基于歷史航衛(wèi)片的城市“隱形”活動(dòng)斷層精確定位
——以大同盆地水峪斷裂為例

郭 菲，任俊杰,,，郭 慧，蘇 強(qiáng)，任建國(guó)，閆小兵

1.應(yīng)急管理部國(guó)家自然災(zāi)害防治研究院，北京 100085；2.中國(guó)地震局地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085；3.四川西昌青藏高原走滑斷裂系災(zāi)害動(dòng)力學(xué)野外科學(xué)觀測(cè)研究站，四川 西昌 615000；4.大同市防震減災(zāi)中心，山西 大同 037006；5.山西省地震局，山西 太原 030021

0 引言

1976年中國(guó)唐山7.8級(jí)地震、1995年日本阪神7.3級(jí)地震和2010年海地太子港7.0級(jí)地震造成了嚴(yán)重的人員傷亡和巨大的財(cái)產(chǎn)損失，重要的原因是這些地震都屬于城市直下型地震，由城市下面的活動(dòng)斷層發(fā)生錯(cuò)動(dòng)造成。活動(dòng)斷層是指晚第四紀(jì)10萬(wàn)年以來(lái)發(fā)生過(guò)活動(dòng)、現(xiàn)在正在活動(dòng)、未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)仍可能發(fā)生活動(dòng)的斷層(鄧起東，1991；徐錫偉等，2002；鄧起東等，2004；徐錫偉，2006)?；顒?dòng)斷層尤其是全新世活動(dòng)斷層的存在會(huì)伴隨著一系列潛在災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，包括活動(dòng)斷層突發(fā)強(qiáng)震造成的地表破裂或者斷層緩慢蠕動(dòng)引發(fā)的地表位移及其伴生的地質(zhì)災(zāi)害，會(huì)對(duì)跨越斷層的建筑、交通設(shè)施和工程設(shè)施等造成難以估計(jì)的破壞與損失(鄧起東等，2007；鄧起東和聞學(xué)澤，2008)。因此，開展城市活動(dòng)斷層探測(cè)，找出隱藏在城市下具備發(fā)生大地震潛能的全新世活動(dòng)斷層，是開展活動(dòng)斷層避讓和有效減輕重大地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)。

活動(dòng)斷層尤其是全新世活動(dòng)斷層往往會(huì)在地表形成斷層陡坎等構(gòu)造微地貌，可以指示斷層詳細(xì)的幾何展布(Sieh and Jahns，1984；馮先岳，1986,1991；Parsons，2007)。但在城市地區(qū)，尤其是隨著城市化進(jìn)程的加速，人類活動(dòng)和城市建設(shè)造成原始地形地貌改造嚴(yán)重，使原先出露地表的斷層變得模糊不清或者被建筑物等覆蓋，成為“隱形”斷層，為活動(dòng)斷層的精確定位帶來(lái)了極大困難。

目前，常用的城市活動(dòng)斷層定位技術(shù)主要包括地球物理勘探手段和鉆孔聯(lián)合剖面(方盛明等, 2002;鄧起東等, 2003; 劉保金等, 2008; 張世民等, 2008; 雷啟云等, 2011; 張磊等, 2014; 關(guān)藝曉等, 2016; 尹艷廣等，2017; 吳教兵等，2019；張迪等，2019, 2021)。這些方法不僅耗時(shí)耗力，而且費(fèi)用較高；另外受城市施工環(huán)境的限制往往難以大面積開展，無(wú)法準(zhǔn)確厘定活動(dòng)斷層的精細(xì)幾何展布。

而在原始地形地貌保存較完好、地表保留有活動(dòng)斷層陡坎的情況下，可以基于無(wú)人機(jī)航拍和高分辨率衛(wèi)星影像，利用航空立體攝影技術(shù)提取研究區(qū)高分辨率數(shù)字高程模型(DEM)，進(jìn)而研究活動(dòng)斷層的精細(xì)幾何結(jié)構(gòu)、變形特征、地震地表破裂樣式、斷層運(yùn)動(dòng)學(xué)定量參數(shù)等(Hooper et al., 2003; Frankel and Dolan, 2007; Oskin et al., 2007; Zielke et al., 2010, 2015；楊海波等，2016；鄒小波等，2017；汪思抒等，2018)。這種技術(shù)需要野外采集控制點(diǎn)，但城市地區(qū)因?yàn)榻ㄖ锔采w，原始的地貌形態(tài)改造嚴(yán)重，難以獲得真實(shí)的原始地表形態(tài)資料。

