交城縣主要活動斷裂遙感影像處理及初步解釋

李偉華，馮 軍，王 龍

(1.中國地震應急搜救中心,北京 100049;2.中國地震局地球物理研究所,北京 100081)

0 引言

隨著高分辨率遙感影像技術的日益發展，在活動斷裂探查過程中，使用遙感探測技術越來越多。遙感資料分析作為獲取地質調查的重要手段，可以快速定位斷裂位置及最新活動特點[1]。活動斷裂、地貌等均可以通過高分辨率遙感影像進一步確定[2]。

交城斷裂帶是具有發生7級以上地震的發震斷裂，為避免人民生命財產遭受損失，城市規劃和建設項目選址應避開斷裂帶。因此，對交城斷裂帶的具體詳細空間展布應進行精確確定，對斷裂帶進行斷層勘探工作很有必要。文章在采用地球物理探測方法之前，利用遙感數據可以有效提高斷層空間位置的定位精度，初步確定目標區斷層空間位置和延伸情況。同時，結合野外地質調查及地球物理勘探結果，給出交城斷裂(交城縣段)的斷層活動參數，并印證遙感數據的可靠性。

1 交城斷裂帶概況

交城斷裂帶位于山西斷陷帶中部，是太原盆地西界的主控邊界斷裂。在太行山與呂梁山之間，坐標在東經111°35′-112°55′，北緯37°10′-38°15′之間。斷裂北起陽曲縣泥屯鎮，向南經土堂村、西張、柴村、晉祠、清徐、交城、文水，南至汾陽一帶，全長約150 km(見圖1)。斷裂走向NNE轉NE，傾向SEE，以正斷活動為主，兼有右旋活動分量，是一條上新世形成的活動斷裂。在晉祠一帶斷裂兩盤的垂直斷距達1 500 m，由南向北斷距逐漸減小。斷裂東西盤差異運動強烈，西盤(下盤)強烈抬升，出露元古界、古生界和中生界等基巖，海拔約1 400 m的唐縣期夷平面殘留在陡峭的山地；東盤(上盤)是厚200～3 800 m左右的新生代堆積盆地，盆嶺地形反差強烈，山區同時代基巖地層的斷距為5 000余米，斷層兩側的升降幅度最大可達5 000余米，現今盆嶺地形反差強烈，高差達1 450 m左右。交城斷裂山前的斷錯地貌十分發肓，山前廣泛發育黃土臺地，主斷裂位于洪積扇后緣與基巖山地交界地帶，有黃土臺地分布的地段，斷裂的最新活動展布在黃土臺地的前緣。斷裂帶附近歷史上曾發生過6級地震。交城縣城西北側地裂縫的產生與交城斷裂有關，屬于構造地裂縫[3-4]。

圖1 交城斷裂帶平面分布圖[4]Fig.1 Plane distribution of Jiaocheng fault zone

2 遙感數據采集、處理及初步解釋

2.1 遙感數據采集

為重新分析遙感影像識別特征,采集高空間分辨率遙感數據，需要最大限度地從交城遙感影像中提取有用信息,認識數據的有效應用范圍,選取最佳數據源。制定科學合理的遙感測量方案，能夠獲得更佳的遙感影響[5]。根據山西省交城縣地形、空域以及相關技術規范，對交城縣進行分區航攝設計。結合交城縣地勢特點，總體地勢西北高，東南低。境內地貌復雜，山多川少，海拔高度在750～2 830.7 m之間，設計分區測量方案。

2.1.1 空三角測量

采用空中三角測量，此方法是由少量的野外控制點，依據攝影測量原理，在室內進行控制點加密，求得加密點的高程和平面位置，同時解算得出每張影像的外方位元素。為制作數字正射攝影產品、線劃圖產品提供必要的立體模型定向參數。

采用光束法空中三角測量，即以一個攝影光束作為平差計算基本單元，以共線條件方程為理論基礎，在像片上測量出控制點、加密點像平面坐標后，進行區域網平差，同時得到各像片的外方位元素和加密點地面坐標(見圖2)。

2.1.2 空三加密

借助攝影測量系統PIXELGRID空三加密模塊，以加密分區為單元，將基于IMU/DGPS技術直接獲取的POS數據，作為帶權觀測值，引入加密分區和外業控制點成果進行區域網聯合平差，解算加密點坐標并獲得更高精度的像片外方位元素成果。空三加密成果用于DOM生產，空三加密時對高程精度放寬要求(見圖3)。

圖2 空中三角測量技術流程圖Fig.2 Flow of aerial triangulation technical

圖3 空三加密計算Fig.3 Space three encryption calculation

2.2 數字高程模型制作

數字高程模型(Digital Elevation Model),簡稱DEM，利用DMC數碼影像航空攝影資料，將影像數據和加密完成的空三成果導入像素工廠(Pixel Factory，簡稱“PF”)影像處理系統。經過創建立體像對，自動計算生成DSM(數字表面模型)、DEM(數字地面模型)，對DEM加入一定的人工編輯，制作DEM(見第48頁圖4、圖5)。

