梁 朋 田勤儉 蘇 鵬 王 林 李文巧 胡朝忠

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利用DEM技術(shù)自動(dòng)提取龍門山南段青衣江階地面的研究1

梁 朋 田勤儉 蘇 鵬 王 林 李文巧 胡朝忠

（中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京100036）

河流階地面是一種時(shí)間性、連續(xù)性非常高的層狀地貌面，利用跨斷層地區(qū)的河流階地變形可以定量地判別一個(gè)地區(qū)的斷層活動(dòng)性。青衣江橫跨龍門山斷裂帶南段是一條區(qū)域性大河，由于龍門山南段構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈且河流階地被侵蝕程度嚴(yán)重，為了在室內(nèi)更好、更快地解譯青衣江河流階地，使野外調(diào)查工作更具有針對(duì)性，本文在龍門山南段青衣江流域小關(guān)子至飛仙村一段，采用航測(cè)遙感技術(shù)制作的2m分辨率DEM和1/5萬數(shù)字高程模型，基于ArcGIS和MATLAB平臺(tái)進(jìn)行了階地面提取和聚類分析，以模擬野外測(cè)量階地的流程，試圖通過計(jì)算機(jī)提取，快速獲取該地區(qū)更多的殘余地貌面，建立起較為完整的河流階地縱剖面。研究結(jié)果表明：野外測(cè)量數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)自動(dòng)提取結(jié)果相似度較高，具有較好的一致性；在完整的階地剖面中發(fā)現(xiàn)了蘆山盆地內(nèi)部階地具有疑似拱曲現(xiàn)象；在大川-雙石斷裂附近階地有翹起現(xiàn)象，推測(cè)蘆山盆地西緣階地拱曲是由大川-雙石斷裂東側(cè)的一條未知斷層引起的，大川-雙石斷裂附近階地的翹起現(xiàn)象可能是在斷層逆沖推覆過程中形成的，同時(shí)結(jié)合區(qū)域年代歷史數(shù)據(jù)，推測(cè)該地區(qū)（蘆山盆地至大川-雙石斷裂）至少在晚更新世曾發(fā)生過構(gòu)造活動(dòng)。

河流階地 計(jì)算機(jī)提取 青衣江 GIS DEM

引言

層狀地貌面包括夷平面、剝蝕面和河流階地，層狀地貌面記錄了地區(qū)地貌的演化歷程，因此可以用殘存的層狀地貌面來反演地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)、氣候活動(dòng)等內(nèi)外動(dòng)力演化的過程（潘保田等，2000；黃映聰，2006）。層狀地貌面廣泛存在，而且具有年代的意義，一個(gè)層狀地貌面就代表一個(gè)時(shí)代，是地貌學(xué)上的“地層”標(biāo)志（崔之久等，1996）。這種特點(diǎn)不僅可以指示比較大范圍內(nèi)的構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)弱，而且還大大拓展了研究地區(qū)構(gòu)造活動(dòng)的時(shí)間尺度。

伴隨著斷層的活動(dòng)，地表上的河流階地會(huì)隨之發(fā)生變形。用河流階地作為標(biāo)志物來獲取斷層位移量和運(yùn)動(dòng)模式是一種重要的研究手段。在過去的幾十年里，許多學(xué)者用河流階地來研究活動(dòng)斷層，如：楊景春等（1998）通過研究河流階地的發(fā)育及變形情況來反映祁連山北麓的新構(gòu)造演化特征；Scharer等（2006）用河流階地研究喀什地區(qū)的活動(dòng)滑脫褶皺；Hubert等（2007）利用階地變形討論了南天山斷彎褶皺的活動(dòng)機(jī)制；田勤儉等（2009）研究了汶川地區(qū)的階地與地震的關(guān)系，并以此為基礎(chǔ)探討了汶川地震的復(fù)發(fā)周期。

當(dāng)前識(shí)別河流階地的主要方法，首先是在室內(nèi)遙感圖像上完成目視解譯和劃定靶區(qū)，然后再進(jìn)行野外實(shí)地調(diào)查。對(duì)具有代表性的河流階地采集年齡樣品或者根據(jù)階地沉積結(jié)構(gòu)、礫石風(fēng)化圈的風(fēng)化情況、厚度，以及拔河高度等來判定河流階地的級(jí)次（李勇等，2005；張世民等，2010）。而且大多只是采用低級(jí)河流階地來研究地區(qū)的構(gòu)造活動(dòng)（李濤等，2011；李康等，2013），產(chǎn)生這種困境的主要原因是受限于高級(jí)層狀地貌面的獲?。▽訝畹孛裁娴哪甏涂臻g參數(shù)）（張軍龍等，2013）。因此，如何構(gòu)建完整的層狀地貌面已成為構(gòu)造地貌研究中急待解決的問題。