既然歷史遙感影像能夠保留當(dāng)時(shí)的真實(shí)地形地貌信息，能否通過(guò)城市建設(shè)之前的航衛(wèi)片影像資料獲得斷層附近的原始地形地貌，進(jìn)而對(duì)“隱形”活動(dòng)斷層進(jìn)行精確定位？文章選取大同盆地東部的御東新區(qū)為重點(diǎn)研究區(qū)，通過(guò)對(duì)比不同時(shí)期的影像資料分析歷史影像的適用時(shí)段，嘗試通過(guò)歷史航衛(wèi)片提取城市開發(fā)前原始的地形資料，限定活動(dòng)斷層的詳細(xì)幾何展布；并與淺層地震勘探和野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證歷史影像研究結(jié)果的可靠性。該研究結(jié)果不僅為大同地區(qū)的地震危險(xiǎn)性評(píng)估提供了重要依據(jù)，也為城市“隱形”活動(dòng)斷層探測(cè)提供了一個(gè)新的技術(shù)思路和途徑。

1 研究區(qū)背景

大同盆地位于鄂爾多斯東緣，是山西地塹系北部一個(gè)北東向半封閉地塹式山間盆地，第四紀(jì)以來(lái)活動(dòng)強(qiáng)烈，盆地邊界受控于口泉斷裂、六棱山斷裂和恒山北緣斷裂等全新世活動(dòng)斷層(鄧起東等, 1994; 段瑞濤和方仲景, 1995; 江娃利等, 2003; 謝新生等, 2003; 李煜航等, 2013)。大同市區(qū)位于大同盆地東北隅(圖1)，西側(cè)受控盆地主邊界斷裂——口泉斷裂的控制和影響，盆地總體下降，第四紀(jì)以來(lái)堆積了一套厚約400 m的下更新統(tǒng)—全新統(tǒng)河湖相沉積。

F1—口泉斷裂；F2—水峪斷裂；F3—采涼山東麓斷裂

水峪斷裂是大同盆地內(nèi)部的一條北東向次級(jí)斷裂，走向與口泉斷裂大致平行，控制著大同東次級(jí)斷陷的西邊界。該斷裂北起采涼山主峰東南側(cè)，經(jīng)水峪、三條澗，向西南進(jìn)入大同市御東新區(qū)。依據(jù)斷裂幾何展布特征，水峪斷裂可劃分為兩段，北段展布在馬鋪山東緣山前，自西水峪村往南，經(jīng)過(guò)馬家堡村、三府墳村，往南延伸至肖家寨村南，山前線性陡坎發(fā)育，斷層位置明確；南段位于大同御東新區(qū)內(nèi)，該段原始地貌改造嚴(yán)重，斷層位置不明確(圖1)。

水峪斷裂北段總體走向NE30°，錯(cuò)斷了中、晚更新世含礫棕黃色次生黃土，在海力村東北剖面處發(fā)現(xiàn)斷層切割了年齡距今約25.7±2.1 ka的次生黃土，在海力村西剖面見斷層錯(cuò)斷年齡距今約70.35±5.98 ka的砂礫石黃土層；在智家堡南斷層剖面發(fā)現(xiàn)斷層錯(cuò)斷年齡距今約33.0±2.6 ka黑褐色亞粘土(李建華等，1998)?；谝延醒芯砍晒C合判斷，水峪斷裂應(yīng)該是一條活動(dòng)斷層。

大同市區(qū)不同時(shí)期的Landsat影像(圖2)對(duì)比表明，自20世紀(jì)80年代至今該地區(qū)發(fā)生了明顯變化，地形地貌改造嚴(yán)重，無(wú)法通過(guò)現(xiàn)今遙感影像獲得原始地形地貌數(shù)據(jù)。尤其是大同市東側(cè)、文瀛湖西側(cè)的御東新區(qū)的快速發(fā)展主要發(fā)生在2000年之后，城市建筑迅速興起，道路交通逐漸密集，城市居住人口的范圍和密度愈加增大。2000年之前，大同城市發(fā)展還處于剛剛起步狀態(tài)，大同御東新區(qū)大部分為農(nóng)田荒地，僅有幾個(gè)較大村莊，原始地形地貌保存相對(duì)較好。因此，大同地區(qū)御東新區(qū)2000年之前的遙感影像資料，可以用來(lái)研究活動(dòng)斷層地貌特征。

