基于無人機測量的微地貌提取?以昆中斷裂（巴隆-溫泉段）為例1

殷 翔 劉 煒 姚生海 蓋海龍

（青海省地震局, 西寧 810001）

引言

活動構(gòu)造的定量研究需獲取一系列表征活動構(gòu)造特征的幾何參數(shù)，如斷裂長度、同震位移、滑動速率等（畢海蕓等，2017）。突發(fā)的斷裂運動會在近斷層處保留豐富的斷錯地貌，獲取地貌參數(shù)是研究斷裂性質(zhì)、位錯量、活動速率、發(fā)震機理的重要基礎(chǔ)（潘家偉等，2007）。

為更精準(zhǔn)地獲取斷錯地貌變形數(shù)據(jù)，開展了大量活動構(gòu)造研究，研究技術(shù)從早期的航衛(wèi)片解譯、皮尺測量、全站儀測量等，發(fā)展到目前廣泛使用的差分GPS、LiDAR 及無人機低空攝影等，為地貌參數(shù)獲取提供了更準(zhǔn)確可靠的活動構(gòu)造定量參數(shù)。相比于傳統(tǒng)測量方法，近年來興起的無人機攝影測量技術(shù)具有高清晰度、大比例尺、小面積、高現(xiàn)勢性的優(yōu)點，特別適合獲取條狀區(qū)域航拍影像。同時，該技術(shù)克服了傳統(tǒng)測量方法工作量大、效率低、受自然條件限制等缺點，采用超低空飛行進行多視角拍攝，提供厘米級定位數(shù)據(jù)，從而顯著提升圖像元數(shù)據(jù)的絕對精度（羅國文等，2012），后期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），并提取復(fù)雜地貌面上的構(gòu)造信息，為斷裂研究提供定量化、精準(zhǔn)化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

昆中斷裂位于東昆侖隆升區(qū)內(nèi)，研究程度較低，筆者發(fā)現(xiàn)昆中斷裂在東段（巴隆-溫泉段）存在長約110 km、線性特征明顯的斷層跡線，而在我國現(xiàn)行的第五代區(qū)劃圖中，將昆中斷裂劃分為7.0 級淺源，但缺乏基礎(chǔ)資料作為潛源劃分依據(jù)。因此，選擇昆中斷裂巴隆?溫泉段作為研究區(qū)域，通過無人機航空攝影測量技術(shù)生成的高精度DEM 與DOM 數(shù)據(jù)，提取水平及垂直位錯量等數(shù)據(jù)，為斷裂定量研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)采集原理及流程

無人機攝影測量即通過無人機低空攝影獲取高清晰影像數(shù)據(jù)，在具有多角度重疊的影像中，選擇1 張影像作為主糾正影像，而其他影像作為從屬影像，用于補償主糾正影像上被遮擋部分的信息（馬建等，2019），即在數(shù)字微分糾正過程中，以數(shù)字表面模型（DSM）為基礎(chǔ)，進行數(shù)字微分糾正，進而生成三維點云與數(shù)字高程模型，實現(xiàn)地理信息的快速獲取，并在計算機上使用相應(yīng)軟件可采集模型內(nèi)任意需求的坐標(biāo)數(shù)據(jù)（魏占玉等，2015）。

1.1 數(shù)據(jù)采集原理

選取大疆精靈4 RTK 小型多旋翼高精度航測無人機，采用后差分定位技術(shù)（PPK）對山前發(fā)育的斷層陡坎及微地貌構(gòu)造進行圖像采集。采用PPK 技術(shù)時，基于1 臺同步觀測的基準(zhǔn)站和至少1 臺流動觀測站，對GNSS 衛(wèi)星進行同步觀測，即基準(zhǔn)站保持連續(xù)觀測，流動站在測量過程中需保持對衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤?；鶞?zhǔn)站和流動站同步接收的數(shù)據(jù)在計算機中進行線性組合，形成虛擬的載波相位觀測量，確定接收機之間的相對位置，最后引入基準(zhǔn)站的已知坐標(biāo)，從而獲得流動站的三維坐標(biāo)（劉衛(wèi)剛等，2015；朱逍賢，2018）。