隨著高分遙感技術(shù)（InSAR、LiDAR等）的發(fā)展，精確高效獲取精細(xì)地貌形態(tài)有了新的解決方案。例如：劉靜等（2013）和陳濤等（2014）基于海原斷裂帶LiDAR掃描實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，展示了LiDAR高分辨率遙感在微構(gòu)造地貌研究中的潛力。如何利用高分辨率數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)信息，Dr?gu?等（2006）、Qin等（2009）和Mulder等（2011）相繼開展了很多利用DEM提取典型地貌特征的研究，但是利用高分辨率的遙感影像和DEM提取河流階地的研究目前還很少。龍門山構(gòu)造帶南段的蘆山地區(qū)，其構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈而且地貌面被嚴(yán)重侵蝕，階地發(fā)育較差，階地面較小，DEM高程-像元值曲線不能完整地分辨出各級(jí)階地（宮會(huì)玲等，2008）。同時(shí)階地面被大量沖溝、尤其是高階地切割。張軍龍等（2013）認(rèn)為，階地剖面線是確定階地面級(jí)別的一種方法，其中確定剖面線的位置是關(guān)鍵，而在切割較為嚴(yán)重的地區(qū)，誤差會(huì)增大。

本文的研究區(qū)位于龍門山斷裂帶南段，該段構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈而且地貌面被嚴(yán)重侵蝕，河流階地發(fā)育較差，晚第四紀(jì)遺跡不易保存，但階地變形對(duì)研究該地區(qū)斷裂活動(dòng)形態(tài)具有非常大的幫助。為了在室內(nèi)更好更快地完成解譯河流階地及輔助野外工作，使野外工作更具有針對(duì)性，本文選取橫穿龍門山斷裂帶南段的一條區(qū)域性大河——青衣江，試圖通過一種新的方法對(duì)中高分辨率DEM進(jìn)行處理，獲取青衣江的小關(guān)子—飛仙村段河流階地的分布圖和階地縱剖面圖，并通過計(jì)算機(jī)提取的階地縱剖面圖識(shí)別該地區(qū)的階地變形特征。

1 龍門山南段地質(zhì)概況

2013年4月蘆山地區(qū)發(fā)生了7.0級(jí)地震，這是繼汶川8.0級(jí)大地震后在龍門山斷裂帶上發(fā)生的又一次地震。許多學(xué)者對(duì)這次地震的成因給出了不同的解釋，例如：徐錫偉等（2013）根據(jù)地表破裂、余震空間分布和震源機(jī)制解，推斷蘆山地震由地下隱伏斷層引起；李傳友等（2013）通過對(duì)蘆山地震重災(zāi)區(qū)的調(diào)查并未發(fā)現(xiàn)地表破裂帶，由此認(rèn)為地震的發(fā)震構(gòu)造是蘆山盆地下面的龍門山山前滑脫帶，而新開店斷裂和大川-雙石斷裂的微弱活動(dòng)是滑脫帶運(yùn)動(dòng)引起的；Chen等（2013；2014）通過對(duì)蘆山地震重災(zāi)區(qū)的調(diào)查及古地震的考察后認(rèn)為，龍門山斷裂帶南段的活動(dòng)性與中段存在顯著差異，其晚第四紀(jì)活動(dòng)可能已向東側(cè)盆地前展。蘆山地震和汶川地震雖然發(fā)生在同一構(gòu)造帶上，但二者的震源破裂單元并非一體，汶川地震的發(fā)震構(gòu)造為中央-前山斷裂系，蘆山地震的發(fā)震構(gòu)造主要與前山-山前斷裂密切相關(guān), 而與中央斷裂關(guān)系不明顯。

龍門山斷裂帶位于四川盆地西緣，走向?yàn)楸睎|-南西方向，長(zhǎng)約500km，處于中國(guó)東西部構(gòu)造地貌陡變帶上。它分隔了松潘-甘孜造山帶和揚(yáng)子克拉通，東北端與秦嶺斷裂帶交匯，西南端與鮮水河斷裂帶相交。在龍門山南段，龍門山斷裂帶主要由后山隴東-耿達(dá)斷裂、中央鹽井-五龍斷裂、前山大川-雙石斷裂和山前隱伏斷裂組成。龍門山后山帶主要為變質(zhì)巖系和雜巖體構(gòu)成的沖斷掩覆體，顯示為厚皮沖斷構(gòu)造，表現(xiàn)為密集的、緊閉的構(gòu)造巖片；而龍門山前山帶由北東向展布的短軸背斜、向斜和逆沖斷層組合而成，顯示為疊瓦式推覆體和飛來峰構(gòu)造，表現(xiàn)為構(gòu)造巖片（Burchfiel等，1995）。在龍門山南段第四紀(jì)盆地和地層不發(fā)育，存在一系列北東向的斷層帶和弧形沖斷層束，如圖1所示（按正北方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°繪制）。許多學(xué)者對(duì)該段的斷裂活動(dòng)年代及特征進(jìn)行了研究。例如：楊曉平等（1999）利用探槽中地層的錯(cuò)斷和地層測(cè)年技術(shù)分析后認(rèn)為，中央斷裂五龍斷裂在錯(cuò)斷距今9萬年左右的沖積層后，被距今7.85萬年的坡積層覆蓋，剖面上地層的垂直位移為0.73m，大川-雙石斷裂錯(cuò)斷了距今5.74萬年以來的沖積層，垂直位移為1.74m。董紹鵬等（2008）通過地質(zhì)填圖、3D掃描儀等技術(shù)推測(cè)，大邑?cái)嗔褳槿率阑顒?dòng)的盲斷層。張?jiān)罉虻龋?010）和陳立春等（2013）認(rèn)為，隴東-耿達(dá)斷裂所穿過的T2階地并未被錯(cuò)斷，T2形成以來該斷裂活動(dòng)不明顯；五龍地區(qū)T3階地面上存在斷層槽谷，疑似為由鹽井-五龍斷裂活動(dòng)所致；在大川-雙石斷裂上，斷層谷地明顯，T1階地未被錯(cuò)斷。