a—1984年；b—1991年；c—2000年；d—2007年；e—2010年；f—2020年

2 數(shù)據(jù)選區(qū)與處理流程

2.1 數(shù)據(jù)選取

為了獲得研究區(qū)原始的地形地貌信息，研究搜集了大同市區(qū)不同時(shí)期的高精度航衛(wèi)片數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)較老的資料包括歷史航片、1∶10000地形圖以及美國(guó)鎖眼(Keyhole)衛(wèi)星影像。大同地區(qū)歷史航空照片為主要拍攝于1965年的黑白膠片，原始大小為18 cm×18 cm，比例尺約為1∶10000。該航空影像采集清晰度高，反差適中，色調(diào)均勻。但相關(guān)航攝底片和技術(shù)參數(shù)等紙質(zhì)資料已基本缺失，原始膠片上也缺少框標(biāo)信息。

大同地區(qū)最早的1∶10000地形圖測(cè)繪于1983年6月，為1954年北京坐標(biāo)系和1956年黃海高程系，等高距包括2.5 m和5 m兩種。研究中所使用到的1∶10000地形圖共計(jì)16幅。

Keyhole系列衛(wèi)星影像是美國(guó)照相偵察衛(wèi)星資料，已經(jīng)解密的國(guó)內(nèi)歷史數(shù)據(jù)多拍攝于20世紀(jì)80年代以前。Keyhole衛(wèi)星歷史影像由于大部分是返回式照相機(jī)拍攝，獲取的影像數(shù)據(jù)為黑白全色影像。該衛(wèi)星影像每個(gè)條帶圖幅都分為a，b，c，d四部分，每個(gè)部分都為單獨(dú)的tiff文件保存。研究區(qū)內(nèi)Keyhole衛(wèi)星歷史影像部分地區(qū)最高分辨率達(dá)到0.6 m，大部分地區(qū)1.8～2.7 m影像數(shù)據(jù)全覆蓋。文中涉及到的影像共2幅8景。

2.2 Keyhole影像處理

以1∶10000地形圖和Google earth歷史影像為基礎(chǔ)，使用遙感圖像軟件進(jìn)行配準(zhǔn)、拼接、糾正、勻色、鑲嵌及裁切等處理，制作出大同水峪斷裂及周邊的2.5 m的歷史遙感影像圖。

主要處理流程包括：①影像配準(zhǔn)，在ArcGIS軟件中進(jìn)行單景影像不同分塊之間的配準(zhǔn)，配準(zhǔn)誤差不超過(guò)一個(gè)像素；②影像拼接勻色，要求影像拼接后能清晰表現(xiàn)地物特征和地物紋理信息、邊界清晰，通過(guò)目視解譯可以區(qū)分，影像光譜特征真實(shí)、準(zhǔn)確，影像色調(diào)均勻、反差適中；③幾何糾正，以現(xiàn)有的谷歌歷史影像為基礎(chǔ)，使用ENVI 5.3軟件，采用幾何多項(xiàng)式模型對(duì)Keyhole歷史遙感影像進(jìn)行單景幾何糾正，相鄰單景之間選取一定數(shù)量的連接點(diǎn)，保證景與景之間的接邊精度，利于后期鑲嵌；④影像鑲嵌，對(duì)糾正后影像進(jìn)行色調(diào)調(diào)整，但應(yīng)注意保留多光譜影像的光譜信息和全色影像的紋理細(xì)節(jié)，保證整個(gè)工作區(qū)影像數(shù)據(jù)色調(diào)協(xié)調(diào)統(tǒng)一，盡量選取線狀地物或地塊邊界等明顯分界線作為鑲嵌線，通過(guò)鑲嵌線對(duì)融合后的影像進(jìn)行鑲嵌處理，并在鑲嵌前后對(duì)影像進(jìn)行檢查。

