基于無人機SfM及LaDiCaoz的地震地表破裂定量參數提取
——以爐霍扎交村一帶地震典型地表破裂為例

廖 程 梁明劍 周文英 吳微微 劉書淮

1 四川省地震局,成都市人民南路三段29號,610041 2 中國地震局成都青藏高原地震研究所,成都市人民南路三段29號,610041 3 重慶市地震局,重慶市紅黃路339號,401147

活動斷裂的位錯量是活動構造研究中的一項重要參數,斷裂的同震位錯和累積位錯對理解斷裂的運動學過程和機制及地震危險性評價具有重要意義[1]。傳統(tǒng)斷裂位錯測量主要通過野外工作者的觀察和皮尺測量獲得,會因視覺等產生誤差,也無法對測量結果進行驗證。LaDiCaoz是Zielke等[2]基于MATLAB開發(fā)的一款專門用于走滑斷裂位錯測量的專業(yè)軟件,通過高精度DEM數據對斷層兩側的地形剖面形態(tài)進行整體評估,得出位錯地貌的最佳位錯量[3],結果具有較高的可靠性[4-5]。

高精度高分辨率的地形地貌數據能夠刻畫細微的地表精細結構,是活動構造定量研究的基礎[2]。傳統(tǒng)數字化地圖和野外地形測量受自然條件制約,存在效率低、范圍小、周期長等問題[6],而目前流行的機載激光雷達(light detection and ranging,LiDAR)雖可以快速獲取大范圍的、高精度地形地貌數據,同時剔除植被覆蓋的影響,但因高成本和復雜的數據處理過程,限制了其在活動構造研究中的應用。近年來,隨著無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)和數字測量技術的發(fā)展,一種效率高、成本低、操作便捷的新型三維場景重建技術(structure from motion,SfM)被廣泛用于小范圍高精度和高分辨率的地形地貌測量,特別適用于植被稀少的地區(qū)[7]。

資料顯示,爐霍地區(qū)1811年以來共發(fā)生6級以上地震5次,7級以上地震3次[8],其中1973年爐霍7.6級地震產生3.6 m的水平位錯及長達90 km的地表破裂,造成巨大的人員傷亡和財產損失[9-10]。本文以爐霍扎交村一帶地震典型位錯地貌為例,基于無人機攝影、新型三維場景重建技術(SfM)及LaDiCaoz軟件獲取高精度、高分辨率地表破裂地形地貌數據,并對其進行位錯提取,探討相關技術在活動構造研究中的運用。

1 爐霍扎交村一帶地震典型地表破裂帶

鮮水河斷裂位于青藏高原東緣,為巴顏喀拉塊體和川滇菱形塊體的邊界帶,是中國大陸地區(qū)地震活動性最強的大型左旋走滑斷裂帶(圖1(a)),過去300 a共發(fā)生7級以上地震8次、6.5級以上地震16次[8,11],震中幾乎遍布整條斷裂。扎交村位于鮮水河斷裂爐霍段,該區(qū)較為典型和較新的地表破裂產生于1973年爐霍地震,破裂帶自旦都向NE和SE兩個方向延伸,向SE延伸至蝦拉沱一帶,破裂類型豐富多樣[9]。在爐霍縣蝦拉沱鎮(zhèn)扎交村一帶,可見地震地裂縫、地震鼓包、地貌位錯和擠壓脊等豐富的地震遺跡,通過現(xiàn)場調查和無人機攝影可以清晰地看到地表破裂和斷裂行跡(圖1(b),通過SfM處理后裁剪得到地貌正射影像),其中有2個典型的地表破裂構造:山脊位錯地貌(圖1(b)區(qū)域A)和擠壓脊地貌(圖1(b)區(qū)域B)。

