遙感技術(shù)及多源遙感影像在地震斷裂構(gòu)造解譯中的應(yīng)用

陳靚　于書媛

摘 要：對ETM+、SPOT5、Landsat TM、ASTER GDEM和高分一號影像數(shù)據(jù)進行研究，探討多源遙感影像的特征與選擇，詳細(xì)闡述了地震斷裂構(gòu)造解譯的方法和流程。最后，文章通過具體案例對解譯方法展開分析。

關(guān)鍵詞：多源遙感影像；地震斷裂；線性構(gòu)造；解譯標(biāo)志；DEM

1 概述

遙感技術(shù)因其觀測范圍廣、不受地面自然條件限制等特點，在地震觀測研究中顯現(xiàn)出明顯的應(yīng)用前景。1974年，美國總統(tǒng)顧問F.Press教授和C.Allen教授贈送中國地震代表團一套覆蓋我國全部領(lǐng)土的陸地衛(wèi)星圖像，我國從此開始系統(tǒng)運用各種遙感圖像，進行斷層活動性、強震構(gòu)造環(huán)境、地震地表破裂等方面的遙感地質(zhì)解譯研究[1]。

斷裂構(gòu)造是地殼中最常見的地質(zhì)構(gòu)造，遙感技術(shù)不僅可從宏觀上把握斷裂構(gòu)造的總體特征，還可以通過影像的色彩、形態(tài)、紋理結(jié)構(gòu)等分辨斷層的地貌影像信息，為描述斷層的空間展布及相互切割關(guān)系，分析其與地震活動相關(guān)性提供了重要的科學(xué)手段。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，同一地區(qū)不同衛(wèi)星傳感器獲取的遙感影像數(shù)據(jù)越來越豐富。與單源遙感影像數(shù)據(jù)相比，多源遙感影像數(shù)據(jù)所提供的信息具有冗余性、互補性和合作性[2]。因此，研究多源遙感影像在地震斷裂構(gòu)造解譯中的應(yīng)用至關(guān)重要。

2 多源遙感數(shù)據(jù)源選擇與解譯方法

2.1 數(shù)據(jù)源特征與選擇

目前，多分辨率、多波段、多時相的遙感影像數(shù)據(jù)廣泛應(yīng)用于地學(xué)領(lǐng)域。在地震斷裂構(gòu)造解譯工作中，應(yīng)充分考慮傳感器的空間、光譜和時間分辨率，同時要根據(jù)研究地物的光譜特性、成像規(guī)律和影像特征來選取合適的遙感影像數(shù)據(jù)加以應(yīng)用。ETM+、SPOT5、Landsat TM 和ASTER GDEM影像在斷裂構(gòu)造解譯中應(yīng)用較為廣泛。隨著我國“高分辨率對地觀測”系統(tǒng)重大專項的推進，高分系列衛(wèi)星尤其是高分一號影像也有效應(yīng)用于基礎(chǔ)地質(zhì)遙感調(diào)查等行業(yè)應(yīng)用中。

中等分辨率的ETM+影像在地質(zhì)調(diào)查和斷裂分析等工作中被廣泛使用[3]，它具有6個30米分辨率的多光譜波段、1個60米分辨率的熱紅外波段和1個15米分辨率的全色波段。其中，第4和第7波段適合斷裂構(gòu)造解譯。SPOT5影像具有3個10米分辨率的多光譜波段和1個2.5米分辨率的全色波段，可以滿足1：25萬至1：1萬比例尺平面圖的制圖精度要求。Landsat TM 影像份7個波段，其中TM5能夠清晰反映線性構(gòu)造，一個熱紅外波段在隱伏斷裂及活動性構(gòu)造方面具有一定優(yōu)勢[2]。ASTER GDEM有20米的垂直精度和30米水平精度，適合提取坡度、坡向、坡度變化率等地貌因子，有較好的輔助解譯作用[4]。高分一號是中國高分辨率對地觀測系統(tǒng)的首發(fā)星，全色分辨率2米，多光譜分辨率8米，具有高、中空間分辨率對地觀測和大幅寬成像結(jié)合的特點，對大尺度地表觀測具有獨特優(yōu)勢，對大斷裂的判讀與解譯有輔助作用。

2.2 解譯方法

多源遙感影像斷裂構(gòu)造解譯方法主要包括幾個方面：遙感影像處理與相關(guān)性分析，線性構(gòu)造解譯，遙感影像標(biāo)志、地貌特征及斷裂的解譯，最后通過實地調(diào)查對解譯結(jié)果進行驗證。為滿足相關(guān)斷裂構(gòu)造解譯的需要，可運用高分一號、landsat ETM+、ASTER GDEM、DEM、Google Earth Image等影像資料進行聯(lián)合解譯。解譯技術(shù)路線圖如圖1所示。

3 斷裂構(gòu)造的解譯與分析

3.1 遙感影像處理與相關(guān)性分析

3.1.1 遙感影像預(yù)處理

遙感影像預(yù)處理是使用ENVI、ERDAS等遙感圖像處理軟件進行一系列的影像處理工作，以實現(xiàn)增強遙感影像空間信息的功能。這些操作主要包括幾何校正、輻射校正、影像融合、影像鑲嵌以及色調(diào)調(diào)整等，通過這些處理步驟能夠為進一步提取遙感影像中有用的信息做準(zhǔn)備。

