基于歷史航衛片的城市“隱形”活動斷層精確定位
——以大同盆地水峪斷裂為例

郭 菲，任俊杰,,，郭 慧，蘇 強，任建國，閆小兵

1.應急管理部國家自然災害防治研究院，北京 100085；2.中國地震局地殼動力學重點實驗室，北京 100085；3.四川西昌青藏高原走滑斷裂系災害動力學野外科學觀測研究站，四川 西昌 615000；4.大同市防震減災中心，山西 大同 037006；5.山西省地震局，山西 太原 030021

0 引言

1976年中國唐山7.8級地震、1995年日本阪神7.3級地震和2010年海地太子港7.0級地震造成了嚴重的人員傷亡和巨大的財產損失，重要的原因是這些地震都屬于城市直下型地震，由城市下面的活動斷層發生錯動造成。活動斷層是指晚第四紀10萬年以來發生過活動、現在正在活動、未來一定時期內仍可能發生活動的斷層(鄧起東，1991；徐錫偉等，2002；鄧起東等，2004；徐錫偉，2006)。活動斷層尤其是全新世活動斷層的存在會伴隨著一系列潛在災害風險，包括活動斷層突發強震造成的地表破裂或者斷層緩慢蠕動引發的地表位移及其伴生的地質災害，會對跨越斷層的建筑、交通設施和工程設施等造成難以估計的破壞與損失(鄧起東等，2007；鄧起東和聞學澤，2008)。因此，開展城市活動斷層探測，找出隱藏在城市下具備發生大地震潛能的全新世活動斷層，是開展活動斷層避讓和有效減輕重大地震災害風險的基礎。

活動斷層尤其是全新世活動斷層往往會在地表形成斷層陡坎等構造微地貌，可以指示斷層詳細的幾何展布(Sieh and Jahns，1984；馮先岳，1986,1991；Parsons，2007)。但在城市地區，尤其是隨著城市化進程的加速，人類活動和城市建設造成原始地形地貌改造嚴重，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，為活動斷層的精確定位帶來了極大困難。

目前，常用的城市活動斷層定位技術主要包括地球物理勘探手段和鉆孔聯合剖面(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)。這些方法不僅耗時耗力，而且費用較高；另外受城市施工環境的限制往往難以大面積開展，無法準確厘定活動斷層的精細幾何展布。

而在原始地形地貌保存較完好、地表保留有活動斷層陡坎的情況下，可以基于無人機航拍和高分辨率衛星影像，利用航空立體攝影技術提取研究區高分辨率數字高程模型(DEM)，進而研究活動斷層的精細幾何結構、變形特征、地震地表破裂樣式、斷層運動學定量參數等(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)。這種技術需要野外采集控制點，但城市地區因為建筑物覆蓋，原始的地貌形態改造嚴重，難以獲得真實的原始地表形態資料。

既然歷史遙感影像能夠保留當時的真實地形地貌信息，能否通過城市建設之前的航衛片影像資料獲得斷層附近的原始地形地貌，進而對“隱形”活動斷層進行精確定位？文章選取大同盆地東部的御東新區為重點研究區，通過對比不同時期的影像資料分析歷史影像的適用時段，嘗試通過歷史航衛片提取城市開發前原始的地形資料，限定活動斷層的詳細幾何展布；并與淺層地震勘探和野外地質調查結果對比，驗證歷史影像研究結果的可靠性。該研究結果不僅為大同地區的地震危險性評估提供了重要依據，也為城市“隱形”活動斷層探測提供了一個新的技術思路和途徑。

1 研究區背景

大同盆地位于鄂爾多斯東緣，是山西地塹系北部一個北東向半封閉地塹式山間盆地，第四紀以來活動強烈，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)。大同市區位于大同盆地東北隅(圖1)，西側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，第四紀以來堆積了一套厚約400 m的下更新統—全新統河湖相沉積。

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部的一條北東向次級斷裂，走向與口泉斷裂大致平行，控制著大同東次級斷陷的西邊界。該斷裂北起采涼山主峰東南側，經水峪、三條澗，向西南進入大同市御東新區。依據斷裂幾何展布特征，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，經過馬家堡村、三府墳村，往南延伸至肖家寨村南，山前線性陡坎發育，斷層位置明確；南段位于大同御東新區內，該段原始地貌改造嚴重，斷層位置不明確(圖1)。