青衣江是穿過龍門山南段的一條區(qū)域性大河，流向?yàn)楸睎|-南西向和北西-南東向，從上游河流形態(tài)特征上看，它可能受控于龍門山斷裂帶內(nèi)的推覆和褶皺活動(dòng)（賈營(yíng)營(yíng)等，2010）。自中更新世以來，在青衣江流域至少發(fā)育了6個(gè)階地，其主要受構(gòu)造的制約，階地類型主要表現(xiàn)為基座階地（唐熊等，2009）。青衣江流域的地貌在西部主要表現(xiàn)為中高山區(qū)；在東部主要表現(xiàn)為盆地和褶皺；東部和西部的高差在4000m左右（圖2）。

2 河流階地的自動(dòng)識(shí)別與提取

2.1 階地提取的原則和假設(shè)

原始河流階地一般有以下特點(diǎn)：①坡度??；②起伏?。虎墼谳^長(zhǎng)距離內(nèi)，每一級(jí)河流階地的拔河高度變化范圍不大。在地貌的演化過程中，階地的前緣剝蝕比沉積強(qiáng)，而階地的后緣更多的是由沉積作用形成的。同一級(jí)階地在不同地區(qū)的階地面沉積或侵蝕的速率也不一定相同，從而導(dǎo)致了同一級(jí)階地面頂部高度發(fā)生波動(dòng)。雖然利用DEM提取階地面頂部高程時(shí)會(huì)忽略階地的同沉積不一致的問題，但是從另一個(gè)角度看，該方法卻有著巨大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槟壳斑€沒有哪一種方法能確定階地基座是不是規(guī)則的（Demoulin等，2007）。

階地面識(shí)別主要是利用地表的坡度和曲率。在坡度發(fā)生改變的地方，其曲率也會(huì)發(fā)生變化；坡度變化越快的地方，其曲率變化也越大（圖3）。當(dāng)然，也可采用地表粗糙度等地貌指數(shù)來描述，這些指數(shù)雖然含義不同，但是其目的都是為了獲取較為平滑的地表表面。采用曲率變化的主要目的為：一是去除溝谷、山脊上的低坡度平面；二是為相鄰的階地提供一個(gè)界限。例如：當(dāng)針對(duì)某個(gè)地區(qū)的坡度設(shè)置過大時(shí)，而相鄰階地接觸較緊密且階地間隔較為平緩時(shí)，兩級(jí)階地可能被劃分為同一級(jí)，但是曲率在邊界的地方會(huì)變化很大。

為了獲取準(zhǔn)確的階地縱剖面，筆者假設(shè)在不受斷層強(qiáng)烈影響的一段范圍內(nèi)，階地的拔河高度是相似的且沒有級(jí)躍，其目的是為了消除在進(jìn)行階地級(jí)次劃分時(shí)產(chǎn)生的影響。

2.2 采用的數(shù)據(jù)

利用DEM提取河流階地時(shí)，最重要的是確認(rèn)DEM分辨率的高低。而針對(duì)不同地區(qū)階地的發(fā)育情況，對(duì)DEM分辨率的要求可以有所區(qū)別。

由于沿青衣江在小關(guān)子至靈關(guān)一段，階地發(fā)育較差，所以在進(jìn)行階地自動(dòng)提取時(shí)，對(duì)該段DEM分辨率要求較高。當(dāng)中低分辨率DEM和遙感影像達(dá)不到要求時(shí)，可采用航空攝影測(cè)量獲取的高精度的DEM和遙感圖像，這對(duì)識(shí)別活動(dòng)構(gòu)造是至關(guān)重要的（陳桂華等，2006）。考慮到航空攝影測(cè)量技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)發(fā)展多年，其與衛(wèi)星遙感影像相比，航拍影像有更高的清晰度和分辨率，且實(shí)時(shí)性和自主性更強(qiáng)的特點(diǎn)，所以在本項(xiàng)目實(shí)施外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí)，采用的是POS輔助航空攝影方案。該方案以運(yùn)12為航空平臺(tái)，搭載了國(guó)產(chǎn)SWDC-4真彩數(shù)碼航空攝影儀用以獲取航片。

由于數(shù)字航攝相機(jī)的GPS天線相位中心、IMU幾何中心及相機(jī)的投影中心不重合，為了獲取航片中含有的偏心角和偏心線元素分量偏移值，還需要布設(shè)檢校場(chǎng)以獲取數(shù)字航攝相機(jī)與POS之間的安置關(guān)系。另外為了獲取飛機(jī)移動(dòng)站的坐標(biāo)值，在地面還布設(shè)了多套GPS基站，并采用GPS載波相位測(cè)量差分定位技術(shù)來推算飛機(jī)移動(dòng)站的軌跡。在進(jìn)行室內(nèi)數(shù)據(jù)處理時(shí)，基于RFM、多基線、多重匹配技術(shù)提取高精度DEM和航空遙感影像，并要求在WGS84坐標(biāo)系中DEM分辨率為2m，航空遙感影像分辨率為0.2m，GPS校檢得到DEM最大高程誤差為2m。

