸地區發生地表破裂型強震時，會在地貌上形成斷層陡坎及與之相對應的水系斷錯和沖溝扭動，這些構造地貌記錄著斷層活動的重要信息，如活動方式、地震期次及錯斷位移等（鄧起東等，2004;張培震等，2008）。因此，構造地貌研究對獲取地貌演化過程和提取活動構造定量參數具有重要意義。

測量方法的增多和數據精度的提高為構造地貌的研究提供了極大的便利，而且用來表征地表地形地貌的數字高程模型（Digital Elevation Model，簡稱DEM）使得活動構造的定量研究進入到精細化階段，因此關于測量手段的選擇和發展也成為了活動構造研究的重點之一。傳統的數字化地形圖和野外地形測量，受自然條件的制約，存在效率低、范圍小和周期長的缺點（陳桂華等，2006;劉靜等，2013;王朋濤等，2016）。機載激光雷達（light detection and ranging，簡稱LiDAR）技術可以獲取大范圍、分米級分辨率的地形地貌數據，而且能夠剔除植被覆蓋的影響，為獲取斷錯地貌的形變參數提供了新的技術手段，但該方法成本高、后期數據處理復雜，限制了其推廣應用（Cunningham et al，2006;Oskin et al，2012;Lin et al，2013;任治坤等，2014）。高分辨率衛星遙感影像數據提取DEM的技術逐漸成熟，相比傳統野外方法效率高、相比LiDAR技術成本低，被廣泛應用于地球科學研究中（賈秀鵬等，2006;蔡慶空等，2014），但是獲取衛星遙感影像數據的成本依然很高，數據處理過程較為復雜（Zhou et al，2015;Bi et al，2018;汪思妤等，2018）。近年來，無人機（Unmanned Aerial Vehicle，簡稱UAV）技術，結合一種名為“Structure from Motion”（簡稱SfM）的新型數字攝影測量方法（Snavely et al，2008），以效率高、成本低和操作方式便捷等優點，已成為獲取DEM而廣泛使用的方法（Klinger et al，2011），尤其是在植被覆蓋稀少的西北干旱地區，其獲取的地形地貌數據質量可以與LiDAR技術相媲美，為獲取高精度、高分辨率的地表地形地貌數據提供了有力的支持，為活動構造的定量化和精細化研究帶來了新的技術途徑（Bemis et al，2014;Angster et al，2016;畢海蕓等，2017;于江等，2018）。

李新男（2014）受限于傳統的差分GPS地形測量和衛星遙感影像，僅在天景山斷裂孟家灣以東約500 m位置上提取了一系列沖溝的水平位移量，無法對地貌進行精細解譯，也沒有提取地震斷層的垂直位錯量，未進一步判識地貌中隱含的地震活動信息。鑒于此，本文利用無人機攝影測量新技術，對天景山斷裂孟家灣的地形地貌進行航測以獲取對應的DEM，并在此基礎之上對研究區的構造地貌進行精細解譯。通過提取地震斷層的水平位移量和垂直位錯量，結合前人的年代學結果進一步計算平均水平滑動速率，分析判識古地震事件，以展示無人機攝影測量技術對精細分析典型場點地形地貌和提取活動構造定量參數的應用價值，為后續野外開挖探槽及采集年代樣品提供參考。

1 天景山斷裂概述

天景山斷裂位于寧夏回族自治區中衛市的南部、天景山的北麓，是青藏高原向東北方向擴張形成的一條弧形構造帶（鄧起東等，2002;張培震等，2003），由8條次級斷層組合而成，其中孟家灣至粉石溝次級斷層全長約23 km，走向274°～280°，傾向總體SW，傾角50°～80°（張維歧等，2015）。新生代新近紀及其以前，該斷裂以向北的逆沖活動為主，進入第四紀轉變成逆—左旋走滑活動，致使沿斷裂不僅有明顯的斷層陡坎，而且伴隨一系列的水系（沖溝）左旋扭動。1709年，在該斷裂上發生了中衛南71/2級地震，形成了長約30 km的主體地表破裂帶（粉石溝至雙井子一帶），和西側長約23 km的次級地表破裂帶（粉石溝向西斷斷續續延伸到孟家灣、大堆堆溝附近）（圖1），這是該斷裂上唯一有記載的歷史大地震，雖然發生已久，但氣候干旱、人煙稀少，致使形變遺跡局部得到了保存，尤其是地震陡坎和水系扭動，至今仍清晰可辨，這些典型的構造地貌為本研究提供了合適的場所。