水峪斷裂北段總體走向NE30°，錯斷了中、晚更新世含礫棕黃色次生黃土，在海力村東北剖面處發現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現斷層錯斷年齡距今約33.0±2.6 ka黑褐色亞粘土(李建華等，1998)。基于已有研究成果綜合判斷，水峪斷裂應該是一條活動斷層。

大同市區不同時期的Landsat影像(圖2)對比表明，自20世紀80年代至今該地區發生了明顯變化，地形地貌改造嚴重，無法通過現今遙感影像獲得原始地形地貌數據。尤其是大同市東側、文瀛湖西側的御東新區的快速發展主要發生在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，大同城市發展還處于剛剛起步狀態，大同御東新區大部分為農田荒地，僅有幾個較大村莊，原始地形地貌保存相對較好。因此，大同地區御東新區2000年之前的遙感影像資料，可以用來研究活動斷層地貌特征。

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

2 數據選區與處理流程

2.1 數據選取

為了獲得研究區原始的地形地貌信息，研究搜集了大同市區不同時期的高精度航衛片數據，發現較老的資料包括歷史航片、1∶10000地形圖以及美國鎖眼(Keyhole)衛星影像。大同地區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，色調均勻。但相關航攝底片和技術參數等紙質資料已基本缺失，原始膠片上也缺少框標信息。

大同地區最早的1∶10000地形圖測繪于1983年6月，為1954年北京坐標系和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16幅。

Keyhole系列衛星影像是美國照相偵察衛星資料，已經解密的國內歷史數據多拍攝于20世紀80年代以前。Keyhole衛星歷史影像由于大部分是返回式照相機拍攝，獲取的影像數據為黑白全色影像。該衛星影像每個條帶圖幅都分為a，b，c，d四部分，每個部分都為單獨的tiff文件保存。研究區內Keyhole衛星歷史影像部分地區最高分辨率達到0.6 m，大部分地區1.8～2.7 m影像數據全覆蓋。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，使用遙感圖像軟件進行配準、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，在ArcGIS軟件中進行單景影像不同分塊之間的配準，配準誤差不超過一個像素；②影像拼接勻色，要求影像拼接后能清晰表現地物特征和地物紋理信息、邊界清晰，通過目視解譯可以區分，影像光譜特征真實、準確，影像色調均勻、反差適中；③幾何糾正，以現有的谷歌歷史影像為基礎，使用ENVI 5.3軟件，采用幾何多項式模型對Keyhole歷史遙感影像進行單景幾何糾正，相鄰單景之間選取一定數量的連接點，保證景與景之間的接邊精度，利于后期鑲嵌；④影像鑲嵌，對糾正后影像進行色調調整，但應注意保留多光譜影像的光譜信息和全色影像的紋理細節，保證整個工作區影像數據色調協調統一，盡量選取線狀地物或地塊邊界等明顯分界線作為鑲嵌線，通過鑲嵌線對融合后的影像進行鑲嵌處理，并在鑲嵌前后對影像進行檢查。

2.3 歷史航片預處理

通過歷史航片相對提取獲取DEM需要對航片進行密集匹配，并將空三加密成果自動匹配生成三維點云數據。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節特征。但歷史航片由于是黑白膠片，不同于現今使用的數碼影像，會產生新的誤差。①數據資料缺失：紙質文檔在保存過程中發生丟失損壞現象不可避免，常表現在相機型號、內定向參數、像控點參數和焦距等數據缺少，無法或難以進行內定向處理。②控制點獲取困難：所獲取的歷史航片距今年代較遠，且受城市建設發展影響，部分區域地形發生較大變化，在空三加密時很難布設控制點，并且實地測量歷史航片控制點數據存在困難且誤差較大。③ 影像質量問題：歷史航片影像保存時間過長，難以避免存在變形和噪聲等問題，并且影像在掃描過程中其紋理、亮度等未設置好都會為后續數據處理帶來一定困難，主要表現在連接點自動匹配和空三加密精度較差。

在進行航空立體攝影提取DEM之前，需要對航片進行預處理：①航片挑選，應注意挑選航向和旁向重疊度分別達到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分辨率對航片進行高精度掃描，對質量較差的影像進行影像增強處理，包括灰度拉伸處理、反差與亮度處理、邊緣信息增強處理等，保證掃描影像反差適中，色調飽和，影像灰度直方圖的灰度值在0～255灰度級之間連續分布并整體呈正態分布；③航片修整，去掉影像上的條道和斑點，處理水面反光，去掉航片上的記錄數字和指示器影像，對單張航片進行亮度和灰度處理，使每張航片整體亮度和灰度基本一致；④數字航空影像保存，經以上步驟對航片處理后得到空間分辨率為0.5 m的數字化影像，文件大小為179 M，采用tiff格式保存，最大可能保留影像信息(嚴榮華等, 2004; 徐衛民等, 2012)。

