基于無人機航測技術的地貌特征解譯
——以金山凸起東緣斷裂為例

任瑞國，閆小兵，扈桂讓

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

1 引 言

近年來，無人機的性能得到了極大的提升，并且成本卻越來越低，從原來的軍事領域進入到民用領域，在航拍、農(nóng)業(yè)、植保、微型自拍、快遞運輸、災難救援、觀察野生動物、監(jiān)控傳染病、測繪、新聞報道、電力巡檢、救災、影視拍攝等方面的應用越來越廣泛。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(shù)字攝影測量等技術，從而便捷地獲取地面影像和遙感數(shù)據(jù)的測繪技術[1]，在野外地形復雜地區(qū)的高分辨率影像快速獲取方面有著明顯優(yōu)勢[2]。無人機航測影像數(shù)據(jù)具有視野廣闊、數(shù)據(jù)豐富、地貌形態(tài)逼真、使用便捷等特點，可以通過目視解譯方法直觀地獲取調(diào)查區(qū)地貌特征信息。結合無人機航測系統(tǒng)的組成和地貌調(diào)查的需要，無人機航測技術在地貌特征解譯中的應用工作流程分為航測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、影像數(shù)據(jù)解譯和野外地質(zhì)調(diào)查核實4 個部分。

無人機獲取影像具有速度快、分辨率高、視野廣等特點，前人已將無人機技術應用于活動構造信息提取、斷層地形研究。在活動構造研究中，第四紀地貌特征解譯對于判定斷層性質(zhì)、活動速率、發(fā)震機理等起著至關重要的作用[3-5]。從早期的全站儀、航片、衛(wèi)片到近年來快速發(fā)展的機載LIDAR、無人機航測等技術，為地貌特征解譯提供了精度更高的數(shù)據(jù)[6,7]。

金山凸起東緣斷裂位于鄂爾多斯斷塊隆起區(qū)東部汾渭斷陷帶中北部的忻定斷陷盆地，斷裂總長約7 km，整體上呈NE向展布，走向40°，北起忻口村一帶，向SW經(jīng)金山鋪村西、前淤泥村西延伸至部落村以北。斷裂展布于基巖山前與盆地洪積扇后緣之間，是分布于金山凸起東緣山前的一條正傾滑斷層?；鶐r與上更新統(tǒng)呈正斷接觸，該斷裂最新活動時代為晚更新世。本文以金山凸起東緣斷裂為研究對象，利用無人機對調(diào)查區(qū)進行航空攝影，通過影像生成高精度的數(shù)字高程模型(DEM)和正射影像圖(DOM)，提取斷裂在復雜地貌面上的構造信息[8]，為斷裂的科學研究以及防災減災救災的實際應用提供更為可靠的數(shù)據(jù)基礎。

2 航測數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

2.1 航測數(shù)據(jù)采集

金山凸起東緣斷裂位于忻州市忻府區(qū)西北角，該區(qū)域地形復雜，此次調(diào)查采用大疆Phantom 4 Pro四旋翼無人機搭載2 000萬像素攝像頭，對金山凸起東緣斷裂進行了航測數(shù)據(jù)采集。根據(jù)金山凸起東緣斷裂的具體情況，共布置了5個地面控制點，拍攝航高設定在350 m，航向重疊率為50 %～70 %，旁向重疊率不低于30 %，共獲取金山凸起東緣斷裂4 700 張有效航空照片(第五個控制點包含的區(qū)域位于五臺山機場的限飛區(qū)，根據(jù)法律規(guī)定最大限飛高度為120 m)，航測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 金山凸起東緣斷裂無人機航測數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)處理

基于PhotoScan 軟件對五個控制點的影像數(shù)據(jù)進行了對齊照片、生成密集點云、生成網(wǎng)格、生成紋理處理，生成了數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像(DOM)，具體成果見圖1～圖5(注：DEM圖中用顏色區(qū)分高程)。

圖1 第一控制點部落村DEM和DOM影像

圖2 第二控制點后秦村DEM和DOM影像

圖3 第三控制點胡家腦村DEM和DOM影像

圖4 第四控制點后淤泥村DEM和DOM影像

圖5 第五控制點金山鋪村DEM和DOM影像

3 影像數(shù)據(jù)解譯和野外地質(zhì)調(diào)查核實

數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像(DOM)數(shù)據(jù)不僅能夠直觀地判讀出各種地形地貌單元和構造特征，還可以獲得局部區(qū)域上的變形特征和變形量[9-12]，根據(jù)影像解譯結果結合野外地質(zhì)地貌調(diào)查，分析了調(diào)查區(qū)的影像紋理結構、地形坡度、洪積扇規(guī)模及其相互之間的切蓋關系[13]，解譯出調(diào)查區(qū)內(nèi)主要分布有4種地貌類型，分別為基巖中低山地貌、山前洪積地貌、黃土臺地地貌及河流階地地貌，調(diào)查區(qū)總體DEM影像圖見圖6(注：圖中用顏色區(qū)分高程)。