2 無人機航測

本次無人機航測的位置在孟家灣東南約2 km處（圖1），由于一系列沖溝發生同步左旋扭動，并且陡坎線性特征明顯，加之植被稀少，對于航測數據后期的處理影響較小，符合無人機航測地表地形地貌數據的選址要求。航測使用的無人機為精靈Phantom 4 Pro V2.0，搭載FC6310S型號的相機，配備1英寸2 000萬像素影像傳感器和8.8 mm焦距廣角鏡頭，以保證影像照片具備分辨率高、色彩還原度好及物體成像變形小的特性。

定位模式下，無人機使用GPS或多方位視覺系統雙模塊，懸停精度垂直<0.5 m、水平<1.5 m。盡管無人機集成了GPS定位模塊，拍攝時將GPS實時定位信息儲存于照片的屬性信息中，但由于GPS模塊實時定位的精度可能會造成DEM的絕對精度不佳（Turner et al，2012），因此適量的地面控制點能夠提高生成的DEM精度。劉超等（2021a）研究了無人機攝影測量技術有無地面控制點的差異性在地震方面的應用，得出了在無控制點的情況下，快速提取地貌形變參數的垂直誤差（在局部范圍內）<0.5 m、水平誤差<2.0 m;熊保頌（2020）分析了無人機在無控制點糾正的情況，發現水平測量距離越小精度越高，當其<100 m時，誤差<0.279 m，精度可達分米級，這些成果為本次活動構造的定量研究提供了理論依據。開挖探槽之前地形地貌測量的重點在于快速獲取構造地貌的參數信息，為探槽剖面的斷層位移和地震事件分析提供參考。提取活動構造的定量參數與DEM三維點的相對位置有關，因此基于上述前人對無控制點情況下精度的研究成果，本次航測并未加入地面控制點。

無人機拍攝照片的質量與環境條件、航跡、高度、重疊度等有關。此次數據采集選擇晴朗弱風天氣的中午時段進行航拍，以保證地貌上的最佳光線和無人機飛行的較好穩定性。利用自動飛行軟件設置飛行高度100 m，重疊度航向為80%、旁向為60%，相機角度90°，即正射向下。2019年1月17日中午13時，無人機在定位模式下航測獲得了影像照片39張。

3 數字高程模型的獲取

利用集成SfM算法的Agisoft PhotoScan軟件進行影像照片的處理，經過對齊照片、生成密集點云、生成網格、建立數字高程模型（DEM）和數字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，簡稱DOM）5個步驟完成拼接。軟件處理過程參考魏占玉等（2015）和劉超等（2021b）的研究，共耗時45 min，最終生成分辨率為13.30 cm/pix的DEM（圖2a）和分辨率為3.32 cm/pix的DOM（圖2b），影像的平均有效重疊約6.8次，照片密度圖顯示60%以上的區域影像覆蓋度在9張以上（圖2c），實現了天景山斷裂孟家灣構造地貌的清晰再現。

4 構造地貌的精細解譯

孟家灣研究區發育了多期次的河流階地，受構造活動和自然改造的影響，具有十分復雜的地貌特征，單從DOM（圖2b）無法準確地劃分階地面，但DEM可以作為構造地貌精細解譯的有力支撐。通過對DEM（圖2a）作進一步的處理，可以衍生出坡度圖（圖3a）和等高線圖（圖3b），以突出地形的起伏變化，便于判識微小的地貌差異信息。從圖3a可看出，沖溝跡線和溝壁分布更加明顯，顏色深、淺的明顯差異為地形異常的區分提供了依據。從圖3b可看出，等高線既不過于密集也不過于稀疏，既不包含大量噪點也不遺漏微小信息，等高線越密集代表地形的變化越大，而地震斷層造成的斷錯位置坡度明顯變大、等高線驟然變密，其兩側地形坡度變平緩、等高線變稀疏，故這些信息有助于識別構造位置或重要的地貌標志線，為復雜斷錯地貌的解譯提供初步的信息。