3.1.2 影像增強

根據(jù)數(shù)據(jù)源的特點對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行影像增強，以突出斷裂構(gòu)造的光譜特征和微地貌特征。主要方法包括：假彩色波段合成、波段差、比值計算、主成分變換、坡度分析和地貌渲染等。

3.1.3 相關(guān)性分析

多光譜遙感影像數(shù)據(jù)包含多個光譜波段，每個光譜波段所包含的信息量不同，為完成不同的目的，達(dá)到不同的結(jié)果，對于光譜波段的選擇至關(guān)重要。因此，需要對遙感影像的各個波段的數(shù)據(jù)進行相關(guān)性的分析，選擇適合斷裂構(gòu)造解譯的波段組合。通?？蛇x用最佳指數(shù)（OIF）法，該概念是美國查維茨Chavez等1984年提出的。計算公式為：

根據(jù)其相關(guān)系數(shù)矩陣，再分別求出所有可能3個波段組合的OIF。按照其概念，OIF越大，則相應(yīng)組合圖像的信息量越大。為確定最佳波段組合方式的遙感影像圖，突出地質(zhì)特征信息，需要對遙感影像的各個波段的數(shù)據(jù)進行相關(guān)性的分析，以此滿足解譯的要求。

3.2 線性構(gòu)造解譯

斷裂是一種線性構(gòu)造，地表微小的線性特征可以用基于不同光照方向的DEM地形起伏來達(dá)到增強的效果，因此，使用一定的光照模型生成的DEM被廣泛應(yīng)用于線性構(gòu)造的識別中，從而輔助斷裂構(gòu)造的研究。光照模型公式如下：

其中？籽H（？姿）表示影像像素對應(yīng)的水平地表太陽入射角的反射率，計算公式為？籽H（？姿）=mcosz+b；？籽T（？姿）表示影像像素對應(yīng)的坡面太陽入射角的反射率，計算公式為？籽T（？姿）=mcosi+b；z表示為水平地表的太陽相對入射角（單位：度）；i表示坡面太陽入射角（單位：度）；m表示影像像素值；b是線性方程的截距；c表示線性方程的截距與影像像素值的比值。

一般情況下，在同一研究區(qū)范圍內(nèi)，同一組方向的線性構(gòu)造的走向大致都是相同的，不會出現(xiàn)差距較大的情況。所以可利用研究區(qū)域地質(zhì)圖已有的線性構(gòu)造，來判斷最合適的太陽方位角。根據(jù)疊加最佳光照模型的遙感影像，清晰地解譯出研究區(qū)的線性特征，然后使用GIS軟件，疊加最佳遙感影像獲取的線性構(gòu)造信息，得到研究區(qū)的線性構(gòu)造解譯圖。

3.3 遙感影像的目視解譯解譯

圖像解譯就是研究分析遙感影像的過程，可以根據(jù)地物的光譜特性、成像規(guī)律及影像特征來辨別地物，并判斷其類別和特性屬性。在遙感影像上，不同地物有著不同的影像特征，這些影像特征是解譯時識別各種物體的依據(jù)，稱為目視解譯標(biāo)志。從直觀上講，活動斷裂的遙感影像解譯標(biāo)志主要有色調(diào)、地層、地貌、水系、土壤以及綜合景觀等，前人一般將其歸納為三類，包括：線性標(biāo)志、垂直錯動標(biāo)志和水平錯動標(biāo)志（謝廣林等，1982；國家地震局地震研究所等，1982；丁國瑜，1982；蔣藺珍，1985；鄒謹(jǐn)敞，1995）。斷裂構(gòu)造特征的識別主要就是運用解譯標(biāo)志和實踐經(jīng)驗的綜合分析。遙感影像的目視解譯大致可分為以下幾個階段：（1）準(zhǔn)備工作：收集資料，分析整理，確定使用方式和作業(yè)方法。（2）建立解譯標(biāo)志：根據(jù)具體影像，結(jié)合地圖資料和野外調(diào)查建立解譯標(biāo)志。（3）室內(nèi)解譯：按解譯標(biāo)志，結(jié)合已有資料進行全面解譯，得出解譯得初步結(jié)果。（4）野外驗證：對結(jié)果核查、修正和補充，確定各解譯要素的屬性和邊界范圍。（5）成果整理：文字資料編寫，成果的繪制。

4 實例分析[5]

實例工作區(qū)位于155.5°-166.8°E、31.17°-31.68°N范圍內(nèi)，利用該區(qū)域Landsat ETM+、高分一號、ASTER GDEM數(shù)據(jù)，研究斷裂構(gòu)造在遙感影像中的波譜特征和宏觀地質(zhì)特征，借助線性構(gòu)造解譯結(jié)果，采取先人機交互判讀方式，分析斷裂構(gòu)造。

