引言

卫星遥感影像是地球表面按一定比例尺缩小了的自然景观综合图。早在20世纪80年代初期,我国就开始了活动断裂的专题研究工作及后期的大比例尺地质填图和综合研究,在工作中就逐渐重视到航卫片的解译工作,因为有许多断错地貌只有通过航卫片资料的解译才能得到更加完整的定量参数,可以从宏观上掌握活动断层的基本特征,最为重要的是大大提高了工作效率(郑文俊等,2002)。数字高程模型(DEM,Digital Elevation Model)是用数字化形式表达的地形信息,而地貌研究的基础是对地表地貌形态特征参数的描述,利用数字高程模型可以对构造地貌进行研究。

近几年来,随着计算机技术的飞速发展,给传统的二维影像注入了新的活力,三维立体影像正成为遥感影像发展的一个重要方向(落红卫,2008)。将遥感影像和数字高程模型(DEM)相结合的三维立体影像就是按照一定比例对现实世界或其中一部分的一个或多个方面的三维、抽象的描述(或综合),其形象性、功能性远强于二维遥感影像。刘华国等(2011)在研究西南天山柯坪推覆构造系时,利用印度P5立体像对提取出的DEM和GeoEye-1多光谱影像,采用二维和三维相结合的方法对跨褶皱山系的出露地层进行了产状提取。毕丽思等(2011)在研究霍山山前断裂时,基于高分辨率IRS-P5 DEM数据提取了横穿断裂的冲沟,在冲沟纵剖面上识别出断裂活动诱发裂点,并将裂点序列同前人通过探槽揭露的古地震事件期次和强震重复周期很好的对应了起来。宫会玲等(2008)在研究安宁河断裂时,利用数字摄影测量方法,得到了该地区水平分辨率为5m的DEM及正射影像,并将二者相结合,提取出了河流阶地,进行了阶地断错定量化分析。

丽江-小金河断裂是川滇菱形块体内部在中新生代龙门山—锦屏山—玉龙雪山推覆构造带南西段基础上形成的一条北东向活动断裂带,南西起自红河断裂带北段的剑川盆地,向北东经丽江、宁蒗西北的宝地、天生桥、盐源、木里等地,东止于安宁河断裂带的冕宁以北,由多条斜列的次级断层组成(图1),断裂总体走向N40°—50°E,倾向NW(徐锡伟等,2003)。徐锡伟等(2003)曾对丽江-小金河断裂做过野外断错地貌调查,其主要结论为:在丽江-小金河断裂带西南段南溪旦读村北东山前地带,断裂左旋切割一冲洪积扇(al)及其上小冲沟,其中小冲沟的左旋位移量达(31±4)m;在洪积扇顶部褐红色耕作土之下、洪积砾石层之上发育着厚1m左右的黑色泥炭层,推测为断塞塘堆积。丽江盆地北东的团山莲花村前,一冲沟口的冲洪积扇也被左旋错动,在扇面上形成高约1.5m的断层陡坎,冲洪积扇东缘与小冲沟T1阶地陡坎(a2/T1)的左旋位移量约8.6m。

图 1丽江-小金河断裂分布图 Fig. 1Spatial distribution of Lijiang-Xiaojin River fault

本文通过P5立体像对提取出的丽江-小金河断裂带DEM(数字高程模型),与1:5万地形图等高线高程、RTK测量得到的高程数据进行对比,并对DEM进行了精度评价。同时将获得的DEM结合Google Earth高清卫星影像,形成三维立体影像,对丽江-小金河断裂在干塘子及南溪盆地进行了断错地貌解译及对比。最后通过探槽对解译结果进行了检验。结果表明,通过P5立体像对形成DEM获得的三维立体图像,明显优于1:5万地形图形成的三维立体图像。最终利用三维立体影像对丽江-小金河断裂进行了断错地貌解译。

1 DEM提取

印度Cartosat-1号卫星搭载2个空间分辨率为2.5m的可见光全色波段摄像仪,沿轨道方向一个的前视角为26º,另一个的后视角为5º,2个相机获取同一景影像的时间差仅为52s,因此2幅图像的辐射效应基本一致,有利于立体观察和影像匹配。形成像对的有效幅宽为26km,基线高度比为0.62。