對圖3進行綜合分析和對比發現，地震斷層活動引起的地貌陡坎保留較好、特征清晰，圖3a中紅色實線即為斷層陡坎確定的斷層位置，走向89°，而且其造成了不同階地地貌的斷錯。為了對多級階地面進行定量分析，我們利用基于DEM的剖面提取方法，提取平行于斷層的地形剖面線，由于部分階地面受水流的侵蝕和堆積作用，導致斷層下盤延續性較差，故選擇斷層上盤的區域進行定量研究。圖3a中藍色實線為提取的地形剖面線的平面位置，對應的坡度和地形剖面見圖4，這些剖面可直觀地反映出各級階地的高程和坡度的變化。該方法為復雜多級地貌的精細解譯提供了定量研究的證據。

圖4將4條地形剖面圖縱向排列，由高程入手，對初步劃分的階地面進行縱向對比，表明T3、T2和T1階地面的海拔高度有著明顯的區分;再結合坡度信息和實際野外調查的情況，劃出了T1和T0的階地面分界，最終完成了對各級階地面的精細劃分，確定了3級階地。從圖中可以看出，各級階地之間的地形高差較大，被3條貫穿研究區的大型沖溝所切割，大型沖溝的溝壁坡度變化之大，在坡度圖上形成了較大的峰值。同時，一些小型沖溝切割較淺，對同一地貌面有所改造但影響有限，從坡度圖上反映出局部的異常而非階地分界的巨大變化，因此在分析的過程中不僅要橫向對比地形和坡度，也要縱向對比不同剖面上定量數據的變化是整體出現的還是局部出現的，如果是局部出現則不能將其劃為階地分界，只有整體上都有突變才能確定為階地分界。

綜上所述，通過對研究區的地形剖面圖和坡度圖進行橫向和縱向的對比分析，定量研究了各級階地面的數據差異，完成了研究區的地貌精細解譯，形成了地貌解譯圖（圖5）。圖5表明，東側最新的河道并未被斷層錯斷，但T1階地面被斷錯，同時，其西側的沖溝發生了左旋的錯動，在此基礎之上，可以在斷錯最新的T1階地面上提取垂直于斷裂方向的地形剖面數據，以確定最新地貌面的垂直位錯量，并對相應沖溝的左旋位移進行測量，可以得到該地貌所隱含的地震活動信息。

5 活動構造的定量參數提取

5.1 水平位移量

發震斷層發生水平活動時，橫穿斷層的水系或沖溝將產生相應的錯位變形，錯位的幅度近似代表了該水系或沖溝形成以來斷層的水平位移量。在實際測量時，以沖溝的中心線為標志，結合在DEM基礎上生成的坡度圖和0.5 m等高線圖，直接測量水系或沖溝彎曲拐點之間的距離，但是許多水系或沖溝受斷層錯動影響，在斷層上的彎曲走向與斷層走向并不重合而是有一定的夾角α，那么彎曲拐點之間的距離S則不能代表斷層真實的水平位移量;故理論上斷層真實的水平位移量D是水系或沖溝彎曲拐點之間的距離S與夾角α余弦值的乘積，即D=S·cos α（國家地震局地質研究所，寧夏回族自治區地震局，1990）。

利用上述方法，在圖6a疊置、放大的坡度圖和0.5 m等高線圖上，目視解譯了斷層兩側水系的趨勢線，分別測量了兩條趨勢線平行于水系彎曲走向的距離S1為11.11 m、S2為8.61 m，利用公式S=（S1+S2）/2、誤差=（S1-S2）/2，求得水系彎曲拐點之間的距離S為（9.86±1.25）m，結合水系彎曲走向與斷層走向的夾角α為38°，求得斷層真實的水平位移量D為（7.77±0.98）m。

從圖5地貌解譯圖來看，斷層北盤為T1相同級的階地面，而斷層南盤以沖溝為界區分T1和T2不同階地面，故提取T1相同階地面上剖面L5（圖6b）。圖6b表明該沖溝橫剖面呈“V”型，切割了斷層北盤T1階地面，且向南延伸不遠即消失了。張維歧等（2015）研究表明該沖溝形成年代為距今8 500～9 000 a，時代上分屬于全新世中期，故計算得到水平滑動速率為0.86～0.91 mm/a，代表了斷層全新世中期以來的平均水平滑動速率為0.86～0.91 mm/a。

