李天龍 張世民 丁 銳 劉 韶 趙麗媛

（中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100085）

引言

衛(wèi)星遙感影像是地球表面按一定比例尺縮小了的自然景觀綜合圖。早在20世紀(jì)80年代初期，我國(guó)就開(kāi)始了活動(dòng)斷裂的專(zhuān)題研究工作及后期的大比例尺地質(zhì)填圖和綜合研究，在工作中就逐漸重視到航衛(wèi)片的解譯工作，因?yàn)橛性S多斷錯(cuò)地貌只有通過(guò)航衛(wèi)片資料的解譯才能得到更加完整的定量參數(shù)，可以從宏觀上掌握活動(dòng)斷層的基本特征，最為重要的是大大提高了工作效率（鄭文俊等，2002）。數(shù)字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）是用數(shù)字化形式表達(dá)的地形信息，而地貌研究的基礎(chǔ)是對(duì)地表地貌形態(tài)特征參數(shù)的描述，利用數(shù)字高程模型可以對(duì)構(gòu)造地貌進(jìn)行研究。

近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，給傳統(tǒng)的二維影像注入了新的活力，三維立體影像正成為遙感影像發(fā)展的一個(gè)重要方向（落紅衛(wèi)，2008）。將遙感影像和數(shù)字高程模型（DEM）相結(jié)合的三維立體影像就是按照一定比例對(duì)現(xiàn)實(shí)世界或其中一部分的一個(gè)或多個(gè)方面的三維、抽象的描述（或綜合），其形象性、功能性遠(yuǎn)強(qiáng)于二維遙感影像。劉華國(guó)等（2011）在研究西南天山柯坪推覆構(gòu)造系時(shí)，利用印度P5立體像對(duì)提取出的DEM和GeoEye-1多光譜影像，采用二維和三維相結(jié)合的方法對(duì)跨褶皺山系的出露地層進(jìn)行了產(chǎn)狀提取。畢麗思等（2011）在研究霍山山前斷裂時(shí)，基于高分辨率IRS-P5 DEM數(shù)據(jù)提取了橫穿斷裂的沖溝，在沖溝縱剖面上識(shí)別出斷裂活動(dòng)誘發(fā)裂點(diǎn)，并將裂點(diǎn)序列同前人通過(guò)探槽揭露的古地震事件期次和強(qiáng)震重復(fù)周期很好的對(duì)應(yīng)了起來(lái)。宮會(huì)玲等（2008）在研究安寧河斷裂時(shí)，利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法，得到了該地區(qū)水平分辨率為5m的DEM及正射影像，并將二者相結(jié)合，提取出了河流階地，進(jìn)行了階地?cái)噱e(cuò)定量化分析。

麗江-小金河斷裂是川滇菱形塊體內(nèi)部在中新生代龍門(mén)山—錦屏山—玉龍雪山推覆構(gòu)造帶南西段基礎(chǔ)上形成的一條北東向活動(dòng)斷裂帶，南西起自紅河斷裂帶北段的劍川盆地，向北東經(jīng)麗江、寧蒗西北的寶地、天生橋、鹽源、木里等地，東止于安寧河斷裂帶的冕寧以北，由多條斜列的次級(jí)斷層組成（圖1），斷裂總體走向N40°—50°E，傾向NW（徐錫偉等，2003）。徐錫偉等（2003）曾對(duì)麗江-小金河斷裂做過(guò)野外斷錯(cuò)地貌調(diào)查，其主要結(jié)論為：在麗江-小金河斷裂帶西南段南溪旦讀村北東山前地帶，斷裂左旋切割一沖洪積扇（al）及其上小沖溝，其中小沖溝的左旋位移量達(dá)（31±4）m；在洪積扇頂部褐紅色耕作土之下、洪積礫石層之上發(fā)育著厚1m左右的黑色泥炭層，推測(cè)為斷塞塘堆積。麗江盆地北東的團(tuán)山蓮花村前，一沖溝口的沖洪積扇也被左旋錯(cuò)動(dòng)，在扇面上形成高約 1.5m的斷層陡坎，沖洪積扇東緣與小沖溝T1階地陡坎（a2/T1）的左旋位移量約8.6m。