山脊位錯地貌(區(qū)域A)的照片及模式如圖2所示,其中圖2(b)為小飛機垂直攝影得到的地貌影像。從圖2可以看出,斷層切過山脊,有明顯的位錯和破裂面,為斷裂發(fā)生左旋走滑、斷層兩盤向相反方向運動形成。擠壓脊地貌(區(qū)域B)的照片和模式見圖3,其中圖3(d)為LaDiCaoz軟件疊加等高線后的高精度地形地貌影像。從圖3可以看出,相對于小飛機直接拍攝的影像,高精度地形地貌數據能更清晰地識別出斷裂行跡,擠壓脊的形成主要受控于主斷裂及其分支斷裂相互擠壓作用,同時沿主斷裂可見一系列拉張裂縫。

圖2 山脊位錯照片及模式

圖3 擠壓脊照片和模式

2 典型地貌位錯定量參數提取

本文以研究區(qū)內典型山脊位錯地貌(圖2)為例,詳細介紹相關方法在位錯提取中的運用。位錯提取主要包括4個步驟(圖4):1)野外數據采集,在野外通過小型無人機對位錯地貌及附近區(qū)域地形地貌進行垂直地面拍攝,獲取區(qū)域內清晰的影像照片;2)SfM三維地貌重建,將無人機拍攝的影像照片導入Agisoft PhotoScan軟件進行拼接,并生成區(qū)域高精度DEM文件(tiff格式);3)格式轉化,將高精度DEM文件導入ArcGIS,通過轉換工具將tiff文件轉換為asc文件格式;4)LaDiCaoz位錯提取,將轉換后的asc文件導入LaDiCaoz軟件,按照軟件界面流程依次輸入和調整相關參數,獲取位錯地貌的最佳位錯量。

圖4 位錯提取流程

2.1 無人機野外數據采集

小型無人機攝影具有成本低、效率高、攜帶方便和操作簡單等優(yōu)點,被廣泛用于野外地質測量工作中。本文使用大疆精靈Phantom 3 Pro進行野外數據采集,該無人機系統(tǒng)搭載20 mm低畸變廣角相機、高精度防抖云臺及1 200萬像素圖像傳感器,保證了影像的高分辨率、低畸變和高色彩還原度等特征,同時搭載用作精準定位懸停和平穩(wěn)飛行的視覺定位系統(tǒng),可以很好地辨識地面紋理和相對高度。該款無人機系統(tǒng)的總重量為1 645 g,較其他系列重,可更好地適應較大風力環(huán)境。本次無人機拍攝時間為晴朗弱風的下午,確保拍攝時光線充足,飛行平穩(wěn)。根據現(xiàn)場環(huán)境和斷裂走向,設置飛行高度為80 m,航向和旁向重疊度分別為80%和70%。航向盡量平行于斷層走向,相機正射向下垂直于地面拍攝,可保證較高的地面分辨率及足夠的覆蓋率。通過無人機航拍,最終獲得高分辨率影像照片153張。此次斷裂影像采集區(qū)位于高原草甸區(qū),地表覆蓋物少且視野開闊,現(xiàn)場提取影像數據可很好地反映真實地形情況下的DEM數據。

2.2 SfM三維地貌重建

SfM方法的核心思想是通過特征匹配算法獲取多視圖影像之間的同名特征,初步估計相機位置和目標物的坐標,然后利用非線性最小二乘算法不斷優(yōu)化,最終自動求解出目標物的三維空間坐標[12-13]。該方法可將不同拍攝高度、角度,甚至不同相機拍攝的影像數據組合在一起進行處理,對攝影相機及拍攝者的技術要求較低[14]。

本文利用集成 SfM方法的Agisoft PhotoScan軟件進行影像照片的處理,該軟件主要對無人機獲取的影像照片進行拼接,經過對齊照片、建立密集點云、生成網格、獲取正射影像和建立DEM等5個步驟完成拼接,其中前3個步驟的相關參數設置會影響正射影像和DEM數據的分辨率。本文設置對齊照片精度為高,成對預選為通用,建立密集點云質量為高,生成網格表面類型為任意,源數據為密集點云,面數為中。