卫星数据具备真正2.5m分辨率,应用尺度能够达到1:10000;在制图方面,像对生成DEM以及制图精度可达1:25000。

1.1 立体像对提取DEM原理

立体像对获取DEM的原理比较简单,在天空2点拍摄地面同1点时形成1个角,当天空2点的空间位置确定后,该角度越大地物点越高,将地面所有点的高程解算后就得到了数字地面模型,如图2所示。图2中S1、S2为2个摄影基站,A、B、C分别为3个地物点,a1、b1、c1和a2、b2、c2分别为3个地物点A、B、C经S1、S2后形成的像点(党军宏等,2012)。

图 2立体像对提取DEM Fig. 2DEM extracting by stereographs
1.2 ENVI软件制作DEM流程

本文采用遥感影像处理软件ENVI 4.6.1中的DEM Extraction模块提取P5立体像对的DEM(党军宏等,2012),应用了前人提取DEM的方法,总共分为以下6个步骤(图3):

图 3ENVI软件制作DEM流程图 Fig. 3Flowchart of DEM extracting by ENVI software

(1)输入立体像对。选择要处理的P5立体像对数据,分别指定左像、右像,并且自动读取影像附带文件RPC,并根据RPC文件信息,自动初步解算出实验区域的最大和最小高程值,为后面DEM生成过程中的立体匹配提供方便,缩小搜索范围。

(2)控制点选取。在陆地范围内选取地面上容易识别的点,如:道路的交叉处、标志性建筑拐角、湖泊或者水库的边角及冲沟沟口、河流交汇处等10个控制点左右,尽量均匀分布在整个影像范围内。

(3)连接点匹配。连接点匹配的目的是消除两幅图像在Y方向上的视差,将匹配问题变二维为一维。连接点匹配即立体匹配,其本质就是给定一幅图像中的一点,寻求在另一幅图像中的对应点,即实现同名点匹配。

(4)生成核线影像。核线影像能够消除左右影像间的上下视差,即左、右影像的地面特征点具有共同的Y坐标,从而将二维的问题变为一维的问题,大大加快了图像匹配处理速度,提高了匹配结果的可靠性。

(5)生成DEM。在ENVI中设置好DEM提取的一些参数,比如:地形精细度、地貌特征、背景值和移动窗口大小等。

(6)DEM的编辑。由于传感器本身的物理特性或外界一些因素的影响会产生一些噪声,使得图像不清晰,因此在DEM提取过程中,一些像素的匹配误差可能很大甚至失败(大量的阴影存在、对比度较低等原因)。这时就要对生成的DEM进行编辑。

2 DEM精度评价

DEM精度评定可通过两种不同的途径来进行,一种是平面精度和高程精度分开评定,另一种是两种精度同时评定。对于前者,平面的精度结果可独立于垂直方向的精度结果而获得;但对于后者,两种精度的获取必须同时进行。在现实应用中,一般只讨论DEM的高程精度问题(张卫柱等,2003)。DEM精度评价的方法有:检查点法、等高线套合分析法、剖面线法和影像分析法等(唐新明等,1999)。本文主要采用等高线套合分析法和剖面线法进行精度评估。

2.1 等高线套合分析法

等高线套合分析法就是将提取出的DEM进行密度分割,把单波段DEM图像按亮度分层,对每层赋予不同的色彩,表示不同的高程。将密度分割后的DEM和1:5万地形图等高线比较,检查不同色彩与等高线契合的实际状况。图4为DEM密度分割图与1:5万地形图等高线叠加后的对比图。从图中可以看到,DEM的不同色带与等高线高程具有很好的相应一致性,尤其在较平缓地区地形图上相邻2条等高线间有多条色带,说明DEM高程精度超过了1:5万地形图高程精度。