2.4 航片立體像對提取DEM

由于搜集到的歷史航片缺失立體攝影測量所需的具體定量參數，并且區內已被密集建筑物覆蓋，地形地貌被完全改造，無法尋找到歷史航片上可靠的對應標志點進行野外控制點的實際測量。而通過歷史航片與Keyhole衛星影像對比，發現1965至1985年間研究區地形地貌變化很小，因此可以利用1983年的1∶10000地形圖為歷史航片像對提供航空立體攝影所需的地面控制數據。

研究基于歷史航片構建立體像對，通過密集匹配得到三維點云，進而提取大同地區歷史航片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流程圖

1∶10000地形圖配準和控制點的提取包括以下幾個步驟：①在ArcGIS里按地形圖本身經緯線網格交點均勻選點按1954年北京坐標系進行配準、拼接；②為方便后續圖件操作處理，將拼接完成的地形圖進行坐標系轉換，由北京1954坐標系在ArcGIS中轉換為WGS1984坐標系；③進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進行定向，并在相應地形圖上找到與之相應的同名點，匹配兩點以進行糾正，控制點選取過程中應注意選擇清晰明顯且無變化的標志點，如老建筑拐角、田埂以及道路交叉口等，并且控制點要在航片上盡可能均勻分布，幾何糾正誤差不超過一個像素；④將各影像進行拼接鑲嵌，鑲嵌前檢查相鄰航片的同一線性地物是否保持連續、發生錯位等。

選取航片地面控制點時需遵循以下原則：①自航片拍攝時至地形圖完成時段內一致，無變化；②在影像中清晰易于辨識；③控制點數量滿足精度要求且分布均勻(Micheletti et al.，2015)。研究中共選取了239個地面控制點，主要為鄉間道路交叉點、田埂拐點等，以此對影像進行嚴格的幾何校正，而文瀛湖周邊由于缺少地形圖的高程信息無法尋找精確控制點，造成文瀛湖附近分布有大量無效數據，其高程數據產生了較大畸變。

研究中歷史航片立體像對提取DEM主要利用Agisoft Metashape軟件進行處理，具體流程分為5步：①照片導入與對齊，導入研究區10張歷史航片并進行自動對齊；②特征點匹配、點云數據生成，航片進行自動對齊時選擇連接點數量為4000個，初步生成點云數據；③添加地面控制點、重建密集點云，在航片上手動添加由地形圖提取到所有239個控制點，保證每張航片上的同一控制點都被標記，重新生成高分辨率密集點云；④生成DOM，基于點云數據生成多邊形Mesh網格模型和正射影像；⑤生成帶有地理坐標信息的DEM。

3 結果與分析

3.1 水峪斷裂北段斷層陡坎

現今Google earth影像、1985年Keyhole遙感影像、1965年歷史航片正射影像(DOM)及數字高程模型(DEM)表明(圖4)，水峪斷裂北段走向北東向，長度約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確地解譯出斷層幾何展布特征，但隨著城市發展，現今局部地段已被人工改造，野外現場地質調查已無法確認斷層位置。

a—2020年Google earth影像(黃色虛實線為水峪斷裂)；b—1985年美國鎖眼(Keyhole)衛星影像；c—1965年歷史航片正射影像(DOM)；d—1965年歷史航片數字高程模型(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，原始斷錯地貌被改造，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，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影像顯示原始斷錯地貌被城市建設覆蓋，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證了水峪斷裂的幾何展布位置在文瀛湖的西北側通過(圖5c，5d)。

3.2 水峪斷裂“隱形”段斷層陡坎

2020年Google earth影像顯示，水峪斷裂通過的位置均被御東新區城市建筑物覆蓋，斷錯地貌被破壞，表現為“隱形”斷層。因為缺少明顯色差通過Keyhole歷史遙感影像也不能解譯出斷層陡坎的位置，但結合1∶10000地形圖與歷史航片像對提取的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

御東新區原始DEM資料顯示了“隱形”水峪斷裂詳細的幾何結構，表現為清晰的陡坎地貌。該陡坎走向北東，與御河的水流方向大角度相交，無法用河流侵蝕來解釋。而該陡坎與水峪斷裂北段的幾何展布一致，推測其應是水峪斷裂南段在御東新區的幾何展布。

