無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在2014年魯?shù)镸_S6.5地震震區(qū)活動(dòng)構(gòu)造調(diào)查中的應(yīng)用

于江 張彥琪 李西 鄧梅 常玉巧 和仕芳

摘要：魯?shù)檎饏^(qū)地處滇東北高山峽谷地區(qū)，地形地貌復(fù)雜，第四系極不發(fā)育，常規(guī)的活動(dòng)地貌調(diào)查條件較差。近年來快速發(fā)展的無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在地貌數(shù)據(jù)采集方面展現(xiàn)出了突出優(yōu)勢(shì)，通過將無人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用于魯?shù)檎饏^(qū)一帶活動(dòng)構(gòu)造研究中，結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查和探槽選點(diǎn)工作，探討了無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在震區(qū)活動(dòng)構(gòu)造研究中的工作流程，基于無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)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(yōu)勢(shì)地表破裂；沿昭通—魯?shù)閿嗔寻l(fā)現(xiàn)水系、山脊同步右旋位錯(cuò)約70m；在新棚子村發(fā)現(xiàn)斷層槽谷并布設(shè)探槽，成功揭露斷層，以上應(yīng)用顯示了無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在多山地區(qū)活動(dòng)構(gòu)造研究中的較好適用性。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)航測(cè)；魯?shù)榈卣?；昭通—魯?shù)閿嗔?；活?dòng)構(gòu)造

中圖分類號(hào)：P315.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1000-0666（2018）02-0166-07

0 引言

2014年8月3日，云南省魯?shù)榭h發(fā)生M，6.5地震，震區(qū)地震烈度等震線長軸方向呈NW向展布，極震區(qū)烈度達(dá)到Ⅸ度，余震分布為NW和NE兩個(gè)方向，其發(fā)震構(gòu)造和孕震環(huán)境受到了諸多學(xué)者的廣泛關(guān)注和討淪。徐錫偉等（2014）結(jié)合地震應(yīng)急考察、震源機(jī)制解、震源破裂過程、余震分布空間等信息研究認(rèn)為NW向包谷垴—小河斷裂為魯?shù)镸S6.5地震的發(fā)震構(gòu)造；李西等（2014）在震后對(duì)震區(qū)地震地表裂縫、位錯(cuò)分布特征、震害特點(diǎn)及其與構(gòu)造的關(guān)系展開了討論，并開挖了探槽；常祖峰等（2014）從第四紀(jì)地質(zhì)地貌人手闡述了昭通一魯?shù)閿嗔褞У耐淼谒募o(jì)活動(dòng)特征和最新活動(dòng)地質(zhì)地貌證據(jù)。目前對(duì)震區(qū)主要斷裂的活動(dòng)性和活動(dòng)程度研究仍然缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，2017年2月8日，震區(qū)發(fā)生MS4.9地震（常玉巧等，2017），可見震區(qū)地震危險(xiǎn)性不容忽視，需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)NW向包谷垴—小河斷裂及NE向昭通—魯?shù)閿嗔训囊巴獾刭|(zhì)調(diào)查，這將有助于對(duì)震區(qū)斷裂活動(dòng)性和孕震構(gòu)造背景的研究，為評(píng)判該區(qū)域地震危險(xiǎn)性提供參考。

魯?shù)檎饏^(qū)地處滇東北高山峽谷地區(qū)，第四系極不發(fā)育，很難找到斷層斷錯(cuò)或上覆第四系等晚第四紀(jì)活動(dòng)剖面直接證據(jù)，人工改造強(qiáng)烈、植被發(fā)育、通視條件差，常規(guī)的活動(dòng)地貌調(diào)查條件較差。在利用傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感影像研究微構(gòu)造地貌時(shí)存在影像分辨率低、時(shí)效性差的局限性，隨著無人機(jī)在民用領(lǐng)域的普及，其靈活度高、操作簡單的特點(diǎn)，使得利用無人機(jī)獲取遙感影像成為可能（段福洲，趙文吉，2010）。目前，無人機(jī)航測(cè)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到構(gòu)造地貌解譯、第四紀(jì)地質(zhì)填圖等多個(gè)活動(dòng)構(gòu)造研究領(lǐng)域（Johnson et al，2014；葉夢(mèng)旎等，2016）。該方法在我國多應(yīng)用于地形廣闊、植被稀少的西北等地區(qū)，在云南多山、植被發(fā)育地區(qū)則應(yīng)用較少。本文將無人機(jī)航測(cè)技術(shù)應(yīng)用于魯?shù)檎饏^(qū)一帶活動(dòng)構(gòu)造調(diào)查研究，一方面探討無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在多山地區(qū)活動(dòng)構(gòu)造調(diào)查中的工作流程，另一方面開展典型構(gòu)造地貌點(diǎn)的無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)采集及其影像解譯，并通過野外實(shí)地調(diào)查研究對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 震區(qū)構(gòu)造背景