本文通過(guò)P5立體像對(duì)提取出的麗江-小金河斷裂帶DEM（數(shù)字高程模型），與1:5萬(wàn)地形圖等高線(xiàn)高程、RTK測(cè)量得到的高程數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)DEM進(jìn)行了精度評(píng)價(jià)。同時(shí)將獲得的DEM結(jié)合Google Earth高清衛(wèi)星影像，形成三維立體影像，對(duì)麗江-小金河斷裂在干塘子及南溪盆地進(jìn)行了斷錯(cuò)地貌解譯及對(duì)比。最后通過(guò)探槽對(duì)解譯結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果表明，通過(guò)P5立體像對(duì)形成DEM獲得的三維立體圖像，明顯優(yōu)于1:5萬(wàn)地形圖形成的三維立體圖像。最終利用三維立體影像對(duì)麗江-小金河斷裂進(jìn)行了斷錯(cuò)地貌解譯。

1 DEM提取

印度Cartosat-1號(hào)衛(wèi)星搭載2個(gè)空間分辨率為2.5m的可見(jiàn)光全色波段攝像儀，沿軌道方向一個(gè)的前視角為26°，另一個(gè)的后視角為5°，2個(gè)相機(jī)獲取同一景影像的時(shí)間差僅為52s，因此 2幅圖像的輻射效應(yīng)基本一致，有利于立體觀察和影像匹配。形成像對(duì)的有效幅寬為26km，基線(xiàn)高度比為0.62。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)具備真正 2.5m分辨率，應(yīng)用尺度能夠達(dá)到 1:10000；在制圖方面，像對(duì)生成DEM以及制圖精度可達(dá)1:25000。

1.1 立體像對(duì)提取DEM原理

立體像對(duì)獲取DEM的原理比較簡(jiǎn)單，在天空2點(diǎn)拍攝地面同1點(diǎn)時(shí)形成1個(gè)角，當(dāng)天空 2點(diǎn)的空間位置確定后，該角度越大地物點(diǎn)越高，將地面所有點(diǎn)的高程解算后就得到了數(shù)字地面模型，如圖2所示。圖2中S1、S2為2個(gè)攝影基站，A、B、C分別為3個(gè)地物點(diǎn)，a1、b1、c1和a2、b2、c2分別為3個(gè)地物點(diǎn)A、B、C經(jīng)S1、S2后形成的像點(diǎn)（黨軍宏等，2012）。

1.2 ENVI軟件制作DEM流程

本文采用遙感影像處理軟件ENVI 4.6.1中的DEM Extraction模塊提取P5立體像對(duì)的DEM（黨軍宏等，2012），應(yīng)用了前人提取DEM的方法，總共分為以下6個(gè)步驟（圖3）：

（1）輸入立體像對(duì)。選擇要處理的 P5立體像對(duì)數(shù)據(jù)，分別指定左像、右像，并且自動(dòng)讀取影像附帶文件 RPC，并根據(jù)RPC文件信息，自動(dòng)初步解算出實(shí)驗(yàn)區(qū)域的最大和最小高程值，為后面DEM生成過(guò)程中的立體匹配提供方便，縮小搜索范圍。

（2）控制點(diǎn)選取。在陸地范圍內(nèi)選取地面上容易識(shí)別的點(diǎn)，如：道路的交叉處、標(biāo)志性建筑拐角、湖泊或者水庫(kù)的邊角及沖溝溝口、河流交匯處等10個(gè)控制點(diǎn)左右，盡量均勻分布在整個(gè)影像范圍內(nèi)。

（3）連接點(diǎn)匹配。連接點(diǎn)匹配的目的是消除兩幅圖像在Y方向上的視差，將匹配問(wèn)題變二維為一維。連接點(diǎn)匹配即立體匹配，其本質(zhì)就是給定一幅圖像中的一點(diǎn)，尋求在另一幅圖像中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，即實(shí)現(xiàn)同名點(diǎn)匹配。

（4）生成核線(xiàn)影像。核線(xiàn)影像能夠消除左右影像間的上下視差，即左、右影像的地面特征點(diǎn)具有共同的Y坐標(biāo)，從而將二維的問(wèn)題變?yōu)橐痪S的問(wèn)題，大大加快了圖像匹配處理速度，提高了匹配結(jié)果的可靠性。