2.3 歷史航片預(yù)處理

通過(guò)歷史航片相對(duì)提取獲取DEM需要對(duì)航片進(jìn)行密集匹配，并將空三加密成果自動(dòng)匹配生成三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。該方法處理速度快，精度高，誤差累積少，并能完整顯示地表細(xì)節(jié)特征。但歷史航片由于是黑白膠片，不同于現(xiàn)今使用的數(shù)碼影像，會(huì)產(chǎn)生新的誤差。①數(shù)據(jù)資料缺失：紙質(zhì)文檔在保存過(guò)程中發(fā)生丟失損壞現(xiàn)象不可避免，常表現(xiàn)在相機(jī)型號(hào)、內(nèi)定向參數(shù)、像控點(diǎn)參數(shù)和焦距等數(shù)據(jù)缺少，無(wú)法或難以進(jìn)行內(nèi)定向處理。②控制點(diǎn)獲取困難：所獲取的歷史航片距今年代較遠(yuǎn)，且受城市建設(shè)發(fā)展影響，部分區(qū)域地形發(fā)生較大變化，在空三加密時(shí)很難布設(shè)控制點(diǎn)，并且實(shí)地測(cè)量歷史航片控制點(diǎn)數(shù)據(jù)存在困難且誤差較大。③ 影像質(zhì)量問題：歷史航片影像保存時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，難以避免存在變形和噪聲等問題，并且影像在掃描過(guò)程中其紋理、亮度等未設(shè)置好都會(huì)為后續(xù)數(shù)據(jù)處理帶來(lái)一定困難，主要表現(xiàn)在連接點(diǎn)自動(dòng)匹配和空三加密精度較差。

在進(jìn)行航空立體攝影提取DEM之前，需要對(duì)航片進(jìn)行預(yù)處理：①航片挑選，應(yīng)注意挑選航向和旁向重疊度分別達(dá)到60%和30%的航片資料，以滿足航空立體攝影的要求；②航片掃描，研究中利用高精度航片專用掃描儀,選擇1200 dpi分辨率對(duì)航片進(jìn)行高精度掃描，對(duì)質(zhì)量較差的影像進(jìn)行影像增強(qiáng)處理，包括灰度拉伸處理、反差與亮度處理、邊緣信息增強(qiáng)處理等，保證掃描影像反差適中，色調(diào)飽和，影像灰度直方圖的灰度值在0～255灰度級(jí)之間連續(xù)分布并整體呈正態(tài)分布；③航片修整，去掉影像上的條道和斑點(diǎn)，處理水面反光，去掉航片上的記錄數(shù)字和指示器影像，對(duì)單張航片進(jìn)行亮度和灰度處理，使每張航片整體亮度和灰度基本一致；④數(shù)字航空影像保存，經(jīng)以上步驟對(duì)航片處理后得到空間分辨率為0.5 m的數(shù)字化影像，文件大小為179 M，采用tiff格式保存，最大可能保留影像信息(嚴(yán)榮華等, 2004; 徐衛(wèi)民等, 2012)。

2.4 航片立體像對(duì)提取DEM

由于搜集到的歷史航片缺失立體攝影測(cè)量所需的具體定量參數(shù)，并且區(qū)內(nèi)已被密集建筑物覆蓋，地形地貌被完全改造，無(wú)法尋找到歷史航片上可靠的對(duì)應(yīng)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行野外控制點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量。而通過(guò)歷史航片與Keyhole衛(wèi)星影像對(duì)比，發(fā)現(xiàn)1965至1985年間研究區(qū)地形地貌變化很小，因此可以利用1983年的1∶10000地形圖為歷史航片像對(duì)提供航空立體攝影所需的地面控制數(shù)據(jù)。

研究基于歷史航片構(gòu)建立體像對(duì)，通過(guò)密集匹配得到三維點(diǎn)云，進(jìn)而提取大同地區(qū)歷史航片DEM和DOM影像資料，具體流程見圖3。