為了進一步驗證基于歷史航片像對提取的御東新區原始DEM確定的陡坎是水峪斷裂活動造成的，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測線KL1和KL2(圖6b)。探測結果揭示出兩個主要斷層點FPk8與FPk20，表現為正斷層性質，傾向南東，可見明顯的反射波同相軸錯斷，均斷錯了新近紀的底界TN(圖7)，斷層性質與水峪斷裂相同。淺層地震探測剖面揭示的斷層上斷點至近地表，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

FPk8, FPk20—斷層點；TN，Tg—地震波反射界面

另外，在對城市內調查時發現，大同大學南側一建筑基坑內有斷層出露。基坑西壁剖面深約4.5 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，鈣質菌絲發育；③灰黃色含粉砂粘土，發育大量鈣質結核；④棕色河流相砂礫石層，水平層理發育，分選好，表明屬于較大河流的沉積，從區域上判斷為御河T3階地。可見斷層呈階梯狀展布，包括兩個分支，斷錯了層②至層④，但被層①所覆蓋。在國道G109旁邊，一人工開挖的土坑也見到斷層剖面，表現為與基坑剖面類似的特征(圖9)。這兩個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，每層具體巖性見文中描述

圖9 國道G109旁邊的斷層剖面(位置見圖6b)

3.3 水峪斷裂詳細幾何展布

淺層地震反射剖面和野外地質調查結果證明，研究中提取的原始DEM資料確定的陡坎應是水峪斷裂活動的結果，也表明基于歷史航片像對提取DEM資料的方法可以有效揭示“隱形”活動斷層的位置。

原始DEM資料顯示在御東新區北部斷層變形帶較寬，存在多個分支(圖6)。自北向南橫跨水峪斷層的地形剖面顯示，御東新區內活動斷層具有復雜的幾何結構。北部地形剖面上表現為三個斷層陡坎，陡坎高度約18.8 m(圖10a)；中部地形剖面上表現為兩個斷層陡坎，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)。總的來看，水峪斷裂南段在御東新區所在的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，通過歷史航片像對提取的原始DEM資料可以用來厘定城市“隱形”活動斷層精細的幾何結構。基于該成果可為水峪斷裂避讓提供基礎依據，有利于減輕活動斷層斷錯帶來的巨大災害風險。

f,f1,f2,f3處發育有斷層陡坎

4 討論與結論

文章主要介紹了基于歷史航衛片相對提取相對原始DOM和DEM的處理流程，以早期地形圖作為基準來提取航片控制點，通過對大同地區歷史航衛片立體像對提取2 m分辨率的DEM和DOM，獲得御東新區附近的原始地形地貌和水峪斷裂精細幾何展布，并通過淺層地震勘探和野外地質調查對斷裂位置進行了驗證。從水峪斷裂御東新區段斷層陡坎高程剖面確定陡坎高度約為18.7±0.9 m，該數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量逐漸減少，說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。

研究結果表明，基于歷史航片的立體像對提取技術生成DEM和DOM來定位城市“隱形”活動斷層的方法是可行的，該方法可以定量評價斷層累積位移，準確獲得斷層精細幾何展布，可作為常規城市活動斷層探測方法的一種輔助手段，具有獨特優勢。現今高分辨率遙感影像數據以及無人機航測照片生成的DEM和DOM分辨率可達到亞米級，甚至更高，而大同地區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斷層的微構造地貌特征。歷史航片能夠獲取現今高分辨率影像無法獲取的原始地貌信息，是原始地形信息重要的載體。在城市快速發展的今天，如果充分利用了歷史航片的優勢，不僅能有效提高活動斷層定位的精度，而且還可大幅度降低探測成本和人力物力消耗，為城市“隱形”活動斷層探測提供了一種經濟有效的新方法。

但該方法對早期資料要求較高，要求研究區位置存留有城市建設前歷史航片，航片比例尺不宜過小，最好在1∶10000左右。部分地區歷史航片還保留有測區所使用的飛行儀器、完整的航攝儀、攝影比例尺等數據信息，有助于航片進行自動內定向，提高航片處理的效率和精度。在選取控制點上，如果研究區地形地貌改變不大，可以使用差分GPS野外實測獲得當地控制點信息；如果地形地貌被強烈改造，且客觀條件不允許野外布設控制點，可以收集早年間地形圖作為控制點提取的底圖。當然，該方法精度還有待提高，因此在實際研究開展過程中，應避免簡單依賴于這一研究手段，而要采用多種方法共同驗證分析。