（5）生成DEM。在ENVI中設(shè)置好DEM提取的一些參數(shù)，比如：地形精細(xì)度、地貌特征、背景值和移動(dòng)窗口大小等。

（6）DEM的編輯。由于傳感器本身的物理特性或外界一些因素的影響會(huì)產(chǎn)生一些噪聲，使得圖像不清晰，因此在DEM提取過(guò)程中，一些像素的匹配誤差可能很大甚至失?。ù罅康年幱按嬖?、對(duì)比度較低等原因）。這時(shí)就要對(duì)生成的DEM進(jìn)行編輯。

圖2 立體像對(duì)提取DEMFig. 2 DEM extracting by stereographs

圖3 ENVI軟件制作DEM流程圖Fig. 3 Flowchart of DEM extracting by ENVI software

2 DEM精度評(píng)價(jià)

DEM精度評(píng)定可通過(guò)兩種不同的途徑來(lái)進(jìn)行，一種是平面精度和高程精度分開(kāi)評(píng)定，另一種是兩種精度同時(shí)評(píng)定。對(duì)于前者，平面的精度結(jié)果可獨(dú)立于垂直方向的精度結(jié)果而獲得；但對(duì)于后者，兩種精度的獲取必須同時(shí)進(jìn)行。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，一般只討論DEM的高程精度問(wèn)題（張衛(wèi)柱等，2003）。DEM精度評(píng)價(jià)的方法有：檢查點(diǎn)法、等高線(xiàn)套合分析法、剖面線(xiàn)法和影像分析法等（唐新明等，1999）。本文主要采用等高線(xiàn)套合分析法和剖面線(xiàn)法進(jìn)行精度評(píng)估。

2.1 等高線(xiàn)套合分析法

等高線(xiàn)套合分析法就是將提取出的DEM進(jìn)行密度分割，把單波段DEM圖像按亮度分層，對(duì)每層賦予不同的色彩，表示不同的高程。將密度分割后的DEM和1:5萬(wàn)地形圖等高線(xiàn)比較，檢查不同色彩與等高線(xiàn)契合的實(shí)際狀況。圖4為DEM密度分割圖與1:5萬(wàn)地形圖等高線(xiàn)疊加后的對(duì)比圖。從圖中可以看到，DEM的不同色帶與等高線(xiàn)高程具有很好的相應(yīng)一致性，尤其在較平緩地區(qū)地形圖上相鄰2條等高線(xiàn)間有多條色帶，說(shuō)明DEM高程精度超過(guò)了1:5萬(wàn)地形圖高程精度。

2.2 剖面線(xiàn)法

剖面線(xiàn)法是按一定的剖面量測(cè)計(jì)算高程點(diǎn)和實(shí)際高程點(diǎn)的精度計(jì)算方法。剖面可以是沿X方向、Y方向或任意方向（唐新明等，1999）。本文將從DEM上任意方向提取的剖面，與采用Unistrong GPS在干塘子地區(qū)小范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分（RTK）測(cè)量而內(nèi)插生成的不規(guī)則三角網(wǎng)面（即tin，其實(shí)際高程精度能達(dá)到cm級(jí)）及1:5萬(wàn)地形圖上對(duì)應(yīng)位置提取的剖面進(jìn)行對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果來(lái)看（圖7 GTZ-1），三者地形起伏度基本一致，從tin上提取出的剖面線(xiàn)與實(shí)際地形一致；而從DEM上提取出的剖面線(xiàn)有些許波狀起伏，但整體地形與實(shí)際地形趨勢(shì)在總體上趨于一致。對(duì)于單個(gè)點(diǎn)而言，DEM和tin兩者高程相差在5m以?xún)?nèi)，二者明顯優(yōu)于等高間距為20m的1:5萬(wàn)地形圖。圖6a中GTZ-1為在DEM、tin和1:5萬(wàn)地形圖上所拉剖面線(xiàn)的位置。

圖4 DEM與1:5萬(wàn)地形圖等高線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比（左圖為干塘子；右圖為南溪）Fig. 4 Comparison between DEM and 1:50000 topographic map(the left is Gantangzi, the right is Nanxi)