1.2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

在無人機低空攝影獲得特定地點照片后，采用Photoscan 軟件生成研究點DOM 和DEM 數(shù)據(jù)。處理過程主要分為以下步驟：

（1）剔除原數(shù)據(jù)中的異常照片，避免生成的正射影像出現(xiàn)色彩異常；

（2）導(dǎo)入照片后，Photoscan 軟件將自動對齊照片并優(yōu)化，在優(yōu)化過程中自動估算校正參數(shù)；

（3）獲取相鄰照片之間的重復(fù)點，并構(gòu)建稀疏的點云數(shù)據(jù)；

（4）創(chuàng)建網(wǎng)格，并重構(gòu)幾何圖形；

（5）根據(jù)預(yù)估的相機位置，分析其深度信息，并生成密集點云數(shù)據(jù)；

（6）生成網(wǎng)格及紋理，并生成DEM 數(shù)據(jù)。

2 研究區(qū)地震構(gòu)造綜述

研究區(qū)位于青藏高原中北部，區(qū)內(nèi)活動斷裂眾多，周邊發(fā)育多條區(qū)域性斷裂，其中，以北部的昆中斷裂帶、東昆侖斷裂帶，中部的西藏大溝-昌馬河斷裂帶、瑪多-甘德斷裂帶、江錯斷裂，南部的巴顏喀拉主峰斷裂帶等。對于這些斷裂，研究程度不一（姚生海等，2021）。該地區(qū)也是地震頻發(fā)區(qū)，歷史上曾發(fā)生過1902 年秀溝6.9 級地震、1963 年阿蘭克湖7.0 級地震、1937 年花石峽7?級地震、1947 年達日7?級地震、2021 年5 月22 日瑪多7.4 級地震，表明巴顏喀拉塊體仍為我國大陸強震的主體活動地區(qū)。

昆中斷裂西起昆侖山昆侖河附近，東延經(jīng)大干溝、清水泉、青根河至鄂拉山溫泉附近，被NNW 向鄂拉山斷裂切割后，呈隱伏狀態(tài)繼續(xù)東延，與東昆侖斷裂帶近乎平行。鄂拉山以西，斷裂構(gòu)成東昆侖北坡斷隆與柴達木南緣臺緣褶帶的分界。同時，昆中斷裂是分割青藏高原甚至中國南北陸殼不同基底的分界線。斷裂沿區(qū)內(nèi)主要重力梯級帶和磁力梯級帶展布，其東段磁異常呈串珠狀分布，與北秦嶺南緣斷裂相連，莫霍面沿斷裂出現(xiàn)高達7～10 km 的陡坎和臺階，這是其他斷裂沒有的（曾秋生，1999）。

研究區(qū)為昆中斷裂東段，地理位置位于青海省瑪多縣苦海以北（圖1）。斷裂在山前形成了明顯的斷層陡坎，并發(fā)現(xiàn)了大量水系左旋，斷層埡口、擠壓隆起等構(gòu)造地貌特征，由于該地區(qū)位于三江源保護區(qū)內(nèi)，受人為因素的影響小，這些地貌特征保存完整，因此采用無人機攝影測量技術(shù)，有針對性地進行采集，快速獲取高精度的地形地貌數(shù)據(jù)。

圖1 區(qū)域構(gòu)造Fig. 1 Regional structure map

3 研究點數(shù)據(jù)提取

在前期無人機低空攝影和后期數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)上，獲取了研究區(qū)域內(nèi)的正射影像。同時，基于高密度點云生成的DEM 數(shù)據(jù)分辨率較高，與斷層相關(guān)的微地貌特征較明顯。為清晰展示斷裂的活動跡象，本文選取2 個典型地貌點進行詳細(xì)解譯，并通過實地野外調(diào)查驗證此次無人機數(shù)據(jù)采集結(jié)果。

本次飛行作業(yè)分別選取了龍通村北、乎勒塘村北作為本次工作的2 個試驗點（以下簡稱為點1 和點2），飛行高度設(shè)定為80 m，分別獲取419，489 張照片，照片重疊率達70%以上。其中，點1 處共有227 262 個連接點，生成密集點云11 784 833 個點，生成的DEM 數(shù)據(jù)分辨率為6 985 pix×4 552 pix，覆蓋面積為0.549 km2；點2 處共有253 024 個連接點，生成密集點云12 423 887 個點，生成的DEM 數(shù)據(jù)分辨率為7 004 pix×4 233 pix，覆蓋面積為0.325 km2。

航高為航攝時飛機的飛行高度，根據(jù)起算基準(zhǔn)的不同可分為絕對航高與相對航高。相對航高為無人機在飛行時相機相對于某一基準(zhǔn)面的高度，是相對于作業(yè)區(qū)域內(nèi)地面平均高程基準(zhǔn)面的設(shè)計航高。一般來說，在其他因素不變的情況下，航高越低（飛機飛行越低），地面分辨率越高（朱海斌等，2018）。