在將影像導入PhotoScan軟件前,將成像不清晰、光線不足及偏離研究區(qū)范圍太遠的影像進行剔除,之后對齊照片,目的是對影像特征進行提取并匹配,得到影像間的相對位置關系,該精度對三維重建結果有重要影響。在此基礎上建立密集點云,主要根據多視角立體攝影測量(MVS)算法在影像對之間進行逐像素搜索和匹配[12],并生成高密度點云數據,此時分辨率可達cm級,該步驟對計算機性能要求較高[15]。最后在高精度密集點云數據的基礎上生成網格,得到分辨率為1.1 cm/pix的正射影像(圖5(a))和4.4 cm/pix的DEM數據(圖5(b)),并基于DEM數據生成山體陰影圖(圖5(c)),其點云密度為256點/m2,有效重疊約13.8次,影像覆蓋度在9張以上的面積區(qū)域約占區(qū)域覆蓋總面積的70%。從圖5可以看出,生成的數據分辨率較高,可清晰識別斷層的幾何形態(tài)和微小地貌特征,并對地表破裂進行精細解譯。

圖5 SfM方法影像照片處理結果及地表破裂精細解譯

2.3 格式轉化

將高精度DEM.tiff數據導入ArcGIS10.2,通過ArcToolbox-轉換工具-由柵格轉出-柵格轉ASCII流程,最終實現(xiàn)對DEM數據的格式轉換,為下一步的位錯提取提供高精度、高分辨率的DEM.asc數據。

2.4 LaDiCaoz位錯提取

目前,LaDiCaoz軟件在活動構造研究中已有較多運用[12,16]。本文采用LaDiCaoz_v2.1軟件對地貌位錯進行提取,主要步驟為:

1)數據輸入。將位錯周圍區(qū)域高精度高分辨率的DEM.asc數據導入,當加載類型為其他時,會在Offset from Back-Slipping處理過程中出現(xiàn)錯誤提示,因此處理時選擇導入asc類型數據。另外,當導入區(qū)域范圍過大時會導致圖像加載時間過長,后期步驟處理緩慢,需要在ArcMap中運用Clip工具進行裁剪處理。

2)數據顯示。通過鼠標定義范圍對測量的位錯地貌及周邊區(qū)域進行裁剪,選擇地形(topography)作為裁剪區(qū)域的頂層,選擇山體陰影(hillshade)作為底層,設置Azimuth為1、Zenith為40、Z-factor為1、頂層圖層的清晰度為0.5、底層圖層為1,從而獲得更清晰的破裂帶行跡和地形地貌特征;設置等高線間距為0.3 m,便于沿等高線拐點追索標志性位錯地貌的精細走向趨勢。

3)繪制斷裂行跡。根據疊加了等高線的高精度高分辨率地形地貌圖,通過兩點一線繪制斷裂行跡;設置斷裂行跡(圖6(a)淡藍色線)到上下部剖面線的距離為6 m,軟件自動生成平行于斷裂行跡的2條剖面線(圖6(a)紅色和藍色線);設置剖面線寬度為0.5 m,切割紅色剖面上需要擬合的山脊剖面(圖6(a)紅色剖面線上兩黃點控制的剖面段),為計算最佳偏移量提供參考標志性地貌剖面。

圖6 LaDiCaoz軟件位錯提取過程及結果

4)追索地貌特征。根據山脊地形地貌特征繪制斷裂兩側的山脊趨勢線,并使趨勢線交于斷裂,設置剖面線寬度為0.5 m。

5)繪制縱向剖面。在顯示已完成的山脊剖面上繪制山脊上下部縱向剖面走向,繪制完成后,軟件自動提取水平位錯值為6.663 81 m,垂直位錯值為0.547 06 m。