震區(qū)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(jí)活動(dòng)塊體的南緣昭通—蓮峰斷裂帶內(nèi)，南北地震帶南段（圖1b）。大涼山次級(jí)活動(dòng)塊體是巴顏喀拉塊體和川滇菱形塊體向東和南東擠出時(shí)受穩(wěn)定的華南塊體阻擋所形成的，構(gòu)造活動(dòng)和地震活動(dòng)較強(qiáng)烈（聞學(xué)澤等，2013；程佳等，2014）。該塊體西邊界為SN-NNW向安寧河—?jiǎng)t木河斷裂帶，以左旋走滑為主，滑動(dòng)速率為4～7mm/a（聞學(xué)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?shù)閿嗔褞?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?shù)榈貐^(qū)，以擠壓逆沖性質(zhì)為主，屬于川滇塊體和華南地塊邊界帶的一部分（聞學(xué)澤等，2013）。

區(qū)內(nèi)主要發(fā)育北東向及北西向斷裂，其中多期活動(dòng)的北東向斷裂是本區(qū)的主干構(gòu)造，其余方向的斷裂一般為北東向構(gòu)造的次級(jí)構(gòu)造。NE向昭通—魯?shù)閿嗔褞в升垬鋽嗔?、灑漁河斷裂和昭通—魯?shù)閿嗔?條右階雁列展布的次級(jí)斷裂組成，總體走向NE40°～50°，沿?cái)嗔寻l(fā)育昭通、魯?shù)榈刃律璧兀ǔＷ娣宓龋?014；李西等，2014），NW向發(fā)育包谷垴—小河斷裂，由數(shù)條斷續(xù)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(qū)范圍內(nèi)主要以5～6級(jí)地震為活動(dòng)背景，曾發(fā)生2003年云南魯?shù)?.0級(jí)和5.1級(jí)地震、2以科年云南魯?shù)?.6級(jí)地震、2006年云南鹽津2次5.1級(jí)地震、2012年云南彝良5.7級(jí)和5.6級(jí)地震、2014年云南魯?shù)?.5級(jí)地震以及2017年云南魯?shù)?.9級(jí)地震（聞學(xué)澤等，2013；李西等，2014）。

2 基于無人機(jī)航測(cè)技術(shù)的活動(dòng)構(gòu)造研究工作流程

2.1 無人機(jī)航測(cè)技術(shù)

無人機(jī)航測(cè)技術(shù)是指通過無人機(jī)與遙感技術(shù)相結(jié)合，搭載各類傳感器，利用先進(jìn)的無人駕駛飛行技術(shù)、遙控技術(shù)及數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等技術(shù)，從而方便快捷的獲取地面實(shí)時(shí)影像和各類遙感數(shù)據(jù)的測(cè)繪技術(shù)（李德仁，李明，2014）。無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)主要由無人機(jī)飛行平臺(tái)、成像傳感器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)后處理系統(tǒng)3部分組成（洪宇等，2008；鄒長慧等，2011）。

根據(jù)飛行平臺(tái)的不同，將無人機(jī)主要分為固定翼無人機(jī)、多旋翼無人機(jī)、無人直升機(jī)3大類平臺(tái)，各類無人機(jī)飛行平臺(tái)根據(jù)自身的特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)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(cè)作業(yè)中，需要根據(jù)無人機(jī)平臺(tái)的載荷條件、研究對(duì)象，選擇合適的傳感器。目前在攝影測(cè)量中常用的傳感器主要有：可見光相機(jī)、多光譜成像儀、高光譜相機(jī)、熱紅外掃描儀、激光雷達(dá)等。其中數(shù)碼相機(jī)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(diǎn)，因而被廣泛使用。