根據(jù)高建彩（2022）的規(guī)定，相對航高計算公式如下：

式中，H為相對航高；f為攝影鏡頭的焦距；G為影像的地面分辨率；a為像元尺寸。

通過換算可得到點1 的數(shù)據(jù)精度為2.07 cm/pix，點2 的數(shù)據(jù)精度為2.15 cm/pix，滿足斷裂位錯量的計算要求。

傳統(tǒng)測量斷裂的垂直位移方法主要為差分GPS，該方法獲得的數(shù)據(jù)與DEM 數(shù)據(jù)相差較小，可滿足工作需要，而測量斷裂水平位移時主要使用皮尺等工具，受人為因素影響較大，野外地形相對復(fù)雜時測量數(shù)據(jù)無法真實反映斷層位錯量。為排除個人主觀因素的影響，本文從高精度DEM 數(shù)據(jù)上直接提取陡坎高程數(shù)據(jù)，同時，剖面線的選取能夠反映斷層陡坎兩側(cè)的地形變化。

3.1 龍通村北試驗點（點1）

點1 位于興?？h溫泉鄉(xiāng)西北約28 km 處，從遙感影像中可看出斷裂在此處的線性特征明顯（圖2），呈NWW 向展布，長約700 m。斷層陡坎主要發(fā)育在山前沖洪積扇體后緣（圖3），水系有明顯的左旋位錯量（劉超等，2021）。

圖2 點1 遙感影像Fig. 2 Remote sensing image of point one

圖3 點1 斷層陡坎Fig. 3 Fault scarp of point one

通過野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該處山前形成多期洪積扇，斷裂在洪積扇后緣形成明顯的斷層陡坎、水系扭錯及地震形成的跌水。斷層陡坎連續(xù)性較好，多形成長約50 m、高0.5～1.1 m 的斷層陡坎。在一處沖溝內(nèi)，形成長約30 m、高2.5 m 的斷層跌水。

由于該地區(qū)海拔達4 500 m，人工測量微地貌難度較大，為更好地獲取該試驗點微地貌特征，利用無人機航拍及數(shù)字化處理技術(shù)，對該試驗點進行高精度低空攝影，獲取大量無人機數(shù)據(jù)，通過后期處理，生成DEM/DOM 矢量圖（圖4（a））。分析DEM/DOM 矢量圖可知該處發(fā)育3 期洪積扇（圖4（b）），斷層橫切Fan2 和Fan3 洪積扇。同時，調(diào)查發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)an2 洪積扇上的沖溝被左旋水平斷錯，形成了斷頭溝。

基于生成的高分辨率DEM 數(shù)據(jù)，對3 條沖溝進行了位移重塑，其中，東側(cè)斷層水平位移僅2.1 m（圖4（c）），并在沖溝后緣形成了高達2.5 m 的跌水；西側(cè)斷層水平位移可劃分為2 期，最大左旋位移為15.4 m，最小位移為4.85 m（圖4（d））。依據(jù)水平位移推測，認(rèn)為西側(cè)的沖溝也應(yīng)存在1 期2 m 左右的水平位移，該位錯量可能由最新一次斷裂活動所致。

圖4 點1 基于DEM 數(shù)據(jù)的水系位錯恢復(fù)Fig. 4 Water system dislocation recovery based on DEM data of point one

昆中斷裂在研究段不僅存在水平位錯量，同時還具備一定的逆沖分量。根據(jù)此次獲取的DEM 數(shù)據(jù)可知，在山前的沖洪積扇上，有1 條明顯的延伸線（圖5），其空間展布未受地形影響，通過實地調(diào)查，確認(rèn)該延伸線為斷裂在山前形成的斷層陡坎。

圖5 點1 DEM 提取剖面位置示意Fig. 5 Schematic diagram of DEM extraction section position of point one

利用本次生成的DEM 數(shù)據(jù)共獲取4 條陡坎高度（圖6～圖9），陡坎高度基本為0.6～0.9 m，且4 條剖面線在斷層陡坎兩側(cè)形態(tài)并無較大差異，原始地貌保存較好，筆者認(rèn)為這4 條陡坎高度基本一致，應(yīng)是同次斷層活動形成，且陡坎高度可代表此次斷裂活動的實際垂直位錯量，而陡坎高度差異可能是斷層陡坎形成后受水系侵蝕作用導(dǎo)致的。

圖6 點1 AA′地形剖面Fig. 6 AA' topographic profile of point one

圖7 點1 BB′地形剖面Fig. 7 BB' topographic profile of point one

圖8 點1 CC′地形剖面Fig. 8 CC' topographic profile of point one

圖9 點1 DD′地形剖面Fig. 9 DD' topographic profile of point one

3.2 乎勒塘村北試驗點（點2）

點2 位于溫泉鄉(xiāng)西北約33 km 處，從遙感影像中可看出斷裂在此處的線性特征較明顯（圖10），斷裂呈NWW 向展布，陡坎長度約610 m，斷層陡坎主要發(fā)育在山前沖洪積扇后緣，水系有明顯的左旋位錯量（圖11（a））。點2 處的斷層陡坎地貌特征明顯（圖11（b）），由圖12（a）和圖12（b）可知，山前至少發(fā)育了3 期洪積扇，斷層橫切Fan2 和Fan3 洪積扇。