利用三維衛星影像增強技術，可以輕易觀察并獲得斷層特征，并由此搜尋斷層位置以及定義其活躍性。對地質情況進行解譯，是利用衛星遙感影像疊加DEM構建三維衛星影像圖，并采用虛擬光源的方法，觀察地形高差變化導致的光影變化，從而避免受到衛星影像中地物的復雜顏色干擾。同時，使用衛星影像疊加DEM獲得的立體場景，可以在解譯過程中透過衛星影像的信息快速分辨影像中的線狀屬性，有利于消除其他線狀地物如公路、堤壩等實體造成的誤判[6]。

圖4 DEM制作流程圖Fig.4 DEM process

圖5 交城縣DEM數據Fig.5 DEM data in Jiaocheng County

2.3 Quick Bird影像處理

采用遙感方法制作的數字正射影像是獲取基礎空間信息最快速、高效的手段,利用高精度遙感成圖,處理速度快、工藝簡便、圖像清晰,而且精度達到成圖要求。Qucik Bird衛星以其影像內容豐富、分辨率高、直觀、生產更新周期短、費用低等優點彌補了傳統地形圖和航空影像的不足[7]。

通過對Quick Bird影像進行輻射定標、幾何校正、影像勻色和融合處理(見圖6)，對交城斷裂進行初步的解譯和定位。在此基礎上，編繪1∶5萬斷層分布遙感解譯圖，有效提高斷層空間位置的定位精度，初步確定目標區斷層空間位置和延伸情況。

圖6 Quick Bird影像處理及解釋流程圖Fig.6 Quick Bird image processing and interpretation process

2.4 遙感影像解釋

不同活動斷裂的遙感影像具有不同的標志，其形狀、色調、大小都有不同[7]。以交城斷裂遙感影像解譯圖(見圖7，解譯的斷裂大致位于交城斷裂清徐-文水段，走向北東40°～50°)為基礎，綜合結合光學圖像和DEM數據分析可知，交城斷裂交城縣段全長約16 km。斷裂走向NE，以正斷活動為主，斷裂的中段多出錯斷洪積扇形成斷層陡坎，是斷裂全新世強烈活動的表現。

圖7 交城斷裂北東走向遙感影像解譯圖Fig.7 Remote sensing image interpretation of northeast direction of Jiaocheng Fault

3 地球物理勘探方法解釋結果

城市活動斷裂常為第四紀松散沉積物所覆蓋，為隱伏斷裂。因此，地球物理勘探成為最主要的探測方法。常用的地球物理勘探手段有地震勘探、電法勘探、探地雷達等。如圖8所示，在遙感影像解譯圖的基礎上，劃定探測范圍，采用電法勘探及淺層地震勘探方法，布置測線測量(見圖9、圖10)，均發現斷層存在(見圖11、第50頁圖12)。

圖8 交城縣段斷裂探測范圍分布圖Fig.8 Distribution of the detection range of the section in Jiaocheng County

圖9 高密度電法探測測線分布Fig.9 Line distribution of high density electrical method

圖10是f3測線的Google地圖位置圖。測線沿義南線瀝青路面進行施工，測線走向南北向，全長約2 733 m。該測線首先采用縱波反射波法施工， 3 m檢波點距，144道接收，18次覆蓋，采樣率0.5 ms，采樣長度為2 000 ms，最小偏移距60 m，共完成210 炮，28 t可控震源施工。根據縱波取得結果再在樁號720-1941之間采用SH波反射波法施工，3 m檢波點距，120道接收，15次覆蓋，采樣率0.5 ms，采樣長度為3 000 ms，中間激發，共完成100炮，3 t縱橫兩用可控震源車施工。

圖10 f3測線布置圖Fig.10 Layout of f3 line

圖11 電法勘探反演結果顯示的斷裂Fig.11 Faults displayed by the inversion results of electrical prospecting

圖12 f3淺層勘探顯示的斷裂Fig.12 Faults displayed by f3 shallow exploration line

4 結論

(1) 在衛星遙感影像上可在色調形狀陰影方面表現出來，反映斷層斷裂位置，作為快速定位斷層斷裂位置的初勘方法。

(2) 從衛星遙感影像特征提取需求角度出發，制定科學合理的測量方案，利用空三加密方法可以控制遙感數據采集質量，以較少的采集點最大限度獲取有效信息。

(3) 利用處理后的高分辨率衛星遙感影像、航攝影像以及 DEM數據，可以獲得對地質構造進行更高精度的分析，從而多源數據的高精度高分辨率遙感技術可成為活動斷裂研究的重要手段。

(4) 通過與地球物理勘探方法對比，進一步印證高分辨率遙感影像解釋結論的正確性。