由于禾林村至飛仙村（尤其是在思延鄉(xiāng)一帶）一段階地較為發(fā)育，所以在進(jìn)行階地自動(dòng)提取時(shí)，對(duì)該段的DEM數(shù)據(jù)分辨率要求較低。筆者利用1:50000數(shù)字地形圖插值生成DEM，得到的DEM分辨率為10m，由于1:50000地形圖等高距為10m，所以兩根等高線之間的插值高度誤差為m級(jí)?；跊]有控制點(diǎn)的地形圖插值結(jié)果可能會(huì)對(duì)一、二級(jí)階地提取結(jié)果影響較大，但對(duì)拔河幾十米的高級(jí)階地提取結(jié)果影響卻很小。

2.3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

沒有“匯”（洼地）的數(shù)字高程模型DEM（即無凹陷點(diǎn)DEM）是獲取真實(shí)河流剖面的關(guān)鍵。如果存在“匯”，則可能會(huì)生成錯(cuò)誤的河流剖面。為了獲取真實(shí)的現(xiàn)今的河流剖面，采用DEM填洼是非常好的方法（Schaüble，2000）。

2.4 河流階地提取

2.4.1 河流階地范圍的定義

首先要做的是確定提取河流階地的范圍，因?yàn)槿绻秶x取的過大，會(huì)把其他河道的階地包括進(jìn)去；如果范圍選取的過小，階地又不能被完整地識(shí)別出來。由于龍門山南段河流階地大部分為基座階地或侵蝕階地，其上部河流相的沉積物較少，因此筆者采取流域限定的方法來限制河流階地的范圍。具體方法為先獲取青衣江的整體流域范圍，然后再提取青衣江的次級(jí)流域范圍。考慮到青衣江主河道的階地通常出現(xiàn)在主河道與支流交叉的部位，并且沿支流方向在支流的上游一段距離內(nèi)保存的非常完整（Demoulin等，2007），所以筆者在支流下游設(shè)置了一定范圍的緩沖區(qū)，因?yàn)榫彌_區(qū)內(nèi)的階地也同樣為主河道的階地?；贒EM解譯和野外考察的要求，最終確定緩沖區(qū)的設(shè)置范圍為300m，河流階地的提取范圍為“青衣江整體流域—青衣江次級(jí)流域+支流緩沖區(qū)部分”，具體如圖4所示。

2.4.2 疑似河流階地面的獲取

青衣江河流階地在不同的地方其發(fā)育和被侵蝕的程度是不同的，其主要表現(xiàn)為：在山前地區(qū)河流階地較為發(fā)育，并且侵蝕程度較低；而在青衣江進(jìn)入山區(qū)后，河流階地發(fā)育范圍較小，被侵蝕的程度很高。所以在識(shí)別不同地區(qū)河流階地的時(shí)候，筆者根據(jù)青衣江不同段的標(biāo)志階地的特征設(shè)置了不同的參數(shù)值。具體方法為：在山前地區(qū)河流階地的坡度范圍上限取8°，曲率絕對(duì)值的范圍上限取0.3；在山區(qū)河流階地的坡度范圍上限取13°，曲率絕對(duì)值的范圍上限取0.5。同時(shí)在ArcGIS中提取DEM的坡度和表面曲率，然后進(jìn)行柵格疊加用以獲取符合上述條件的柵格范圍，最終轉(zhuǎn)換為矢量多邊形以獲取階地面的面積。由于在柵格疊加過程中會(huì)產(chǎn)生很多小圖斑，而這些小圖斑有相當(dāng)一部分位于山脊或沖溝中，它對(duì)階地等級(jí)的歸類有非常大的影響，為此筆者對(duì)小于5pixel×5 pixel的小圖斑進(jìn)行了刪除。

2.4.3 河流階地噪音的去除和階地級(jí)次的劃定

（1）首先定義每個(gè)階地面的代表高度即階地面的平均高度，這主要是針對(duì)DEM無法獲取基巖頂面高度的情況，同時(shí)根據(jù)青衣江河流階地的實(shí)際情況對(duì)階地面進(jìn)行網(wǎng)格化劃分，以防止河道突變引起的階地整體分級(jí)誤差。

（2）然后將階地面垂直投影到青衣江河道上，其投影距離即是每一個(gè)階地面到河道的最近距離。

（3）將河道劃分成段，每段長(zhǎng)度相同，具體的長(zhǎng)度大小根據(jù)實(shí)際需求定義，本文中每段河道的長(zhǎng)度定義為400m，這樣可建立400m長(zhǎng)度的“地區(qū)階地綜合剖面”。

（4）在每一個(gè)假定的“地區(qū)階地綜合剖面”中，會(huì)有很多高程相近的階地面，利用MATLAB中的層次聚類函數(shù)，可將這些高程相近的面視為同一面進(jìn)行合并。層次聚類法通過對(duì)數(shù)據(jù)集按照某種方法進(jìn)行層次分解，直到滿足某種條件為止，符合條件的被分為一類。在對(duì)每一個(gè)綜合剖面內(nèi)部階地進(jìn)行合并時(shí)，其限定條件為階地面之間的高差。本文將設(shè)置為10m，經(jīng)過按以上方法合并之后，可以確定每個(gè)“地區(qū)階地綜合剖面”內(nèi)階地的級(jí)數(shù)，這樣可減少在下一步操作中各級(jí)別階地可能存在的重疊性。

