基于P5立體像對和高分辨率Google Earth 影像的麗江-小金河斷裂斷錯地貌解譯1

李天龍 張世民 丁 銳 劉 韶 趙麗媛

（中國地震局地殼應(yīng)力研究所，地殼動力學(xué)重點實驗室，北京 100085）

引言

衛(wèi)星遙感影像是地球表面按一定比例尺縮小了的自然景觀綜合圖。早在20世紀(jì)80年代初期，我國就開始了活動斷裂的專題研究工作及后期的大比例尺地質(zhì)填圖和綜合研究，在工作中就逐漸重視到航衛(wèi)片的解譯工作，因為有許多斷錯地貌只有通過航衛(wèi)片資料的解譯才能得到更加完整的定量參數(shù)，可以從宏觀上掌握活動斷層的基本特征，最為重要的是大大提高了工作效率（鄭文俊等，2002）。數(shù)字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）是用數(shù)字化形式表達(dá)的地形信息，而地貌研究的基礎(chǔ)是對地表地貌形態(tài)特征參數(shù)的描述，利用數(shù)字高程模型可以對構(gòu)造地貌進(jìn)行研究。

近幾年來，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，給傳統(tǒng)的二維影像注入了新的活力，三維立體影像正成為遙感影像發(fā)展的一個重要方向（落紅衛(wèi)，2008）。將遙感影像和數(shù)字高程模型（DEM）相結(jié)合的三維立體影像就是按照一定比例對現(xiàn)實世界或其中一部分的一個或多個方面的三維、抽象的描述（或綜合），其形象性、功能性遠(yuǎn)強于二維遙感影像。劉華國等（2011）在研究西南天山柯坪推覆構(gòu)造系時，利用印度P5立體像對提取出的DEM和GeoEye-1多光譜影像，采用二維和三維相結(jié)合的方法對跨褶皺山系的出露地層進(jìn)行了產(chǎn)狀提取。畢麗思等（2011）在研究霍山山前斷裂時，基于高分辨率IRS-P5 DEM數(shù)據(jù)提取了橫穿斷裂的沖溝，在沖溝縱剖面上識別出斷裂活動誘發(fā)裂點，并將裂點序列同前人通過探槽揭露的古地震事件期次和強震重復(fù)周期很好的對應(yīng)了起來。宮會玲等（2008）在研究安寧河斷裂時，利用數(shù)字?jǐn)z影測量方法，得到了該地區(qū)水平分辨率為5m的DEM及正射影像，并將二者相結(jié)合，提取出了河流階地，進(jìn)行了階地斷錯定量化分析。

麗江-小金河斷裂是川滇菱形塊體內(nèi)部在中新生代龍門山—錦屏山—玉龍雪山推覆構(gòu)造帶南西段基礎(chǔ)上形成的一條北東向活動斷裂帶，南西起自紅河斷裂帶北段的劍川盆地，向北東經(jīng)麗江、寧蒗西北的寶地、天生橋、鹽源、木里等地，東止于安寧河斷裂帶的冕寧以北，由多條斜列的次級斷層組成（圖1），斷裂總體走向N40°—50°E，傾向NW（徐錫偉等，2003）。徐錫偉等（2003）曾對麗江-小金河斷裂做過野外斷錯地貌調(diào)查，其主要結(jié)論為：在麗江-小金河斷裂帶西南段南溪旦讀村北東山前地帶，斷裂左旋切割一沖洪積扇（al）及其上小沖溝，其中小沖溝的左旋位移量達(dá)（31±4）m；在洪積扇頂部褐紅色耕作土之下、洪積礫石層之上發(fā)育著厚1m左右的黑色泥炭層，推測為斷塞塘堆積。麗江盆地北東的團(tuán)山蓮花村前，一沖溝口的沖洪積扇也被左旋錯動，在扇面上形成高約 1.5m的斷層陡坎，沖洪積扇東緣與小沖溝T1階地陡坎（a2/T1）的左旋位移量約8.6m。

本文通過P5立體像對提取出的麗江-小金河斷裂帶DEM（數(shù)字高程模型），與1:5萬地形圖等高線高程、RTK測量得到的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并對DEM進(jìn)行了精度評價。同時將獲得的DEM結(jié)合Google Earth高清衛(wèi)星影像，形成三維立體影像，對麗江-小金河斷裂在干塘子及南溪盆地進(jìn)行了斷錯地貌解譯及對比。最后通過探槽對解譯結(jié)果進(jìn)行了檢驗。結(jié)果表明，通過P5立體像對形成DEM獲得的三維立體圖像，明顯優(yōu)于1:5萬地形圖形成的三維立體圖像。最終利用三維立體影像對麗江-小金河斷裂進(jìn)行了斷錯地貌解譯。