2.2 工作流程設(shè)定

在設(shè)定無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)工作流程時(shí)，首先需要根據(jù)3類無人機(jī)平臺(tái)的特點(diǎn)和航測(cè)區(qū)域的地形地貌特征選擇符合野外地質(zhì)地貌調(diào)查工作實(shí)際的無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)。昭通一魯?shù)榈貐^(qū)位于云南省東北部，該區(qū)域地形復(fù)雜、交通不便，而旋翼無人機(jī)具有便于攜帶、原地起降、定點(diǎn)懸停的特點(diǎn)，在多山地區(qū)微地貌調(diào)查工作中顯示出了較好地適用性。結(jié)合無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)的組成、野外構(gòu)造地貌研究的需要，將無人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在構(gòu)造地貌研究中的應(yīng)用分為前期準(zhǔn)備、遙感數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、影像數(shù)據(jù)解譯4個(gè)部分，如圖2所示。

3 無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在魯?shù)檎饏^(qū)活動(dòng)構(gòu)造調(diào)查中的應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)采集

本文采用大疆Inspire 1四旋翼無人機(jī)搭載1200萬像素?cái)?shù)碼相機(jī)對(duì)魯?shù)檎饏^(qū)在衛(wèi)星遙感影像解譯過程中發(fā)現(xiàn)的多個(gè)地貌點(diǎn)進(jìn)行了航測(cè)數(shù)據(jù)采集。根據(jù)航測(cè)區(qū)域的實(shí)際情況，拍攝航高設(shè)定在80～120m，航向重疊率為70%～80%，旁向重疊率不低于65%，每個(gè)測(cè)區(qū)均勻布設(shè)4個(gè)地面控制點(diǎn)（GCP），共獲取了魯?shù)檎饏^(qū)8個(gè)地貌點(diǎn)的低空數(shù)字影像，近2131張有效航空照片。后期基于PhotoScan軟件對(duì)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行影像對(duì)齊、優(yōu)化圖片對(duì)齊方式、建立密集點(diǎn)云、構(gòu)建地形網(wǎng)格、導(dǎo)入野外測(cè)量的像控點(diǎn)，生成了航拍點(diǎn)數(shù)字表面模型（DSM）、數(shù)字正射影像（DOM）。DSM數(shù)據(jù)中所選地面控制點(diǎn)的平均高程誤差為0.15m，數(shù)據(jù)分辨率可達(dá)0.1m/pix，真實(shí)地反映了航測(cè)區(qū)的地形地貌，滿足活動(dòng)構(gòu)造影像解譯及構(gòu)造地貌實(shí)測(cè)的需求，航拍點(diǎn)航測(cè)數(shù)據(jù)如表2所示。

3.2 光明村地震地表破裂調(diào)查

李西等（2014）在魯?shù)镸S6.5地震后對(duì)NW向包谷垴—小河斷裂展開了詳細(xì)的野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了沿謝家營盤—光明村—王家坡一線NW向、長約8km斷續(xù)延展的地表破裂帶，并在光明村小埡口開挖了探槽。本文對(duì)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(jìn)行了低空無人機(jī)航測(cè)數(shù)據(jù)采集。

如圖3a、b所示，小埡口段在無人機(jī)正射影像及三維模型上表現(xiàn)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(nèi)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(tài)平直且延伸較遠(yuǎn)，影像范圍內(nèi)長約650m，沿槽谷北東側(cè)發(fā)育，產(chǎn)狀50°∠59°（圖3c、f），與山脊走向平行，在尾端出現(xiàn)分叉現(xiàn)象。NE向地表破裂則密集發(fā)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(jù)影像測(cè)量裂縫寬度可達(dá)0.6m，認(rèn)為NE向地表破裂可能主要是由王家坡滑坡重力因素誘發(fā)的次生地表破裂（圖3d）。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查NW向地表破裂展布，發(fā)現(xiàn)地震鼓包及石塊的扭動(dòng)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(dòng)地貌與探槽選點(diǎn)