（5）在每一個(gè)“地區(qū)階地綜合剖面”中會(huì)有很多級(jí)階地，這時(shí)的階地剖面可能是不完整的或稱之為有“噪音”（如圖5所示），所以需要對(duì)每個(gè)“地區(qū)階地綜合剖面”的階地級(jí)別進(jìn)行修正。筆者采用的修正方法為，首先將每個(gè)“地區(qū)階地綜合剖面”投影到一個(gè)統(tǒng)一的縱軸上，然后利用MATLAB中的Kmeans聚類函數(shù)，找到每個(gè)“地區(qū)階地綜合剖面”的各級(jí)階地對(duì)應(yīng)整個(gè)河段的階地級(jí)別和高度。由于使用Kmeans聚類函數(shù)需要設(shè)置初始的分類級(jí)別，為此筆者設(shè)置了以下兩個(gè)條件：一是疑似階地面的高程-面積曲線；二是在進(jìn)行Kmeans計(jì)算時(shí)設(shè)置了不同的階地分類，并計(jì)算每種分類中各級(jí)別中心與該級(jí)別內(nèi)階地面的距離之和，繪制“分級(jí)級(jí)別-距離和”曲線。對(duì)于同一個(gè)“地區(qū)階地綜合剖面”內(nèi)有兩個(gè)或多個(gè)同一級(jí)別的疑似階地面時(shí)，筆者采用面積占優(yōu)評(píng)估法進(jìn)行評(píng)估，因?yàn)镈EM的高程是地表的高程，盡管可以忽略沉積、侵蝕作用的不一致，但是受地表起伏變化的影響還是很大的，這時(shí)僅僅考慮高程的相似性是不合理的，因此筆者認(rèn)為面積越大，成為階地的可能性也越大。其中又可分為兩種情況，一是其中一個(gè)階地面的面積占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)（例如面積>5000m2），并且是其余階地面積的幾倍，這時(shí)可以采用該階地面的高程作為該“地區(qū)階地綜合剖面”T的高程；二是階地面積不是特別大時(shí)，可采用下式進(jìn)行處理，以淡化小的噪音點(diǎn)的影響。

（6）圖6為完成上述階地提取的具體流程。

3 結(jié)果驗(yàn)證及誤差分析

筆者沿青衣江實(shí)測(cè)了5條階地橫剖面，用以驗(yàn)證利用計(jì)算機(jī)提取的階地結(jié)果是否可信，具體數(shù)據(jù)如表1所示。采用野外實(shí)測(cè)階地橫剖面與計(jì)算機(jī)提取的階地橫剖面進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)是兩者的相似度，其公式為：

表1 計(jì)算機(jī)提取的階地結(jié)果與野外實(shí)測(cè)的階地結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of automated data and field measurement

從表1可以看出，野外實(shí)測(cè)的5條階地剖面與計(jì)算機(jī)提取的剖面相似度都在97%以上；T1—T6每級(jí)階地的野外測(cè)量結(jié)果與計(jì)算機(jī)提取的結(jié)果相比，其相似度與階地的新老有關(guān)；由于低級(jí)別階地拔河較低，提取階地面高度時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)要求精度較高，所以提取的第一、二級(jí)階地面高度與野外測(cè)量的階地面高度相比，其相似度較低，而高級(jí)別階地的相似度較高。

根據(jù)提取的階地?cái)?shù)據(jù)分布結(jié)果、河流階地拔河縱剖面和野外驗(yàn)證結(jié)果，筆者對(duì)出現(xiàn)誤差的原因進(jìn)行了分析。

（1）地面凹凸不平，低級(jí)階地受人工改造嚴(yán)重。例如：一、二級(jí)階地大多為村莊所在地，房屋等人造建筑物很多，在利用遙感圖像合成DEM時(shí)會(huì)造成階地面的高度增加或降低。

（2）由于受長(zhǎng)期耕種和填洼等生產(chǎn)活動(dòng)影響，相鄰階地之間的界線不明顯。例如：由于受DEM分辨率的限制，一、二級(jí)階地之間的階地坎在某些地方變得不明顯，相鄰低級(jí)別階地面混合在了一起。這一現(xiàn)象從圖7C中可以看到，有些地方相鄰兩級(jí)的階地界線過于整齊，這是因?yàn)槠露群颓蕛蓚€(gè)地貌因子未將兩級(jí)分開，在網(wǎng)格化后出現(xiàn)的結(jié)果；還有圖7C中橢圓處一、二級(jí)階地邊界較為平整，這也是將連在一起的大塊階地網(wǎng)格成小塊階地的后果；同時(shí)這種網(wǎng)格化也會(huì)把低級(jí)別階地的后緣誤分到上一級(jí)階地中，如圖7C的橢圓處將二級(jí)階地后緣分到了三級(jí)階地。這種誤差一般只出現(xiàn)在低級(jí)別階地中。

（3）河流高程獲取的準(zhǔn)確性，對(duì)一、二級(jí)階地影響很大。影響河流高程準(zhǔn)確性的因素主要有三個(gè)：一是提取河流時(shí)產(chǎn)生的誤差，例如提取的河道與真實(shí)河道有誤差；二是河道上存在人工河壩等建筑，河道上如果存在水壩，水壩上游一側(cè)的河面水位會(huì)上升，而水壩下游一側(cè)的河面水位會(huì)下降，這會(huì)導(dǎo)致在河壩上游一段缺失低級(jí)河流階地或階地的拔河高度突然降低；三是填洼后河流會(huì)出現(xiàn)一些陡降，造成階地提取錯(cuò)誤，如圖7B中的橢圓處，而這些陡降是裂點(diǎn)還是DEM本身誤差還需進(jìn)一步查證。