圖10 點2 遙感影像Fig. 10 Remote sensing image of point two

圖11 點2 斷層地貌特征Fig. 11 Geomorphological characteristics of fault in point two

圖12 點2 基于DEM 數(shù)據(jù)的水系位錯恢復(fù)Fig. 12 Water system dislocation recovery based on DEM data of point two

通過解譯無人機數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)an2 洪積扇上的沖溝被左旋水平斷錯，并形成了2 處斷頭溝。通過對沖溝位錯的恢復(fù)，圖12（c）中的沖溝位錯共發(fā)育2 期，2 期的左旋位錯量分別為4.8 m 和12.1 m；圖12（d）中的沖溝左旋位錯量為5.2 m；與點1 處的水系左旋位錯量基本一致。

利用本次生成的DEM 數(shù)據(jù)共獲取4 條陡坎高度（圖13），陡坎高度基本為0.45～0.75 m（圖14～圖17），且3 條剖面線在斷層陡坎兩側(cè)形態(tài)并無較大差異，原始地貌保存較好，筆者認(rèn)為這3 條陡坎高度基本一致，應(yīng)為同次斷層活動形成，但與點1 相比，該處的垂直位錯量明顯較小，應(yīng)是由于此處水流順著陡坎方向匯集，使陡坎上側(cè)的地貌侵蝕更劇烈，因此陡坎高度較小，因此，該處陡坎高度不能代表此次斷裂活動的實際垂直位錯量，點1 點處的陡坎高度更能代表斷裂的實際位錯量。

圖13 點2 DEM 提取剖面位置示意Fig. 13 Schematic diagram of DEM extraction section position

圖14 點2 AA′地形剖面Fig. 14 AA' topographic profile

圖15 點2 BB′地形剖面Fig. 15 BB' topographic profile

圖16 點2 CC′地形剖面Fig. 16 CC' topographic profile

圖17 點2 DD′地形剖面Fig. 17 DD' topographic profile

4 結(jié)論

本文采用大疆精靈4 RTK 無人機測繪影像進行3 D 模型構(gòu)建，能夠較準(zhǔn)確地還原實際地貌場景，獲得較高分辨率的DEM 數(shù)據(jù)。通過對采集圖像進行處理，可進行斷層地貌變形的精確測量，為研究微地貌特征、斷裂幾何展布等提供方便有效的方法。

本文利用無人機攝影測量技術(shù)獲取了斷裂局部地區(qū)的微地貌數(shù)據(jù)?斷層陡坎及水系左旋的高精度DEM，對研究區(qū)域內(nèi)斷裂水平、垂直位錯量進行精細(xì)研究，確定了昆中斷裂（巴隆-溫泉段）活動斷層陡坎位置及斷裂最新活動量，得出以下結(jié)論：

（1）無人機航拍技術(shù)相較于傳統(tǒng)測量方式，具有低成本、易操作、獲取數(shù)據(jù)方便的特點。同時，利用PhotoScan 進行數(shù)據(jù)處理時，數(shù)據(jù)處理速度快、誤差小，能夠滿足斷層陡坎精細(xì)化測量的數(shù)據(jù)要求，凸顯無人機航拍技術(shù)的應(yīng)用潛力。但該技術(shù)也受天氣、飛行高度及續(xù)航等因素限制，飛行數(shù)據(jù)易產(chǎn)生異常，不利于后續(xù)工作的開展。

（2）利用無人機獲取的高精度DEM 數(shù)據(jù)，分別得到昆中斷裂（巴隆-溫泉段）水平位錯量為2.1、4.85、15.4 m，位錯量之間近似存在著倍數(shù)關(guān)系，而15.4 m 的位錯量可能是由4 次斷層活動形成的累計位錯量。因此，在下一步工作中，還應(yīng)探明是否存在1 期8 m 左右的斷層累計活動位錯量。

（3）通過對比2 處試驗點DEM 數(shù)據(jù)提取的8 條陡坎數(shù)據(jù)，陡坎兩側(cè)的地貌形態(tài)基本相似，無明顯差異，乎勒塘村北試驗點處的陡坎高度受水流侵蝕較嚴(yán)重，而龍通村北試驗點處的陡坎高度均為0.6～0.9 m，可初步認(rèn)為這是最新一次斷層運動形成的陡坎，可代表斷裂實際位錯量。