圖3 基于大同歷史航片的立體攝影技術(shù)流程圖

1∶10000地形圖配準(zhǔn)和控制點(diǎn)的提取包括以下幾個(gè)步驟：①在ArcGIS里按地形圖本身經(jīng)緯線網(wǎng)格交點(diǎn)均勻選點(diǎn)按1954年北京坐標(biāo)系進(jìn)行配準(zhǔn)、拼接；②為方便后續(xù)圖件操作處理，將拼接完成的地形圖進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換，由北京1954坐標(biāo)系在ArcGIS中轉(zhuǎn)換為WGS1984坐標(biāo)系；③進(jìn)行單張影像幾何糾正，包括影像的位置、方向、大小等，在單張航片上選擇控制點(diǎn)進(jìn)行定向，并在相應(yīng)地形圖上找到與之相應(yīng)的同名點(diǎn)，匹配兩點(diǎn)以進(jìn)行糾正，控制點(diǎn)選取過(guò)程中應(yīng)注意選擇清晰明顯且無(wú)變化的標(biāo)志點(diǎn)，如老建筑拐角、田埂以及道路交叉口等，并且控制點(diǎn)要在航片上盡可能均勻分布，幾何糾正誤差不超過(guò)一個(gè)像素；④將各影像進(jìn)行拼接鑲嵌，鑲嵌前檢查相鄰航片的同一線性地物是否保持連續(xù)、發(fā)生錯(cuò)位等。

選取航片地面控制點(diǎn)時(shí)需遵循以下原則：①自航片拍攝時(shí)至地形圖完成時(shí)段內(nèi)一致，無(wú)變化；②在影像中清晰易于辨識(shí)；③控制點(diǎn)數(shù)量滿足精度要求且分布均勻(Micheletti et al.，2015)。研究中共選取了239個(gè)地面控制點(diǎn)，主要為鄉(xiāng)間道路交叉點(diǎn)、田埂拐點(diǎn)等，以此對(duì)影像進(jìn)行嚴(yán)格的幾何校正，而文瀛湖周邊由于缺少地形圖的高程信息無(wú)法尋找精確控制點(diǎn)，造成文瀛湖附近分布有大量無(wú)效數(shù)據(jù)，其高程數(shù)據(jù)產(chǎn)生了較大畸變。

研究中歷史航片立體像對(duì)提取DEM主要利用Agisoft Metashape軟件進(jìn)行處理，具體流程分為5步：①照片導(dǎo)入與對(duì)齊，導(dǎo)入研究區(qū)10張歷史航片并進(jìn)行自動(dòng)對(duì)齊；②特征點(diǎn)匹配、點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成，航片進(jìn)行自動(dòng)對(duì)齊時(shí)選擇連接點(diǎn)數(shù)量為4000個(gè)，初步生成點(diǎn)云數(shù)據(jù)；③添加地面控制點(diǎn)、重建密集點(diǎn)云，在航片上手動(dòng)添加由地形圖提取到所有239個(gè)控制點(diǎn)，保證每張航片上的同一控制點(diǎn)都被標(biāo)記，重新生成高分辨率密集點(diǎn)云；④生成DOM，基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成多邊形Mesh網(wǎng)格模型和正射影像；⑤生成帶有地理坐標(biāo)信息的DEM。

3 結(jié)果與分析

3.1 水峪斷裂北段斷層陡坎

現(xiàn)今Google earth影像、1985年Keyhole遙感影像、1965年歷史航片正射影像(DOM)及數(shù)字高程模型(DEM)表明(圖4)，水峪斷裂北段走向北東向，長(zhǎng)度約10 km，山前陡坎線性特征明顯，由影像線性陡坎地貌特征可以準(zhǔn)確地解譯出斷層幾何展布特征，但隨著城市發(fā)展，現(xiàn)今局部地段已被人工改造，野外現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)調(diào)查已無(wú)法確認(rèn)斷層位置。

a—2020年Google earth影像(黃色虛實(shí)線為水峪斷裂)；b—1985年美國(guó)鎖眼(Keyhole)衛(wèi)星影像；c—1965年歷史航片正射影像(DOM)；d—1965年歷史航片數(shù)字高程模型(DEM；紅色箭頭指示斷層陡坎位置)

如三條澗村西的山前被改造為白登山滑雪場(chǎng)，原始斷錯(cuò)地貌被改造，但2000年之前的Keyhole歷史遙感影像、歷史航片正射影像(DOM)及數(shù)字高程模型(DEM)均顯示水峪斷裂的清晰的幾何展布(圖5a)。肖家寨村西由于高速公路及森林公園的建設(shè)，水峪斷裂山前的斷層陡坎被部分改造，該段斷層陡坎的位置在2000年之前的Keyhole歷史影像、歷史航片DOM及DEM上清晰可見(圖5b)。文瀛湖北Google earth影像顯示原始斷錯(cuò)地貌被城市建設(shè)覆蓋，Keyhole歷史遙感影像可以隱約的看到有線性陡坎，DOM及DEM中的線性陡坎位置也驗(yàn)證了水峪斷裂的幾何展布位置在文瀛湖的西北側(cè)通過(guò)(圖5c，5d)。