（4）階地面高程的準(zhǔn)確性。在提取階地的過程中，通常以每一個(gè)階地面的平均高程代表其真實(shí)高程，但是階地的不規(guī)則性以及后期受到的改造，都會(huì)使同一級(jí)階地面的坡度、高程等完全不一致，所以會(huì)造成階地面在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)。

（5）采用坡度和曲率提取的疑似階地面，不僅包含真正的階地面，還有因巖性、構(gòu)造、溝谷等原因產(chǎn)生的低坡度平坦地面，其中溝谷平坦的底部在處理步驟中已經(jīng)除去，而巖性、構(gòu)造產(chǎn)生的“假階地”會(huì)混淆在分析的數(shù)據(jù)之中。

4 結(jié)果與討論

由上述步驟可得到如圖7所示的青衣江三段的河流階地分布，以及如圖8所示的青衣江階地拔河縱剖面曲線圖。下面筆者試圖通過野外測(cè)量獲得的5條河流階地橫剖面來驗(yàn)證分類和分級(jí)的結(jié)果。

從圖7可以明顯地看出，一、二級(jí)別的階地面較發(fā)育，而其他級(jí)別的階地由于受破壞程度較大，其殘余的階地面較??；在剛穿過峽谷或是河流發(fā)生拐彎的地方，階地面保存較大。

在青衣江的三江口有另外兩條支流匯入，造成河流流向由北西轉(zhuǎn)為北東向，在位于石仙山背斜西翼（新開店斷裂上）的山腳處（見圖4），三級(jí)和三級(jí)以上河流階地剖面發(fā)生了陡降（圖8）。筆者推測(cè)這可能是河流匯流后形成的，由于此處水量的增大造成三江口下游的原始河道比上游河道的河拔要低，在形成階地后會(huì)造成下游階地與上游階地之間形成拐點(diǎn)；另一個(gè)原因是北東向河流階地接近新開店斷裂且局部有隆升，造成這里的三級(jí)階地僅在局部發(fā)育。

青衣江河三級(jí)和三級(jí)以上河流階地在大川-雙石斷裂附近有翹起現(xiàn)象，疑似為大川-雙石斷裂逆沖推覆過程中由拖曳而形成，其進(jìn)入了階地不發(fā)育的深切峽谷地段（圖4、圖8）。這里的地層為堅(jiān)硬的白堊紀(jì)-古近紀(jì)礫巖層。

在蘆山盆地西緣近峽谷地區(qū)只存在高級(jí)階地，而低級(jí)階地不發(fā)育。當(dāng)河流達(dá)到銅頭村一帶（圖7B）時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)低級(jí)階地，蘆山盆地西部階地疑似有拱曲的現(xiàn)象（圖8）。拱曲量從低級(jí)階地到高級(jí)階地依次增加，分別為T3-15m、T4-22m、T5-30m、T6-36m。根據(jù)該地區(qū)的峽谷和階地變形特征，推測(cè)雙石-大川主斷裂下盤、蘆山盆地西緣存在一逆沖斷裂，該斷裂和雙石-大川斷裂之間的夾塊快速抬升，導(dǎo)致了深切峽谷的形成和階地的變形。根據(jù)唐熊等（2009）對(duì)洪雅陽(yáng)坪的階地測(cè)年結(jié)果以及戴宗明（2012）對(duì)青藏高原東部四姑娘山周邊階地的總結(jié)，筆者粗略地估計(jì)T3階地的年齡范圍在50—97ka左右；由于DEM分辨率和誤差的原因以及T1和T2階地的變形未知，所以筆者推測(cè)該地區(qū)至少在晚更新世以來有過活動(dòng)；而利用唐熊等（2009）的階地測(cè)年結(jié)果，反映出的變形速率為0.135—0.30mm/a，這與李勇等（2006）推測(cè)的大邑?cái)嗔训哪鏇_速率為0.13—0.24mm/a接近。蘆山地震震中的投影位于蘆山盆地內(nèi)部，這里是斷層的延伸與地表的交界處，同時(shí)也位于新開店斷裂和大邑?cái)嗔阎g（房立華等，2013；徐錫偉等，2013），而本文給出的階地變形在蘆山地震震中西南一點(diǎn)，盡管還不能很好地驗(yàn)證階地變形由蘆山發(fā)震構(gòu)造引起，但是卻表明在該地區(qū)確實(shí)發(fā)生了一些構(gòu)造變形，時(shí)間至少在晚更新世。

5 結(jié)語

綜上所述，筆者通過DEM技術(shù)自動(dòng)提取了河流階地面的信息，得到了以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

（1）形成河流階地的原因復(fù)雜，河流階地的形態(tài)特征隨著時(shí)間的流逝而被修改，尤其是后期的人工改造導(dǎo)致了對(duì)河流階地的準(zhǔn)確定量化提取十分困難，這也是地貌學(xué)研究中的綜合性方法與GIS定量方法互不兼容的一個(gè)表現(xiàn)。