圖6 調(diào)查區(qū)總體DEM影像

3.1 基巖中低山地貌

新生代以來構成金山凸起的基巖山體持續(xù)抬升，形成了忻定盆地中部的一條近北東向的基巖山地。調(diào)查區(qū)內(nèi)基巖山地位于斷裂的西側分布，高出斷裂東側盆地200～500 m?；鶐r中低山整體呈條帶狀以NE方向延伸，在前淤泥村金山最高峰以南山體整體向西后撤，在調(diào)查區(qū)最南端又轉折向南東盆地中延伸并逐漸被第四系覆蓋消失于地表之下，頓村以南可見該套地層呈孤山狀零星出露。調(diào)查區(qū)中部的前淤泥村西是金山最高峰，海拔約1 280 m，此處與山前沖洪積平原高差最大，約為500 m；調(diào)查區(qū)北部基巖山地與山前沖洪積平原高差逐漸變?yōu)?90～230 m左右；調(diào)查區(qū)南部基巖山地與山前沖洪積平原高差逐漸變?yōu)?80～290 m。金山最高峰以南，山體后撤，山前覆蓋厚厚的風積黃土層，形成山前黃土臺地。基巖中低山海拔高于黃土臺地130～260 m不等?；鶐r中低山高低起伏，侵蝕破壞嚴重，局部覆蓋風積黃土層。該地貌圖切剖面圖見圖7。

圖7 金山凸起東緣斷裂圖切地貌剖面

3.2 山前洪積地貌

山前洪積地貌在前淤泥村以北地帶基巖山前發(fā)育較為廣泛。金山鋪以西山前洪積物疊置于山前，洪積地貌面呈斜坡狀，總體坡度3°～5°，縱向寬1.3 km，已被改造為梯田，該洪積物疊置于盆地中的洪積物之上，剖面可見洪積砂礫石層，表層分布晚更新世亞砂土，為晚更新世形成的洪積地貌。金山凸起東緣斷裂從洪積扇前緣通過。后淤泥村西北一帶亦發(fā)育有類似洪積地貌。該地貌實景圖片見圖8～圖10。

圖8 金山鋪西山前洪積地貌

圖9 金山鋪西洪積地貌照片實景(鏡向NE)

圖10 后淤泥村西山前洪積地貌照片實景(鏡向S)

3.3 黃土臺地地貌

自部落村以南，基巖中低山后撤，至頓村一帶，黃土臺地堆積于山前，臺地前緣整體呈凹弧形，前緣與盆地沖洪積平原呈凹弧形接觸。臺地面上陡下緩，整體坡度2°～3°，臺地后緣與臺地前緣海拔高差約為40～80 m不等。局部可見基巖出露，黃土臺地上多處可見侵蝕形成的沖溝，溝壁陡直，溝深最深達50 m，溝底可見中下更新統(tǒng)黃土出露。黃土臺地面多由上更新統(tǒng)黃土組成。該地貌圖切剖面圖和實景圖見圖11和圖12。

圖11 后秦村西黃土臺地地貌圖切地形剖面

圖12 調(diào)查區(qū)南部黃土臺地地貌

3.4 河流階地地貌

調(diào)查區(qū)大規(guī)模河流主要為北部滹沱河和南部的云中河。北部滹沱河主要發(fā)育I級階地，階地面平整開闊，拔出河面3～5 m[14]，多已被改造為農(nóng)田；調(diào)查區(qū)南部云中河亦偶見I級階地發(fā)育，但是多已被城市建設改造破壞。除此之外，調(diào)查區(qū)山前規(guī)模性的河流很少，北部基巖山前洪積扇中發(fā)育小型沖溝，規(guī)模較小，未發(fā)現(xiàn)有河流階地發(fā)育；調(diào)查區(qū)南部黃土臺地中發(fā)育的河流沖溝規(guī)模不一，多數(shù)溝壁陡直，亦可見溝壁坍塌堆積，偶見I級階地發(fā)育。前秦村以西的一條近東西向沖溝內(nèi)可見I級階地發(fā)育。該沖溝溝壁陡直，溝深最深約達32 m，I級階地零星分布于沖溝一側，為堆積型階地，主要成分為沖積卵石層、亞砂土層等，卵石呈次圓狀?？傮w上I級階地拔出河面2～3 m，應為全新世以來的河流堆積地貌。該沖溝內(nèi)河流有進一步下切趨勢，局部已下切現(xiàn)代河床深度約0.6～1 m。該地貌河流階地解譯及實景見圖13，位置及位相見圖14。

圖13 前秦村西河流階地解譯及階地照片實景

圖14 前秦村西河流階地位置及位相

4 結 論

金山凸起東緣斷裂新生代以來的持續(xù)活動，造成了該地帶地貌的形成與演化，山體與盆地形成了明顯的地貌反差，通過解譯發(fā)現(xiàn)調(diào)查區(qū)內(nèi)主要分布有基巖中低山地貌、山前洪積地貌、黃土臺地地貌及河流階地地貌。

無人機航測數(shù)據(jù)可以直觀地展現(xiàn)地貌全貌，克服了人們視野上的局限性，與傳統(tǒng)野外地質(zhì)調(diào)查相比可以達到事半功倍的效果，在地質(zhì)地貌領域具有巨大的優(yōu)勢和廣闊的應用前景。