新棚子村無人機(jī)正射影像解譯表現(xiàn)為2條平行的NE向線性斷層槽谷地貌（圖4a），槽谷形態(tài)清晰平直，位于昭通—魯?shù)閿嗔涯隙?。線性槽谷沿走向向東延伸較遠(yuǎn)，向西延伸在地貌上表現(xiàn)不清楚，根據(jù)無人機(jī)影像解譯初步認(rèn)為斷裂向NW沿婭口通過。其中SE側(cè)斷層槽谷規(guī)模較大，據(jù)無人機(jī)影像測(cè)量槽谷最窄處寬度約26m，NW側(cè)斷層槽谷規(guī)模較小，寬度僅約10m（圖4b）。區(qū)內(nèi)NE地勢(shì)整體較低，水系沿2條槽谷向NE匯聚，與2側(cè)地勢(shì)高差較大，槽谷內(nèi)易于新的松散物源沉積，可以有效地記錄和保存地質(zhì)構(gòu)造事件。同時(shí)，槽谷2側(cè)植被比較發(fā)育，有利于碳樣的采集。NW側(cè)槽谷規(guī)模較小，易于控制斷層，且靠近公路，便于挖機(jī)施工，在地貌上符合探槽開挖的基本要求。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)沿NW側(cè)槽谷走向，2側(cè)巖性不同，NW側(cè)為二疊系灰?guī)r，SE側(cè)為泥盆系粉砂質(zhì)泥巖，為斷層接觸關(guān)系。其SE側(cè)粉砂質(zhì)泥巖可以為槽谷提供豐富、細(xì)粒的沉積物源（圖4c），能有效保存構(gòu)造事件。沿?cái)嗔炎呦蛘{(diào)查，在槽谷SW段公路旁見基巖斷層（圖4d），斷層產(chǎn)狀為146°∠68°，斷裂帶內(nèi)發(fā)育密集劈理、構(gòu)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(chǎn)狀160°∠81°，斷層滑動(dòng)面見近水平擦痕（圖4e）。綜合以上影像解譯及野外調(diào)查結(jié)果，認(rèn)為NW側(cè)規(guī)模較小的槽谷具備較好的地質(zhì)地貌條件，符合探槽開挖的基本條件。經(jīng)過多次踏勘對(duì)比，在NW側(cè)槽谷中段開挖探槽，并成功揭露斷層。

3.4 白巖村斷錯(cuò)地貌與實(shí)測(cè)

白巖村位于魯?shù)榕璧匚髂?，屬于昭通一魯?shù)閿嗔涯隙?。無人機(jī)正射影像解譯表現(xiàn)為NE向線性斷層槽谷地貌（圖5a，b），槽谷線性形態(tài)清晰平直，經(jīng)無人機(jī)影像測(cè)量槽谷最窄處寬度約35m，沿槽谷向兩端追索，線性延伸較遠(yuǎn)。解譯初步認(rèn)為斷裂沿槽谷東南側(cè)發(fā)育，沿?cái)嗔炎呦虬l(fā)現(xiàn)沖溝、山脊出現(xiàn)同步右旋位錯(cuò)（圖5a），其位錯(cuò)方向與槽谷走向一致，對(duì)正射影像進(jìn)行測(cè)量，沖溝位錯(cuò)量為70m，山脊位錯(cuò)量為74m，2者位錯(cuò)量具有較好的同步性。

在野外調(diào)查驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)槽谷2側(cè)巖性不同，線性槽谷NW側(cè)為二疊系灰?guī)r，SE側(cè)為奧陶系砂巖。沿槽谷走向追索，在槽谷東南側(cè)公路邊發(fā)現(xiàn)斷層剖面（圖5c），斷層錯(cuò)斷了中—晚更新世坡洪積層，顯逆沖性質(zhì)，斷裂通過位置與無人機(jī)影像解譯結(jié)果一致。

4 結(jié)論

通過無人機(jī)航測(cè)技術(shù)在魯?shù)镸S6.5地震震區(qū)活動(dòng)構(gòu)造調(diào)查中的應(yīng)用，初步認(rèn)為利用無人機(jī)航測(cè)技術(shù)可以快速獲取地表變形和構(gòu)造地貌影像，其航測(cè)數(shù)據(jù)精度及分辨率滿足多山地區(qū)活動(dòng)構(gòu)造研究需要；光明村小埡口地表破裂精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)查、白巖村斷錯(cuò)地貌實(shí)測(cè)、新棚子活動(dòng)地貌探槽選點(diǎn)等應(yīng)用結(jié)果展現(xiàn)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(cuò)量、垂直位錯(cuò)量、坡度等活動(dòng)構(gòu)造參數(shù)，為定量化研究活動(dòng)斷裂提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

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

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