（2）在提取河流階地時(shí)，對(duì)于坡度、曲率等參數(shù)的設(shè)定還是比較主觀的，需要人為對(duì)研究地區(qū)進(jìn)行一定的綜合研判，而全自動(dòng)化的河流階地提取還需要進(jìn)一步的研究。

（3）根據(jù)階地分布圖、階地拔河縱剖面以及野外結(jié)果驗(yàn)證，說明采用DEM提取階地的方法是可行的。雖然其提取的階地有一定的誤差，但是該方法能大大降低野外工作量，提前預(yù)知研究區(qū)域的各級(jí)別階地分布，使野外工作更具針對(duì)性。

致謝：感謝中科院地理所秦承志研究員在階地提取方法研究中給予的寶貴建議，感謝審稿專家提供的寶貴修改意見。

陳桂華，徐錫偉，聞學(xué)澤，王亞麗，鄭榮章，2006．?dāng)?shù)字航空攝影測(cè)量學(xué)方法在活動(dòng)構(gòu)造中的應(yīng)用．地球科學(xué)（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)），31（3）：405—410.

陳立春，冉勇康，王虎，李彥寶，馬興全，2013．蘆山地震與龍門山斷裂帶南段活動(dòng)性．科學(xué)通報(bào)，58（20）：1925—1932.

陳濤，張培震，劉靜，李傳友，任治坤，2014．機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)與海原斷裂帶的精細(xì)地貌定量化研究．科學(xué)通報(bào)，（14）：1293—1304.

崔之久，潘保田，1996．夷平面、古巖溶與青藏高原隆升．中國(guó)科學(xué)（D輯），26（4）：378—384.

戴宗明，2012．青藏高原東部四姑娘山地區(qū)新生代隆升［博士學(xué)位論文］．成都：成都理工大學(xué)．

董紹鵬，韓竹軍，尹金輝，李峰，安艷芬，2008．龍門山山前大邑?cái)嗔鸦顒?dòng)時(shí)代與最新構(gòu)造變形樣式初步研究．地震地質(zhì)，30（4）：996—1003.

房立華，吳建平，王未來，呂作勇，王長(zhǎng)在，楊婷，蔡妍，2013．四川蘆山S7.0級(jí)地震及其余震序列重定位．科學(xué)通報(bào)，（20）：004.

宮會(huì)玲，冉勇康，陳立春，2008．基于DEM的階地分析方法．地震地質(zhì)，31：339—348.

黃映聰，2006．西藏門巴地區(qū)層狀地貌特征及其形成機(jī)制．世界地質(zhì)，25（2）：154—159.

賈營(yíng)營(yíng)，付碧宏，王巖，時(shí)丕龍，劉鋒，2010．青藏高原東緣龍門山斷裂帶晚新生代構(gòu)造地貌生長(zhǎng)及水系響應(yīng)．第四紀(jì)研究，30（4）：825—836.

李傳友，徐錫偉，甘衛(wèi)軍，聞學(xué)澤，鄭文俊，魏占玉，許沖，譚錫斌，陳桂華，梁明劍，2013．四川省蘆山S7.0地震發(fā)震構(gòu)造分析．地震地質(zhì)，35（3）：671—683.

李康，徐錫偉，譚錫斌，2013．龍泉山背斜的地殼縮短與隆升——來自河流階地變形的證據(jù)．地震地質(zhì)，35（1）：22—36.

李濤，陳杰，肖偉鵬，黃明達(dá)，2011．利用變形河流階地限定帕米爾北緣木什背斜的縮短、隆升和側(cè)向擴(kuò)展．地震地質(zhì)，33（2）308—322.

李勇，曹叔尤，周榮軍，2005．晚新生代岷江下蝕速率及其對(duì)青藏高原東緣山脈隆升機(jī)制和形成時(shí)限的定量約束．地質(zhì)學(xué)報(bào)，79（1）：28—37.

李勇，周榮軍，Densmore A.L.等，2006．青藏高原東緣大陸動(dòng)力學(xué)過程與地質(zhì)響應(yīng)．北京：地質(zhì)出版社.

劉靜，陳濤，張培震，張會(huì)平，鄭文俊，任治坤，梁詩(shī)明，盛傳貞，甘衛(wèi)軍，2013．機(jī)載激光雷達(dá)掃描揭示海原斷裂帶微地貌的精細(xì)結(jié)構(gòu)．科學(xué)通報(bào)，58（1）：41—45.

潘保田，李吉均，2000．青藏高原地面抬升證據(jù)討論．蘭州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，36（4）：100—111.

唐熊，陶曉風(fēng)，2009．雅安地區(qū)青衣江流域第四紀(jì)階地特征分析．沉積學(xué)報(bào)，27（1）：137—141.

田勤儉，郝凱，王林，馬保起，張世民，2009．汶川8.0級(jí)地震發(fā)震斷層逆沖活動(dòng)的地震地貌與古地震初步研究．第四紀(jì)研究，29（3）：464—471.

徐錫偉，韓竹軍，李傳友，2013．四川蘆山7.0級(jí)強(qiáng)震：一次典型的盲逆斷層型地震．科學(xué)通報(bào)，58（15）：1887—1893.

楊景春，譚利華，李有利，段烽軍，1998．祁連山北麓河流階地與新構(gòu)造演化．第四紀(jì)研究，3：229—237.