2.2 剖面线法

剖面线法是按一定的剖面量测计算高程点和实际高程点的精度计算方法。剖面可以是沿X方向、Y方向或任意方向(唐新明等,1999)。本文将从DEM上任意方向提取的剖面,与采用Unistrong GPS在干塘子地区小范围内进行实时动态差分(RTK)测量而内插生成的不规则三角网面(即tin,其实际高程精度能达到cm级)及1:5万地形图上对应位置提取的剖面进行对比。从对比结果来看(图7 GTZ-1),三者地形起伏度基本一致,从tin上提取出的剖面线与实际地形一致;而从DEM上提取出的剖面线有些许波状起伏,但整体地形与实际


图 4DEM与1:5万地形图等高线进行对比(左图为干塘子;右图为南溪) Fig. 4Comparison between DEM and 1:50000 topographic map (the left is Gantangzi, the right is Nanxi)

地形趋势在总体上趋于一致。对于单个点而言,DEM和tin两者高程相差在5m以内,二者明显优于等高间距为20m的1:5万地形图。图6a中GTZ-1为在DEM、tin和1:5万地形图上所拉剖面线的位置。
3 断错地貌的三维立体影像分析
3.1 南溪盆地

南溪盆地位于丽江市西南方向,是晚第三纪以来的沉积盆地(向宏发等,2002)。图5a为南溪盆地平面影像解译图;图5b为从P5立体像对提取出的DEM叠加Google Earth影像做出的三维立体图;图5c为由1:5万矢量地形图等高线生成的DEM叠加Google Earth影像做出的三维立体图;图5d为Google Earth三维影像;图5e为相机拍摄的图5a中黄色矩形框


a:南溪盆地Google Earth平面影像图解译(其中黄色矩形框为b、c、d图所在位置);b:P5立体像对提取出的DEM生成的三维影像(红线NX-1为所拉剖面线(见图7 NX-1));c:1:5万矢量地形图等高线生成的DEM与Google Earth影像叠加显示的三维影像;d:Google Earth三维影像;e:相机拍摄黄色矩形框的实际地形照片

图 5南溪盆地三维影像对比 Fig. 5Comparison of the 3-dimentional images of Nanxi basin

所对应的实际地形照片。从图5a中可以看出,丽江-小金河断裂控制南溪盆地的东南边界,在图上有很好的线性表示,断层断错了冲沟和洪积扇。将图5b、5c和5d三幅立体影像同图5e实际地形进行对比,可以看出P5立体像对提取出的DEM最优,与实际地形最为接近,地形细节显示的较好,其次为1:5万地形图,而Google Earth影像的三维效果最差,由其形成的地貌面较为平整,两级地貌面之间由平直的斜坡相连接,与实际地形差别较大。

3.2 干塘子断陷盆地

在丽江市东北团山—干地坝一带,丽江—宁蒗公路的西北一侧,从影像上可见高耸的基岩山与低矮的残丘平原间有十分醒目的基岩断层陡崖地貌。北东走向的丽江-小金河断裂正是沿这一基岩陡崖的下方通过(向宏发等,2002)。从干地坝再往北东方向走,进入干塘子后,丽江-小金河断裂分为南、北两支:北支仍沿基岩陡崖下方经过;南支切断冲沟阶地及洪积扇,形成断层陡坎和台地。干塘子西边有断塞塘发育。根据分析,干塘子应为南、北两支断层走滑拉分后形成的断陷盆地(图6a)。

从三维影像图的对比(图6)来看,仍是从P5立体像对提取出来的DEM生成的三维影像(图6b)最优,与实际地形较为一致;其次为1:5万地形图,而Google Earth影像(图6d)的三维效果最差,路边的山坡成了平直的斜坡,没有细致地显示河流阶地和台地等地貌。


a:干塘子Google Earth平面影像图解译(其中红色矩形框为b、c、d图所在位置;蓝色矩形框为探槽;GTZ-1为所拉剖面线(见图7));b:P5立体像对提取出的DEM生成的三维影像;c:1:5万矢量地形图等高线生成的DEM叠加卫星影像显示的三维立体图;d:Google Earth三维影像
图 6干塘子三维影像图对比 Fig. 6Comparison of the 3-dimentional images of Gantangzi basin