6)計算最佳偏移量。根據自動提取的位錯值,輸入水平位移量范圍為-10～10、dx=0.1,垂直位移量范圍為-1～1、dy=0.1,之后軟件會根據斷裂兩側剖面線擬合地貌標志體,得到最佳偏移量為水平位錯值-6.3 m、垂直位錯值0.4 m。從圖6(d)可看出,山脊剖面線在擬合后能較好地重合,誤差值最低時即為最佳偏移量。在獲得最佳偏移量后,通過“試錯”的方式嘗試回滑一定的位移值(最佳偏移量附近),并結合誤差曲線得到誤差范圍,最終得到水平位錯為6.3(+0.5/-0.7)m,垂直位錯為0.4(+0.1/-0.1)m。

7)偏移量回滑。輸入得到的最佳偏移量,通過回滑時斷層地貌沿斷層平面兩側相對滑動,對斷錯地貌位錯前原始形態(tài)進行可視化檢查,通過回滑得到斷錯地貌位錯恢復圖?；鼗髷嗔褍蓚鹊纳郊沟孛财拭嫫ヅ涠容^高(圖6(b)),說明擬合的位錯結果能準確反映斷錯地貌位錯前的原始形態(tài),擬合的位錯結果合理可靠。

8)數據輸出選項。對山脊位移量進行質量評定,確定其作為位錯滑移指標的可靠性,根據地貌復雜程度和可靠度可分為“high”、“high-moderate”、“moderate”、“moderate-low”、“l(fā)ow”五個等級。此次位錯山脊與斷裂夾角大,山脊受剝蝕及其他外動力地質作用破壞小,斷裂兩側山脊長而直,能清晰判斷山脊走向趨勢,因此對山脊位移量的質量評定為“high”。

9)保存結果。對LaDiCaoz軟件所有輸入參數、原始底圖、山脊剖面、有山脊和斷裂軌跡的底圖及回滑地形圖等進行保存。

3 結 語

本文利用無人機SfM方法獲得高分辨率正射影像及高精度DEM數據,基于高分辨率的DEM數據,利用LaDiCaoz軟件對爐霍扎交村一帶典型地震位錯地貌的位錯量進行定量提取,最終擬合得到位錯地貌的水平位錯為6.3(+0.5/-0.7)m,垂直位錯為0.4(+0.1/-0.1)m。水平位錯量明顯大于垂直位錯,且斷裂以左旋走滑為主,與鮮水河斷裂活動性質一致,位錯量大小與實際情況相符(實測的水平位錯量為5.8 m),回滑后斷裂兩側的山脊地貌剖面具有較高的匹配度,說明軟件擬合結果可靠。

爐霍地區(qū)1811年來發(fā)生的5次大地震中有3次產生了地表破裂,其中1973年爐霍地震在震中虛虛村一帶產生3.6 m的水平位錯。由于同震水平位錯自震中向兩側逐漸減小[9,17-18],本文研究區(qū)位于蝦拉沱一帶,該地震在此處產生的同震位錯必小于3.6 m。錢洪等[19]根據爐霍地區(qū)不同地震位錯地貌數據進行分析認為,1973年和1816年2次地震在扎交村一帶產生的累積位錯量約為4 m,小于本文測量結果6.3 m。此外,梁明劍等[20]在位錯地貌點西北側約800 m處及500 m處開挖3個探槽,揭示了6次古地震事件,證實1973年和1816年地震在研究區(qū)一帶產生了地表破裂。綜上認為,本文山脊位錯地貌的位錯量是至少受3次強震影響的結果。

通過無人機SfM方法可高效、便捷、低成本地獲取小范圍區(qū)域高分辨率、高精度地形地貌數據,且數據質量可滿足活動斷裂精細結構研究和定量參數提取,在川西植被覆蓋較低的高海拔地區(qū)有廣闊的應用前景,但在野外測量中受天氣狀況和電池續(xù)航能力影響較大,無法滿足大規(guī)模地震地表破裂帶調查工作。利用LaDiCaoz進行位錯提取時,可根據高精度地形地貌數據對標志性地貌的趨勢線進行更加準確的追索,并通過回滑恢復原始地貌狀態(tài)來檢驗結果的可靠性,進一步減小了人為因素產生的結果誤差,實現(xiàn)了對活動斷裂位錯量提取的半自動化。