1 DEM提取

印度Cartosat-1號衛(wèi)星搭載2個空間分辨率為2.5m的可見光全色波段攝像儀，沿軌道方向一個的前視角為26°，另一個的后視角為5°，2個相機獲取同一景影像的時間差僅為52s，因此 2幅圖像的輻射效應(yīng)基本一致，有利于立體觀察和影像匹配。形成像對的有效幅寬為26km，基線高度比為0.62。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)具備真正 2.5m分辨率，應(yīng)用尺度能夠達(dá)到 1:10000；在制圖方面，像對生成DEM以及制圖精度可達(dá)1:25000。

1.1 立體像對提取DEM原理

立體像對獲取DEM的原理比較簡單，在天空2點拍攝地面同1點時形成1個角，當(dāng)天空 2點的空間位置確定后，該角度越大地物點越高，將地面所有點的高程解算后就得到了數(shù)字地面模型，如圖2所示。圖2中S1、S2為2個攝影基站，A、B、C分別為3個地物點，a1、b1、c1和a2、b2、c2分別為3個地物點A、B、C經(jīng)S1、S2后形成的像點（黨軍宏等，2012）。

1.2 ENVI軟件制作DEM流程

本文采用遙感影像處理軟件ENVI 4.6.1中的DEM Extraction模塊提取P5立體像對的DEM（黨軍宏等，2012），應(yīng)用了前人提取DEM的方法，總共分為以下6個步驟（圖3）：

（1）輸入立體像對。選擇要處理的 P5立體像對數(shù)據(jù)，分別指定左像、右像，并且自動讀取影像附帶文件 RPC，并根據(jù)RPC文件信息，自動初步解算出實驗區(qū)域的最大和最小高程值，為后面DEM生成過程中的立體匹配提供方便，縮小搜索范圍。

（2）控制點選取。在陸地范圍內(nèi)選取地面上容易識別的點，如：道路的交叉處、標(biāo)志性建筑拐角、湖泊或者水庫的邊角及沖溝溝口、河流交匯處等10個控制點左右，盡量均勻分布在整個影像范圍內(nèi)。

（3）連接點匹配。連接點匹配的目的是消除兩幅圖像在Y方向上的視差，將匹配問題變二維為一維。連接點匹配即立體匹配，其本質(zhì)就是給定一幅圖像中的一點，尋求在另一幅圖像中的對應(yīng)點，即實現(xiàn)同名點匹配。

（4）生成核線影像。核線影像能夠消除左右影像間的上下視差，即左、右影像的地面特征點具有共同的Y坐標(biāo)，從而將二維的問題變?yōu)橐痪S的問題，大大加快了圖像匹配處理速度，提高了匹配結(jié)果的可靠性。

（5）生成DEM。在ENVI中設(shè)置好DEM提取的一些參數(shù)，比如：地形精細(xì)度、地貌特征、背景值和移動窗口大小等。

（6）DEM的編輯。由于傳感器本身的物理特性或外界一些因素的影響會產(chǎn)生一些噪聲，使得圖像不清晰，因此在DEM提取過程中，一些像素的匹配誤差可能很大甚至失?。ù罅康年幱按嬖?、對比度較低等原因）。這時就要對生成的DEM進(jìn)行編輯。

圖2 立體像對提取DEMFig. 2 DEM extracting by stereographs

圖3 ENVI軟件制作DEM流程圖Fig. 3 Flowchart of DEM extracting by ENVI software

2 DEM精度評價

DEM精度評定可通過兩種不同的途徑來進(jìn)行，一種是平面精度和高程精度分開評定，另一種是兩種精度同時評定。對于前者，平面的精度結(jié)果可獨立于垂直方向的精度結(jié)果而獲得；但對于后者，兩種精度的獲取必須同時進(jìn)行。在現(xiàn)實應(yīng)用中，一般只討論DEM的高程精度問題（張衛(wèi)柱等，2003）。DEM精度評價的方法有：檢查點法、等高線套合分析法、剖面線法和影像分析法等（唐新明等，1999）。本文主要采用等高線套合分析法和剖面線法進(jìn)行精度評估。