5.2 垂直位錯量

在精細地貌解譯的基礎上，可以在同級階地面上提取垂直于斷層走向的地形剖面數據，以確定同級地貌面的垂直位錯量。在最新一期被斷層錯斷的T1階地面上跨斷層提取剖面P1和P2，剖面位置在測量水平位移量沖溝的東側（圖5中紫色實線），再提取2個剖面的垂直位錯量，結果見圖7。將地形剖面和坡度相結合，不僅能夠快速地分離上、下盤，而且地形剖面的坡度能夠反映斷層陡坎的坡降是否連續，對于多次地震事件產生的復合斷層陡坎，坡降則會不連續、坡度存在多個拐點，每個拐點代表1次地震事件（Carretier，2002）。

在垂直于斷層走向提取T1階地面上剖面P1和P2后，結合地形剖面高程和坡度，采用最小二乘法分別對斷層南、北兩側的地形剖面數據進行線性擬合來確定原始地貌面，擬合公式如圖7所示。2條擬合線之間的高度差即為相應剖面的垂直位錯量，即h=（h1+h2）/2、Δh=（h1-h2）/2，獲得2個剖面垂直位錯量分別為（0.79±0.06）m和（0.43±0.15）m，則平均垂直位錯量為（0.61±0.11）m。

在剖面P1和P2的斷層陡坎上，其地形剖面坡度存在2個明顯的拐點（圖7黑色虛線圓圈所示），拐點為坡度的峰值，較兩側明顯變大，每1個拐點代表1次地震事件。圖7顯示T1階地面自形成以來經歷了2次地表破裂型的地震事件，結合沖溝形成年代為距今8 500～9 000 a，認為該階地面比沖溝形成得更早，那么可以推測T1階地面為更新世末期或全新世初期形成的洪積扇面，時間大概在距今12 000 a左右，因此，該階地自更新世末期或全新世初期以來經歷了2次地表破裂型的地震事件，提取的垂直位錯量（0.61±0.11）m為2次事件的累積結果。閔偉等（2001）、陳國星等（2006）對天景山斷裂孟家灣的古地震研究表明：除了1709年的1次歷史地震之外，全新世以來還發生過2次古地震，估計其發生時間分別為距今（8 850±350）a和（5 450±238）a，這一結論與上述拐點顯示的地震事件相吻合，說明利用坡度拐點識別古地震事件的方法在該處是適用的。

6 討論

天景山斷裂晚第四紀以來有明顯的左旋走滑活動，地貌作為反映斷層左旋走滑運動的標志，其水系或沖溝對斷層活動最為敏感，且沿斷層分布最為廣泛，其扭動變形是斷層最新活動的產物。本文研究區內切穿T1階地面的單條“V”型沖溝發生了（7.77±0.98）m的左旋水平位移，年齡為距今8 500～9 000 a，由此計算，該點全新世中期以來的平均水平滑動速率為0.86～0.91 mm/a，與前人從孟家灣至粉石溝次級斷層上提取的14條沖溝水平位移量均值為5.2 m和全新世中期以來的平均水平滑動速率為0.57～0.61 mm/a（張維歧等，2015）相比，基本一致但略偏大。這一差異產生的原因可能有以下2個方面：①水平位移量差異，同一類型即橫剖面呈“V”型的沖溝，在時間上雖經歷的地震事件大致相同，但由于斷層產狀或地層巖性等在不同部位的差異，造成與之相應的沖溝位移值在通常情況下略有不同，可能導致孟家灣附近水平位移值偏大，那么一條斷層上諸多沖溝位移的均值可能會比孟家灣單條沖溝水平位移量小，因而單條沖溝計算的滑動速率就會大于整條斷層的平均滑動速率;②時間差異，“V”型沖溝的年齡的判定是以同期發育的階地形成年代為依據，實際有些更小的“V”型沖溝可能在階地形成一段時間后才陸續發育，把這些沖溝的位移也計算進來，會使得整條斷層的平均滑動速率變小，故會出現用單條沖溝計算的全新世中期以來的平均水平滑動速率大于用整條斷層計算的結果。