3.2 水峪斷裂“隱形”段斷層陡坎

2020年Google earth影像顯示，水峪斷裂通過(guò)的位置均被御東新區(qū)城市建筑物覆蓋，斷錯(cuò)地貌被破壞，表現(xiàn)為“隱形”斷層。因?yàn)槿鄙倜黠@色差通過(guò)Keyhole歷史遙感影像也不能解譯出斷層陡坎的位置，但結(jié)合1∶10000地形圖與歷史航片像對(duì)提取的DEM清晰顯示水峪斷裂的位置(圖5d，5e，圖6)。

紅色箭頭指示斷層陡坎位置

御東新區(qū)原始DEM資料顯示了“隱形”水峪斷裂詳細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為清晰的陡坎地貌。該陡坎走向北東，與御河的水流方向大角度相交，無(wú)法用河流侵蝕來(lái)解釋。而該陡坎與水峪斷裂北段的幾何展布一致，推測(cè)其應(yīng)是水峪斷裂南段在御東新區(qū)的幾何展布。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證基于歷史航片像對(duì)提取的御東新區(qū)原始DEM確定的陡坎是水峪斷裂活動(dòng)造成的，在沿文盛街和天泰街陡坎附近開展了道間距2 m的淺層地震反射探測(cè)測(cè)線KL1和KL2(圖6b)。探測(cè)結(jié)果揭示出兩個(gè)主要斷層點(diǎn)FPk8與FPk20，表現(xiàn)為正斷層性質(zhì)，傾向南東，可見明顯的反射波同相軸錯(cuò)斷，均斷錯(cuò)了新近紀(jì)的底界TN(圖7)，斷層性質(zhì)與水峪斷裂相同。淺層地震探測(cè)剖面揭示的斷層上斷點(diǎn)至近地表，與原始DEM確定的陡坎位置一致。

a—水峪斷裂歷史航片DEM；b—水峪斷裂地貌表現(xiàn)

FPk8, FPk20—斷層點(diǎn)；TN，Tg—地震波反射界面

另外，在對(duì)城市內(nèi)調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，大同大學(xué)南側(cè)一建筑基坑內(nèi)有斷層出露?；游鞅谄拭嫔罴s4.5 m，揭示了兩條平行斷層(圖8)。剖面中揭示的地層從新到老分別為：①深灰色，為近期人工雜填土，厚度不等，小于0.4 m，混有大量灰色、紅色磚塊以及人工廢棄物等；②棕黃色粉砂粘土，為黃土，鈣質(zhì)菌絲發(fā)育；③灰黃色含粉砂粘土，發(fā)育大量鈣質(zhì)結(jié)核；④棕色河流相砂礫石層，水平層理發(fā)育，分選好，表明屬于較大河流的沉積，從區(qū)域上判斷為御河T3階地。可見斷層呈階梯狀展布，包括兩個(gè)分支，斷錯(cuò)了層②至層④，但被層①所覆蓋。在國(guó)道G109旁邊，一人工開挖的土坑也見到斷層剖面，表現(xiàn)為與基坑剖面類似的特征(圖9)。這兩個(gè)斷層剖面位置和斷層走向與原始DEM確定的陡坎一致。

①—④為地層分層代號(hào)，每層具體巖性見文中描述

圖9 國(guó)道G109旁邊的斷層剖面(位置見圖6b)

3.3 水峪斷裂詳細(xì)幾何展布

淺層地震反射剖面和野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果證明，研究中提取的原始DEM資料確定的陡坎應(yīng)是水峪斷裂活動(dòng)的結(jié)果，也表明基于歷史航片像對(duì)提取DEM資料的方法可以有效揭示“隱形”活動(dòng)斷層的位置。