2.1 等高線套合分析法

等高線套合分析法就是將提取出的DEM進(jìn)行密度分割，把單波段DEM圖像按亮度分層，對每層賦予不同的色彩，表示不同的高程。將密度分割后的DEM和1:5萬地形圖等高線比較，檢查不同色彩與等高線契合的實際狀況。圖4為DEM密度分割圖與1:5萬地形圖等高線疊加后的對比圖。從圖中可以看到，DEM的不同色帶與等高線高程具有很好的相應(yīng)一致性，尤其在較平緩地區(qū)地形圖上相鄰2條等高線間有多條色帶，說明DEM高程精度超過了1:5萬地形圖高程精度。

2.2 剖面線法

剖面線法是按一定的剖面量測計算高程點和實際高程點的精度計算方法。剖面可以是沿X方向、Y方向或任意方向（唐新明等，1999）。本文將從DEM上任意方向提取的剖面，與采用Unistrong GPS在干塘子地區(qū)小范圍內(nèi)進(jìn)行實時動態(tài)差分（RTK）測量而內(nèi)插生成的不規(guī)則三角網(wǎng)面（即tin，其實際高程精度能達(dá)到cm級）及1:5萬地形圖上對應(yīng)位置提取的剖面進(jìn)行對比。從對比結(jié)果來看（圖7 GTZ-1），三者地形起伏度基本一致，從tin上提取出的剖面線與實際地形一致；而從DEM上提取出的剖面線有些許波狀起伏，但整體地形與實際地形趨勢在總體上趨于一致。對于單個點而言，DEM和tin兩者高程相差在5m以內(nèi)，二者明顯優(yōu)于等高間距為20m的1:5萬地形圖。圖6a中GTZ-1為在DEM、tin和1:5萬地形圖上所拉剖面線的位置。

圖4 DEM與1:5萬地形圖等高線進(jìn)行對比（左圖為干塘子；右圖為南溪）Fig. 4 Comparison between DEM and 1:50000 topographic map(the left is Gantangzi, the right is Nanxi)

3 斷錯地貌的三維立體影像分析

3.1 南溪盆地

圖5 南溪盆地三維影像對比Fig. 5 Comparison of the 3-dimentional images of Nanxi basin

南溪盆地位于麗江市西南方向，是晚第三紀(jì)以來的沉積盆地（向宏發(fā)等，2002）。圖 5a為南溪盆地平面影像解譯圖；圖5b為從P5立體像對提取出的DEM疊加Google Earth影像做出的三維立體圖；圖5c為由1:5萬矢量地形圖等高線生成的DEM疊加Google Earth影像做出的三維立體圖；圖5d為Google Earth三維影像；圖5e為相機拍攝的圖5a中黃色矩形框所對應(yīng)的實際地形照片。從圖5a中可以看出，麗江-小金河斷裂控制南溪盆地的東南邊界，在圖上有很好的線性表示，斷層斷錯了沖溝和洪積扇。將圖5b、5c和5d三幅立體影像同圖5e實際地形進(jìn)行對比，可以看出P5立體像對提取出的DEM最優(yōu)，與實際地形最為接近，地形細(xì)節(jié)顯示的較好，其次為1:5萬地形圖，而Google Earth影像的三維效果最差，由其形成的地貌面較為平整，兩級地貌面之間由平直的斜坡相連接，與實際地形差別較大。

3.2 干塘子斷陷盆地

在麗江市東北團(tuán)山—干地壩一帶，麗江—寧蒗公路的西北一側(cè)，從影像上可見高聳的基巖山與低矮的殘丘平原間有十分醒目的基巖斷層陡崖地貌。北東走向的麗江-小金河斷裂正是沿這一基巖陡崖的下方通過（向宏發(fā)等，2002）。從干地壩再往北東方向走，進(jìn)入干塘子后，麗江-小金河斷裂分為南、北兩支：北支仍沿基巖陡崖下方經(jīng)過；南支切斷沖溝階地及洪積扇，形成斷層陡坎和臺地。干塘子西邊有斷塞塘發(fā)育。根據(jù)分析，干塘子應(yīng)為南、北兩支斷層走滑拉分后形成的斷陷盆地（圖6a）。

圖6 干塘子三維影像圖對比Fig. 6 Comparison of the 3-dimentional images of Gantangzi basin

圖7 DEM、tin、1:5萬地形圖及Google Earth地形剖面線對比（GTZ-1見圖6；NX-1見圖5；圖中地形圖和Google Earth高程為絕對高程；DEM和RTK-tin為相對高程）Fig. 7 Comparison of section lines of DEM, tin, 1:50000 topographic map and Google Earth Topography (see GTZ-1 in Fig. 6, NX-1 in Fig. 5)