GTZ-1
RTK-tin
DEM
1:5万地形图
NX-1
DEM
1:5万地形图
Google Earth
图 7 DEM、tin、1:5万地形图及Google Earth地形剖面线对比
(GTZ-1见图6;NX-1见图5;图中地形图和Google Earth高程为绝对高程;DEM和RTK-tin为相对高程)
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)
4 探槽验证与断错地貌分析
4.1 探槽验证

通过上述对P5立体像对提取出的DEM精度的评价和多种三维影像图的对比可以看出,从P5立体像对提取出的DEM精度最高,生成的三维影像最逼真。经过在室内利用三维影像解译出的断层地貌,初步选定了几处探槽位置(见图6a、图10)。通过野外实地踏勘和仔细论证,最终在解译的断层陡坎位置上进行了开挖。图8为南溪西南探槽剖面,揭示出的断层位置与影像分析基本一致。

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

图 9干塘子76m长东探槽西壁 Fig. 9The west wall of a 76m long trench in Gantangzi

图9为干塘子东探槽西壁剖面,揭示出的断层位置与室内三维影像分析一致,证实了干塘子是两支断层控制的断陷盆地。

4.2 断错地貌分析
4.2.1 南溪盆地东南边缘

利用P5立体像对提取出的DEM具有很高的精度,与Google Earth高清影像叠加后,可以制作成高精度的三维立体影像,从三维立体图上就可以直接量测出断层崖、断层陡坎以及河流阶地断错等断错地貌的垂直位错量。图10为南溪盆地东南边界断层(红色箭头指示位置)对断错地貌拉的4条剖面线(图11),从剖面线(图11)上可以看出,断层在该段的垂直位错量为25—35m。

图 10南溪盆地平面解译图 Fig. 1010 Map of Nanxi basin from image interpretation
NX-2
NX-3
NX-4
图 11南溪断错地貌剖面线 Fig. 11Landscape of fault scarp in Nanxi
4.2.2 文运村

文运村处于丽江盆地北部边界基岩山山脚下,从影像图上可以看出丽江-小金河断裂在文运村北左旋错断了东、西冲沟(图12、图13),在东、西支冲沟之间的山梁上形成坡中谷地貌。从三维影像图(图13)上量得:西支冲沟左旋水平位错量为17.89m;东支冲沟左旋水平位错量为19.07m。二者求平均可得平均水平位错量为18.48m。

图 12文运村北平面解译图 Fig. 12Geological interpretation of the north of Wenyun village

图 13文运村东、西支冲沟三维影像解译图 Fig. 13The 3-dimentional interpretation of gullies at north Wenyun village

图 14文运村北山梁断错剖面 Fig. 14The profile of faulted block in the north of Wenyun village

在图12中,直线cd为断层线;直线ac和de为东、西支冲沟之间的山梁;线段cd实际距离为18.48m,即水平断距。沿着abcde做出剖面线(图14),从剖面线图上可以看出,bc和de应为同一级地貌面,为冲沟T4阶地面。同时从图上还可以看出,bc和de的垂直断距为5.7m。

5 结论

(1)本文根据立体像对提取DEM的原理,利用ENVI软件DEM Extraction模块提取出印度卫星P5立体像对丽江-小金河断裂带的DEM。通过等高线套合分析法和剖面线法对DEM精度进行了评价,DEM精度超过了1:5万地形图等高线高程精度。

(2)本文通过干塘子和南溪盆地两处,三种三维影像——从P5立体像对提取出的DEM叠加Google Earth影像显示的三维立体影像、Google Earth三维影像和1:5万矢量地形图等高线生成的DEM叠加Google Earth影像后做成的三维立体影像的对比,认为P5立体像对DEM精度最高,立体影像视觉效果最好,其次为1:5万地形图,Google Earth影像自身高程精度最差。

(3)利用P5立体像对提取出的DEM结合Google Earth高清影像生成的三维立体图对丽江-小金河断裂进行了断层地貌解译,获得了良好的目视解译效果,并为探槽选址提供了依据。通过野外实地踏勘和探槽开挖验证,证明高精度DEM和三维影像对断层地貌解译具有很高的利用价值。

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