楊曉平，蔣溥，宋方敏，梁小華，陳獻(xiàn)程，鄧忠文，1999．龍門山斷裂帶南段錯(cuò)斷晚更新世以來地層的證據(jù)．地震地質(zhì)，21（4）：341—345.

張軍龍，任金衛(wèi)，徐岳仁，陳長(zhǎng)云，2013．網(wǎng)格 DEM 剖面方法獲取岷江上游層狀地貌參數(shù)．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，38（11）：1378—1382.

張世民，丁銳，毛昌偉，呂志強(qiáng)，2010．青藏高原東緣龍門山山系構(gòu)造隆起的地貌表現(xiàn)．第四紀(jì)研究，30（4）：791—802.

張?jiān)罉?，李海龍?010．龍門山斷裂帶西南段晚第四紀(jì)活動(dòng)性調(diào)查與分析．第四紀(jì)研究，30（4）：699—710.

Burchfiel B., Zhiliang C., Yupinc L., Royden L., 1995. Tectonics of the Longmen Shan and adjacent regions, central China. International Geology Review, 37(8): 661—735.

Chen Lichun, Ran Yongkang, Wang Hu et al., 2013．The LushanS7.0 earthquake and activity of the southern segment of the Longmenshan fault zone．Chinese Science Bulletion, 58 (28-29): 3475—3482．

Chen Lichun, Wgng Hu, Ran Yongkang et al., 2014. The 2013 LushanS7.0 earthquake varied seismogenic structure from the 2008 Wenchuan Earthquake. Seismological Research Letters，85: 34—39．

Demoulin A., Bovy B., Rixhon G., Cornet Y., 2007. An automated method to extract fluvial terraces from digital elevation models: The Vesdre valley, a case study in eastern Belgium. Geomorphology, 91(1): 51—64.

Dr?gu? L., Blaschke T., 2006. Automated classification of landform elements using object-based image analysis. Geomorphology,81(3-4): 330—344.

Hubert F.A., Suppe J., Gonzalez M.R., Wang X., 2007. Mechanisms of active folding of the landscape(southern Tian Shan, China). Journal of Geophysical Research: Solid Earth(1978–2012), 112(B3): 1—29.

Mulder V., De Bruin S., Schaepman M., Mayr T., 2011. The use of remote sensing in soil and terrain mapping—a review. Geoderma, 162(1): 1—19.

Qin C.Z., Zhu A.X., Shi X., Li B.L., Pei T., Zhou C.H., 2009. Quantification of spatial gradation of slope positions. Geomorphology, 110(3-4): 152—161.

Schaüble, H. Erosionsmodellierungen mit GIS, 2000. Probleme und L?sungen zur exakten Prognose von Erosion und Akkumulation. Ergebnisse der Jahrestagung des Arbeitskreises GIS, 25(26): 51—62.

Scharer K., Burbank D., Chen J., Weldon R., 2006. Kinematic models of fluvial terraces over active detachment folds: Constraints on the growth mechanism of the Kashi-Atushi fold system, Chinese Tian Shan. Geological Society of America Bulletin, 118(7-8): 1006—1021.

An Automated Method to Extract Fluvial Terraces of Qingyi River on the Southern Longmenshan

Liang Peng, Tian Qinjian, Su Peng, Wang Lin, Li Wenqiao and Hu Chaozhong

(Institute of earthquake Science, CEA, Beijing 100036, China)

River terrace is a kind of timeliness and continuous landforms and when crossing a fault they can be used effectively to identify the regional tectonic activity. Qingyi river is a regional river across the southern Longmenshan, because of the influence of fault activity and erosion, there retain a few of terraces. In order to identify fluvial terrace quickly and reduce the workload in the field, we utilized ArcGIS and MATLAB platform to extract terrace based on 2m DEM derived from aerial remote sensing technology and 1:50,000 digital elevation model, and then we carried out clustering analysis, field measuring simulation, Finally we obtained more local residual terraces through the computer quickly, and generated a more complete longitudinal profile of river terraces. Our field measurements confirmed high similarity and consistency with computer automatic extraction. In the complete terrace profile, we found a suspected arch phenomenon in Lushan basin and tilt of terrace around Dachuan-Shuangshi fault. We speculate thrust-nappe generate the tilt around Dachuan-shuangshi fault and an undiscovered fault on the east of Dachuan-shuangshi fault lead to the arch phenomenon in Lushan basin. Combining ages of terraces near this region, we infer this region has experienced tectonic activity since late Pleistocene.

Fluvial terraces; Computer extraction; Qingyi river; GIS; DEM

中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)“蘆山地震發(fā)震構(gòu)造及區(qū)域地震危險(xiǎn)性研究”（2013IES010101）、中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)“龍門山斷裂帶南段斷裂活動(dòng)、古地震與地震構(gòu)造研究”（2014IES010104）和科技部國(guó)際合作計(jì)劃項(xiàng)目“板內(nèi)強(qiáng)震發(fā)生模型與天地一體化監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)技術(shù)”（2012DFR20440）、“高分遙感地震監(jiān)測(cè)與應(yīng)急應(yīng)用示范系統(tǒng)”（31-Y30B09-9001-13/15）共同資助

2014-09-11

梁朋，男，生于1988年。2012年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)地理信息系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)所研究生。主要從事構(gòu)造地貌研究。E-mail：lipe834357@sina.com