從三維影像圖的對比（圖6）來看，仍是從P5立體像對提取出來的DEM生成的三維影像（圖6b）最優(yōu)，與實際地形較為一致；其次為1:5萬地形圖，而Google Earth影像（圖6d）的三維效果最差，路邊的山坡成了平直的斜坡，沒有細(xì)致地顯示河流階地和臺地等地貌。

4 探槽驗證與斷錯地貌分析

4.1 探槽驗證

通過上述對P5立體像對提取出的DEM精度的評價和多種三維影像圖的對比可以看出，從P5立體像對提取出的DEM精度最高，生成的三維影像最逼真。經(jīng)過在室內(nèi)利用三維影像解譯出的斷層地貌，初步選定了幾處探槽位置（見圖6a、圖10）。通過野外實地踏勘和仔細(xì)論證，最終在解譯的斷層陡坎位置上進(jìn)行了開挖。圖8為南溪西南探槽剖面，揭示出的斷層位置與影像分析基本一致。

圖8 南溪西南探槽Fig. 8 The trench in the southwest of Nanxi

圖9 干塘子76m長東探槽西壁Fig. 9 The west wall of a 76m long trench in Gantangzi

圖9 為干塘子?xùn)|探槽西壁剖面，揭示出的斷層位置與室內(nèi)三維影像分析一致，證實了干塘子是兩支斷層控制的斷陷盆地。

4.2 斷錯地貌分析

4.2.1 南溪盆地東南邊緣

利用P5立體像對提取出的DEM具有很高的精度，與Google Earth高清影像疊加后，可以制作成高精度的三維立體影像，從三維立體圖上就可以直接量測出斷層崖、斷層陡坎以及河流階地斷錯等斷錯地貌的垂直位錯量。圖10為南溪盆地東南邊界斷層（紅色箭頭指示位置）對斷錯地貌拉的4條剖面線（圖11），從剖面線（圖11）上可以看出，斷層在該段的垂直位錯量為25—35m。

圖10 南溪盆地平面解譯圖Fig. 10 Map of Nanxi basin from image interpretation

圖11 南溪斷錯地貌剖面線Fig. 11 Landscape of fault scarp in Nanxi

4.2.2 文運村

文運村處于麗江盆地北部邊界基巖山山腳下，從影像圖上可以看出麗江-小金河斷裂在文運村北左旋錯斷了東、西沖溝（圖12、圖13），在東、西支沖溝之間的山梁上形成坡中谷地貌。從三維影像圖（圖 13）上量得：西支沖溝左旋水平位錯量為 17.89m；東支沖溝左旋水平位錯量為19.07m。二者求平均可得平均水平位錯量為18.48m。

圖12 文運村北平面解譯圖Fig. 12 Geological interpretation of the north of Wenyun village

圖13 文運村東、西支沖溝三維影像解譯圖Fig. 13 The 3-dimentional interpretation of gullies at north Wenyun village

圖14 文運村北山梁斷錯剖面Fig. 14 The profile of faulted block in the north of Wenyun village

在圖12中，直線cd為斷層線；直線ac和de為東、西支沖溝之間的山梁；線段cd實際距離為18.48m，即水平斷距。沿著abcde做出剖面線（圖14），從剖面線圖上可以看出，bc和de應(yīng)為同一級地貌面，為沖溝T4階地面。同時從圖上還可以看出，bc和de的垂直斷距為5.7m。

5 結(jié)論

（1）本文根據(jù)立體像對提取DEM的原理，利用ENVI軟件DEM Extraction模塊提取出印度衛(wèi)星P5立體像對麗江-小金河斷裂帶的DEM。通過等高線套合分析法和剖面線法對DEM精度進(jìn)行了評價，DEM精度超過了1:5萬地形圖等高線高程精度。

（2）本文通過干塘子和南溪盆地兩處，三種三維影像——從P5立體像對提取出的DEM疊加Google Earth影像顯示的三維立體影像、Google Earth三維影像和1:5萬矢量地形圖等高線生成的DEM疊加Google Earth影像后做成的三維立體影像的對比，認(rèn)為P5立體像對DEM精度最高，立體影像視覺效果最好，其次為1:5萬地形圖，Google Earth影像自身高程精度最差。

（3）利用P5立體像對提取出的DEM結(jié)合Google Earth高清影像生成的三維立體圖對麗江-小金河斷裂進(jìn)行了斷層地貌解譯，獲得了良好的目視解譯效果，并為探槽選址提供了依據(jù)。通過野外實地踏勘和探槽開挖驗證，證明高精度DEM和三維影像對斷層地貌解譯具有很高的利用價值。

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