3 斷錯(cuò)地貌的三維立體影像分析

3.1 南溪盆地

圖5 南溪盆地三維影像對(duì)比Fig. 5 Comparison of the 3-dimentional images of Nanxi basin

南溪盆地位于麗江市西南方向，是晚第三紀(jì)以來(lái)的沉積盆地（向宏發(fā)等，2002）。圖 5a為南溪盆地平面影像解譯圖；圖5b為從P5立體像對(duì)提取出的DEM疊加Google Earth影像做出的三維立體圖；圖5c為由1:5萬(wàn)矢量地形圖等高線(xiàn)生成的DEM疊加Google Earth影像做出的三維立體圖；圖5d為Google Earth三維影像；圖5e為相機(jī)拍攝的圖5a中黃色矩形框所對(duì)應(yīng)的實(shí)際地形照片。從圖5a中可以看出，麗江-小金河斷裂控制南溪盆地的東南邊界，在圖上有很好的線(xiàn)性表示，斷層斷錯(cuò)了沖溝和洪積扇。將圖5b、5c和5d三幅立體影像同圖5e實(shí)際地形進(jìn)行對(duì)比，可以看出P5立體像對(duì)提取出的DEM最優(yōu)，與實(shí)際地形最為接近，地形細(xì)節(jié)顯示的較好，其次為1:5萬(wàn)地形圖，而Google Earth影像的三維效果最差，由其形成的地貌面較為平整，兩級(jí)地貌面之間由平直的斜坡相連接，與實(shí)際地形差別較大。

3.2 干塘子斷陷盆地

在麗江市東北團(tuán)山—干地壩一帶，麗江—寧蒗公路的西北一側(cè)，從影像上可見(jiàn)高聳的基巖山與低矮的殘丘平原間有十分醒目的基巖斷層陡崖地貌。北東走向的麗江-小金河斷裂正是沿這一基巖陡崖的下方通過(guò)（向宏發(fā)等，2002）。從干地壩再往北東方向走，進(jìn)入干塘子后，麗江-小金河斷裂分為南、北兩支：北支仍沿基巖陡崖下方經(jīng)過(guò)；南支切斷沖溝階地及洪積扇，形成斷層陡坎和臺(tái)地。干塘子西邊有斷塞塘發(fā)育。根據(jù)分析，干塘子應(yīng)為南、北兩支斷層走滑拉分后形成的斷陷盆地（圖6a）。

圖6 干塘子三維影像圖對(duì)比Fig. 6 Comparison of the 3-dimentional images of Gantangzi basin

圖7 DEM、tin、1:5萬(wàn)地形圖及Google Earth地形剖面線(xiàn)對(duì)比（GTZ-1見(jiàn)圖6；NX-1見(jiàn)圖5；圖中地形圖和Google Earth高程為絕對(duì)高程；DEM和RTK-tin為相對(duì)高程）Fig. 7 Comparison of section lines of DEM, tin, 1:50000 topographic map and Google Earth Topography (see GTZ-1 in Fig. 6, NX-1 in Fig. 5)

從三維影像圖的對(duì)比（圖6）來(lái)看，仍是從P5立體像對(duì)提取出來(lái)的DEM生成的三維影像（圖6b）最優(yōu)，與實(shí)際地形較為一致；其次為1:5萬(wàn)地形圖，而Google Earth影像（圖6d）的三維效果最差，路邊的山坡成了平直的斜坡，沒(méi)有細(xì)致地顯示河流階地和臺(tái)地等地貌。

4 探槽驗(yàn)證與斷錯(cuò)地貌分析

4.1 探槽驗(yàn)證

通過(guò)上述對(duì)P5立體像對(duì)提取出的DEM精度的評(píng)價(jià)和多種三維影像圖的對(duì)比可以看出，從P5立體像對(duì)提取出的DEM精度最高，生成的三維影像最逼真。經(jīng)過(guò)在室內(nèi)利用三維影像解譯出的斷層地貌，初步選定了幾處探槽位置（見(jiàn)圖6a、圖10）。通過(guò)野外實(shí)地踏勘和仔細(xì)論證，最終在解譯的斷層陡坎位置上進(jìn)行了開(kāi)挖。圖8為南溪西南探槽剖面，揭示出的斷層位置與影像分析基本一致。