4.1 線性標(biāo)志解譯

研究區(qū)域斷裂走向北西，實驗中選擇較低的太陽高度角（15°），與傳統(tǒng)衛(wèi)片的光照模型（40°-50°）相比，可使地形陰影更明顯，適合探測線性構(gòu)造。在0°-180°不同的太陽方位角模型，以1°為權(quán)值，進行角度加權(quán)運算，可尋找到適合顯示線性構(gòu)造的角度。為了保證最大限度地顯示線性構(gòu)造，以1°為權(quán)值，進行20°范圍的角度加權(quán)運算，得到該方向的可能光照模型，然后對比地質(zhì)圖，得到最佳的光照模型。角度計算公式如下：

A=B±i （3）

其中B值為0°、50°、130°，i取值為1°、2°、3°......20°。

最后，經(jīng)過多次實驗發(fā)現(xiàn)太陽方位角70°的陰影起伏圖對N-W構(gòu)造走向的斷裂構(gòu)造地貌顯示較明顯。因此文章選擇更有利于N-W構(gòu)造走向顯示的70°光照模型作為分析增強區(qū)域構(gòu)造地貌的最佳光照模型。

4.2 地貌影像特征解譯與實地驗證

通過高分一號多光譜（分辨率8m）影像的形狀特征和光譜特征分析，發(fā)現(xiàn)斷裂對微地貌發(fā)育起控制作用，西北端斷裂沿線的山脊被有北斷裂改造的形跡，分布著溝槽、埡口、深溝、谷地等較典型的地貌特征。依據(jù)上述特征，判讀出斷裂沿線的斷層谷地、斷層埡口、斷層三角面。圖4是判讀分析出的斷層谷地的斷裂構(gòu)造結(jié)果。

實地驗證主要依靠野外地質(zhì)調(diào)查。依據(jù)選取的已知斷裂沿線特征點，劃定考察路線和重點考察區(qū)，開展地貌、構(gòu)造和剖面的實地考察，對遙感影像結(jié)果進行驗證。

5 結(jié)束語

隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，遙感數(shù)據(jù)在對地觀測研究中發(fā)揮的作用越來越重要。將多源遙感數(shù)據(jù)與其他地學(xué)信息進行綜合分析與應(yīng)用，能夠多角度獲取研究區(qū)域更豐富、準(zhǔn)確的資料，在地質(zhì)構(gòu)造解譯和防震減災(zāi)工作中具有較為突出的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1]單新建，李建華.遙感地質(zhì)與干涉形變測量[M].北京：地震出版社，2009，1-2.

[2]韓玲，吳漢寧，杜子濤，等.多源遙感影像數(shù)據(jù)融合方法在地學(xué)中的應(yīng)用[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報，2005，27（3）：78-81.

[3]張微，陳漢林，李啟敏，等.基于遙感技術(shù)研究蕭山-球川斷裂帶[J].科技通報，2008（24）：156-161

[4]齊信，邵長生，陳州豐，等.多源遙感數(shù)據(jù)在斷裂構(gòu)造解譯中的應(yīng)用.大地測量與地球動力學(xué)，2012，32（4）：90-93

[5]于書媛，陳靚，張潔，等.梅山-龍河口斷裂中西段遙感解譯及第四紀(jì)活動特征.防災(zāi)科技學(xué)報，2015，17（2）：90-93

[6]吳哲.基于兩種遙感影像的郯廬斷裂帶構(gòu)造解譯淺析[J].測繪與空間地理信息[J]，2011，34（1）：13-21

[7]馬丹，吳中海，李家存，等.川西理塘斷裂帶的空間展布與第四紀(jì)左旋走滑活動的遙感影像標(biāo)志[J].地質(zhì)學(xué)報，2014，88（8）：1417-1435.

[8]鄭穎平，姚大全，張毅，等.郯廬斷裂帶新沂-五河段晚第四紀(jì)活動的新證據(jù)[J].中國地震，2014，30（1）：23-29.

[9]鄭穎平，翟洪濤，李光，等.郯廬斷裂帶江蘇新沂-安徽宿松段地震危險性分析[J].華北地震科學(xué)，2012，30（2）：48-51.

[10]竇愛霞，王曉青，王棟梁，等.基于多源數(shù)據(jù)的活動斷裂遙感圖像處理技術(shù)[J].地震，2010，30（3）：123-128.

[11]龔偉，曾佐勛，王杰，等.郯廬斷裂帶江蘇段第四紀(jì)活動性研究[J].地震研究，2010，33（1）：86-91.

[12]施煒，張岳橋，董樹文，等.郯廬斷裂帶中段第四紀(jì)活動及其分段特征[J].地球?qū)W報，2003.24（1）：11-18.

[13]劉小利，李雪，李井岡，等.ETM+和DEM數(shù)據(jù)在斷裂解譯中的應(yīng)用[J].大地測量與地球動力學(xué)，2012，32（6）：50-53.

[14]WEI，YANG Panxin， ZHANG Jun. Remote sensing analysis of northwest-striking fault in Wenchuan earthquake zone[J].Journal of Remote Sensing， 2012：1054-1073.

作者簡介：陳靚（1983-），女，漢，碩士，工程師，主要從事地理信息系統(tǒng)相關(guān)工作。