原始DEM資料顯示在御東新區(qū)北部斷層變形帶較寬，存在多個(gè)分支(圖6)。自北向南橫跨水峪斷層的地形剖面顯示，御東新區(qū)內(nèi)活動(dòng)斷層具有復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。北部地形剖面上表現(xiàn)為三個(gè)斷層陡坎，陡坎高度約18.8 m(圖10a)；中部地形剖面上表現(xiàn)為兩個(gè)斷層陡坎，陡坎總高度約19.9 m(圖10b)；而南部地形剖面上位移集中，陡坎高度17.8 m(圖10c)。總的來(lái)看，水峪斷裂南段在御東新區(qū)所在的T3階地上的位移變化不大，為18.7±0.9 m，但北部變形帶較寬，向南逐漸集中，最后匯成一條斷層上。因此，通過(guò)歷史航片像對(duì)提取的原始DEM資料可以用來(lái)厘定城市“隱形”活動(dòng)斷層精細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)?；谠摮晒蔀樗鴶嗔驯茏屘峁┗A(chǔ)依據(jù)，有利于減輕活動(dòng)斷層斷錯(cuò)帶來(lái)的巨大災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

f,f1,f2,f3處發(fā)育有斷層陡坎

4 討論與結(jié)論

文章主要介紹了基于歷史航衛(wèi)片相對(duì)提取相對(duì)原始DOM和DEM的處理流程，以早期地形圖作為基準(zhǔn)來(lái)提取航片控制點(diǎn)，通過(guò)對(duì)大同地區(qū)歷史航衛(wèi)片立體像對(duì)提取2 m分辨率的DEM和DOM，獲得御東新區(qū)附近的原始地形地貌和水峪斷裂精細(xì)幾何展布，并通過(guò)淺層地震勘探和野外地質(zhì)調(diào)查對(duì)斷裂位置進(jìn)行了驗(yàn)證。從水峪斷裂御東新區(qū)段斷層陡坎高程剖面確定陡坎高度約為18.7±0.9 m，該數(shù)值可視為斷層累積垂直位移。陡坎高程剖面顯示自北向南陡坎數(shù)量逐漸減少，說(shuō)明水峪斷裂南段北部變形帶較寬，向南變形帶匯成于一條斷層上。

研究結(jié)果表明，基于歷史航片的立體像對(duì)提取技術(shù)生成DEM和DOM來(lái)定位城市“隱形”活動(dòng)斷層的方法是可行的，該方法可以定量評(píng)價(jià)斷層累積位移，準(zhǔn)確獲得斷層精細(xì)幾何展布，可作為常規(guī)城市活動(dòng)斷層探測(cè)方法的一種輔助手段，具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)今高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)以及無(wú)人機(jī)航測(cè)照片生成的DEM和DOM分辨率可達(dá)到亞米級(jí)，甚至更高，而大同地區(qū)基于歷史航片生成的DEM和DOM分辨率雖然只有2 m，但仍可用于分辨全新世活動(dòng)斷層的微構(gòu)造地貌特征。歷史航片能夠獲取現(xiàn)今高分辨率影像無(wú)法獲取的原始地貌信息，是原始地形信息重要的載體。在城市快速發(fā)展的今天，如果充分利用了歷史航片的優(yōu)勢(shì)，不僅能有效提高活動(dòng)斷層定位的精度，而且還可大幅度降低探測(cè)成本和人力物力消耗，為城市“隱形”活動(dòng)斷層探測(cè)提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的新方法。

但該方法對(duì)早期資料要求較高，要求研究區(qū)位置存留有城市建設(shè)前歷史航片，航片比例尺不宜過(guò)小，最好在1∶10000左右。部分地區(qū)歷史航片還保留有測(cè)區(qū)所使用的飛行儀器、完整的航攝儀、攝影比例尺等數(shù)據(jù)信息，有助于航片進(jìn)行自動(dòng)內(nèi)定向，提高航片處理的效率和精度。在選取控制點(diǎn)上，如果研究區(qū)地形地貌改變不大，可以使用差分GPS野外實(shí)測(cè)獲得當(dāng)?shù)乜刂泣c(diǎn)信息；如果地形地貌被強(qiáng)烈改造，且客觀條件不允許野外布設(shè)控制點(diǎn)，可以收集早年間地形圖作為控制點(diǎn)提取的底圖。當(dāng)然，該方法精度還有待提高，因此在實(shí)際研究開展過(guò)程中，應(yīng)避免簡(jiǎn)單依賴于這一研究手段，而要采用多種方法共同驗(yàn)證分析。