地表地形地貌數據為提取跨斷層地形剖面形態以及垂直位錯量帶來了極大便利，同時地形剖面上坡度的變化也是研究斷層活動歷史、判識古地震的重要形貌特征之一。多次地表破裂型地震產生的復合陡坎，其地形剖面上坡度存在多個拐點，每1個拐點代表1次地表破裂型事件。在斷層錯斷的最新地貌面即T1階地面，提取的2個剖面上坡度均存在2個明顯拐點，表明垂直位錯量（0.61±0.11）m為2次事件的累積結果，推測T1階地面為更新世末期或全新世初期形成的洪積扇面，那么該處地貌陡坎可能是一條較老地貌面上的復合地震陡坎，即12 000 a以來至少發生過2次大的古地震且造成了地表破裂，這為后續野外開挖探槽及采集年代樣品提供了重要的參考依據。

7 結論

本文基于無人機航測天景山斷裂孟家灣的地表地形地貌數據和獲取對應的DEM對研究區的構造地貌進行精細解譯，并提取地震斷層的水平位移量及垂直位錯量，結合階地年齡進一步計算平均水平滑動速率并分析判識古地震事件，得到以下結論：

（1）研究區發育3期河流階地，其中T3、T2和T1階地面均被錯動，最新的沖溝T0未見錯動。發育陡坎地貌，陡坎的整體走向為89°。

（2）利用切穿T1階地面的單條“V”型沖溝，提取水平位移量為（7.77±0.98）m。階地年齡為距今8 500～9 000 a，以此計算的全新世中期平均水平滑動速率為0.86～0.91 mm/a。

（3）在最新一期被錯斷的T1階地面上，提取垂直位錯量為（0.61±0.11）m;坡度曲線上存在2個明顯拐點，認為該階地形成以來經歷了2次地表破裂型地震事件，推測在12 000 a前，即更新世末期或全新世初期以來至少發生過2次地表破裂型地震。

本文從構造地貌上獲得的認識提高了人們對復雜階地精細劃分和古地震識別的能力，顯示出了無人機攝影測量技術在地貌精細解譯及定量分析中巨大的應用潛力，隨著活動構造研究向精細化和定量化發展，該方法將會有更大的使用價值，但是目前還存在一定的局限性，一些重要的影響因素例如地面控制點、飛行高度等，還需要在今后的研究中不斷完善以提高DEM的精度;同時利用陡坎坡度拐點分析古地震的方法還需要后續開挖探槽及采集年代樣品進行補充驗證，通過更多的應用實例、綜合多種方法的結果判識地震事件，讓無人機攝影測量技術在活動構造研究中具有更多的實用意義。

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Fine Geomorphic Interpretation and Quantitative-parameter Extractionof the Active Structure of Mengjiawan of the Tianjingshan Fault Basedon UAV Photogrammetric Technique

LIU Chao，DU Peng，LEI Qiyun，WU Zhiqun，LYU Junqiang，YU Sihan

（Earthquake Agency of Ningxia Hui Autonomous Region，Yinchuan 750001，Ningxia，China）

Abstract

The Unmanned Aerial Vehicle（UAV）photogrammetric technique was used to collect the topographic and geomorphic data of Mengjiawan observatory site in the Tianjingshan Fault in order to get the digital elevation model.Then，through fine interpretation of tectonic geomorphology，the horizontal displacement and vertical dislocation of seismic faults were extracted.The average horizontal slip rate of the fault was calculated，and the paleoseismic events were analyzed and identified.The results show that：①Three stages of river terraces T3，T2 and T1 developed in the study area，and all of them were interrupted，but the latest gully T0 was not disturbed.②The average，horizontal，slip-rate since the middle of Holocene was 0.86-0.91 mm/a，which was calculated on the basis of the horizontal displacement of（7.77±0.98）m on the T1 terrace.③The vertical dislocation across the steep ridge on terrace T1 was（0.61±0.11）m，and the terraces slope had two obvious inflection points，which represented two seismic events in the form of surface rupture.It was presumed that there had been at least two seismic events in the form of surface rupture since the end of the Late Pleistocene or the beginning of the Holocene，namely 12 000 years ago.

Keywords：UAV photoqrammetric technique;the Tianjingshan Fault;tectonic landforms;fine interpretation;quantitative parameters