圖8 南溪西南探槽Fig. 8 The trench in the southwest of Nanxi

圖9 干塘子76m長(zhǎng)東探槽西壁Fig. 9 The west wall of a 76m long trench in Gantangzi

圖9 為干塘子?xùn)|探槽西壁剖面，揭示出的斷層位置與室內(nèi)三維影像分析一致，證實(shí)了干塘子是兩支斷層控制的斷陷盆地。

4.2 斷錯(cuò)地貌分析

4.2.1 南溪盆地東南邊緣

利用P5立體像對(duì)提取出的DEM具有很高的精度，與Google Earth高清影像疊加后，可以制作成高精度的三維立體影像，從三維立體圖上就可以直接量測(cè)出斷層崖、斷層陡坎以及河流階地?cái)噱e(cuò)等斷錯(cuò)地貌的垂直位錯(cuò)量。圖10為南溪盆地東南邊界斷層（紅色箭頭指示位置）對(duì)斷錯(cuò)地貌拉的4條剖面線(xiàn)（圖11），從剖面線(xiàn)（圖11）上可以看出，斷層在該段的垂直位錯(cuò)量為25—35m。

圖10 南溪盆地平面解譯圖Fig. 10 Map of Nanxi basin from image interpretation

圖11 南溪斷錯(cuò)地貌剖面線(xiàn)Fig. 11 Landscape of fault scarp in Nanxi

4.2.2 文運(yùn)村

文運(yùn)村處于麗江盆地北部邊界基巖山山腳下，從影像圖上可以看出麗江-小金河斷裂在文運(yùn)村北左旋錯(cuò)斷了東、西沖溝（圖12、圖13），在東、西支沖溝之間的山梁上形成坡中谷地貌。從三維影像圖（圖 13）上量得：西支沖溝左旋水平位錯(cuò)量為 17.89m；東支沖溝左旋水平位錯(cuò)量為19.07m。二者求平均可得平均水平位錯(cuò)量為18.48m。

圖12 文運(yùn)村北平面解譯圖Fig. 12 Geological interpretation of the north of Wenyun village

圖13 文運(yùn)村東、西支沖溝三維影像解譯圖Fig. 13 The 3-dimentional interpretation of gullies at north Wenyun village

圖14 文運(yùn)村北山梁斷錯(cuò)剖面Fig. 14 The profile of faulted block in the north of Wenyun village

在圖12中，直線(xiàn)cd為斷層線(xiàn)；直線(xiàn)ac和de為東、西支沖溝之間的山梁；線(xiàn)段cd實(shí)際距離為18.48m，即水平斷距。沿著abcde做出剖面線(xiàn)（圖14），從剖面線(xiàn)圖上可以看出，bc和de應(yīng)為同一級(jí)地貌面，為沖溝T4階地面。同時(shí)從圖上還可以看出，bc和de的垂直斷距為5.7m。

5 結(jié)論

（1）本文根據(jù)立體像對(duì)提取DEM的原理，利用ENVI軟件DEM Extraction模塊提取出印度衛(wèi)星P5立體像對(duì)麗江-小金河斷裂帶的DEM。通過(guò)等高線(xiàn)套合分析法和剖面線(xiàn)法對(duì)DEM精度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，DEM精度超過(guò)了1:5萬(wàn)地形圖等高線(xiàn)高程精度。

（2）本文通過(guò)干塘子和南溪盆地兩處，三種三維影像——從P5立體像對(duì)提取出的DEM疊加Google Earth影像顯示的三維立體影像、Google Earth三維影像和1:5萬(wàn)矢量地形圖等高線(xiàn)生成的DEM疊加Google Earth影像后做成的三維立體影像的對(duì)比，認(rèn)為P5立體像對(duì)DEM精度最高，立體影像視覺(jué)效果最好，其次為1:5萬(wàn)地形圖，Google Earth影像自身高程精度最差。

（3）利用P5立體像對(duì)提取出的DEM結(jié)合Google Earth高清影像生成的三維立體圖對(duì)麗江-小金河斷裂進(jìn)行了斷層地貌解譯，獲得了良好的目視解譯效果，并為探槽選址提供了依據(jù)。通過(guò)野外實(shí)地踏勘和探槽開(kāi)挖驗(yàn)證，證明高精度DEM和三維影像對(duì)斷層地貌解譯具有很高的利用價(jià)值。

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