任瑞國，閆小兵，扈桂讓

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030025)

1 引 言

近年來，無人機(jī)的性能得到了極大的提升，并且成本卻越來越低，從原來的軍事領(lǐng)域進(jìn)入到民用領(lǐng)域，在航拍、農(nóng)業(yè)、植保、微型自拍、快遞運(yùn)輸、災(zāi)難救援、觀察野生動(dòng)物、監(jiān)控傳染病、測繪、新聞報(bào)道、電力巡檢、救災(zāi)、影視拍攝等方面的應(yīng)用越來越廣泛。無人機(jī)航測技術(shù)是指通過無人機(jī)與遙感技術(shù)相結(jié)合，搭載各類傳感器，利用先進(jìn)的無人駕駛飛行技術(shù)、遙控技術(shù)及數(shù)字?jǐn)z影測量等技術(shù)，從而便捷地獲取地面影像和遙感數(shù)據(jù)的測繪技術(shù)[1]，在野外地形復(fù)雜地區(qū)的高分辨率影像快速獲取方面有著明顯優(yōu)勢[2]。無人機(jī)航測影像數(shù)據(jù)具有視野廣闊、數(shù)據(jù)豐富、地貌形態(tài)逼真、使用便捷等特點(diǎn)，可以通過目視解譯方法直觀地獲取調(diào)查區(qū)地貌特征信息。結(jié)合無人機(jī)航測系統(tǒng)的組成和地貌調(diào)查的需要，無人機(jī)航測技術(shù)在地貌特征解譯中的應(yīng)用工作流程分為航測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、影像數(shù)據(jù)解譯和野外地質(zhì)調(diào)查核實(shí)4 個(gè)部分。

無人機(jī)獲取影像具有速度快、分辨率高、視野廣等特點(diǎn)，前人已將無人機(jī)技術(shù)應(yīng)用于活動(dòng)構(gòu)造信息提取、斷層地形研究。在活動(dòng)構(gòu)造研究中，第四紀(jì)地貌特征解譯對于判定斷層性質(zhì)、活動(dòng)速率、發(fā)震機(jī)理等起著至關(guān)重要的作用[3-5]。從早期的全站儀、航片、衛(wèi)片到近年來快速發(fā)展的機(jī)載LIDAR、無人機(jī)航測等技術(shù)，為地貌特征解譯提供了精度更高的數(shù)據(jù)[6,7]。

金山凸起東緣斷裂位于鄂爾多斯斷塊隆起區(qū)東部汾渭斷陷帶中北部的忻定斷陷盆地，斷裂總長約7 km，整體上呈NE向展布，走向40°，北起忻口村一帶，向SW經(jīng)金山鋪村西、前淤泥村西延伸至部落村以北。斷裂展布于基巖山前與盆地洪積扇后緣之間，是分布于金山凸起東緣山前的一條正傾滑斷層?；鶐r與上更新統(tǒng)呈正斷接觸，該斷裂最新活動(dòng)時(shí)代為晚更新世。本文以金山凸起東緣斷裂為研究對象，利用無人機(jī)對調(diào)查區(qū)進(jìn)行航空攝影，通過影像生成高精度的數(shù)字高程模型(DEM)和正射影像圖(DOM)，提取斷裂在復(fù)雜地貌面上的構(gòu)造信息[8]，為斷裂的科學(xué)研究以及防災(zāi)減災(zāi)救災(zāi)的實(shí)際應(yīng)用提供更為可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 航測數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理

2.1 航測數(shù)據(jù)采集

金山凸起東緣斷裂位于忻州市忻府區(qū)西北角，該區(qū)域地形復(fù)雜，此次調(diào)查采用大疆Phantom 4 Pro四旋翼無人機(jī)搭載2 000萬像素?cái)z像頭，對金山凸起東緣斷裂進(jìn)行了航測數(shù)據(jù)采集。根據(jù)金山凸起東緣斷裂的具體情況，共布置了5個(gè)地面控制點(diǎn)，拍攝航高設(shè)定在350 m，航向重疊率為50 %～70 %，旁向重疊率不低于30 %，共獲取金山凸起東緣斷裂4 700 張有效航空照片(第五個(gè)控制點(diǎn)包含的區(qū)域位于五臺(tái)山機(jī)場的限飛區(qū)，根據(jù)法律規(guī)定最大限飛高度為120 m)，航測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 金山凸起東緣斷裂無人機(jī)航測數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)據(jù)處理

基于PhotoScan 軟件對五個(gè)控制點(diǎn)的影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了對齊照片、生成密集點(diǎn)云、生成網(wǎng)格、生成紋理處理，生成了數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像(DOM)，具體成果見圖1～圖5(注：DEM圖中用顏色區(qū)分高程)。

圖1 第一控制點(diǎn)部落村DEM和DOM影像

圖2 第二控制點(diǎn)后秦村DEM和DOM影像

圖3 第三控制點(diǎn)胡家腦村DEM和DOM影像

圖4 第四控制點(diǎn)后淤泥村DEM和DOM影像

圖5 第五控制點(diǎn)金山鋪村DEM和DOM影像

3 影像數(shù)據(jù)解譯和野外地質(zhì)調(diào)查核實(shí)

數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字正射影像(DOM)數(shù)據(jù)不僅能夠直觀地判讀出各種地形地貌單元和構(gòu)造特征，還可以獲得局部區(qū)域上的變形特征和變形量[9-12]，根據(jù)影像解譯結(jié)果結(jié)合野外地質(zhì)地貌調(diào)查，分析了調(diào)查區(qū)的影像紋理結(jié)構(gòu)、地形坡度、洪積扇規(guī)模及其相互之間的切蓋關(guān)系[13]，解譯出調(diào)查區(qū)內(nèi)主要分布有4種地貌類型，分別為基巖中低山地貌、山前洪積地貌、黃土臺(tái)地地貌及河流階地地貌，調(diào)查區(qū)總體DEM影像圖見圖6(注：圖中用顏色區(qū)分高程)。

圖6 調(diào)查區(qū)總體DEM影像

3.1 基巖中低山地貌

新生代以來構(gòu)成金山凸起的基巖山體持續(xù)抬升，形成了忻定盆地中部的一條近北東向的基巖山地。調(diào)查區(qū)內(nèi)基巖山地位于斷裂的西側(cè)分布，高出斷裂東側(cè)盆地200～500 m?；鶐r中低山整體呈條帶狀以NE方向延伸，在前淤泥村金山最高峰以南山體整體向西后撤，在調(diào)查區(qū)最南端又轉(zhuǎn)折向南東盆地中延伸并逐漸被第四系覆蓋消失于地表之下，頓村以南可見該套地層呈孤山狀零星出露。調(diào)查區(qū)中部的前淤泥村西是金山最高峰，海拔約1 280 m，此處與山前沖洪積平原高差最大，約為500 m；調(diào)查區(qū)北部基巖山地與山前沖洪積平原高差逐漸變?yōu)?90～230 m左右；調(diào)查區(qū)南部基巖山地與山前沖洪積平原高差逐漸變?yōu)?80～290 m。金山最高峰以南，山體后撤，山前覆蓋厚厚的風(fēng)積黃土層，形成山前黃土臺(tái)地?；鶐r中低山海拔高于黃土臺(tái)地130～260 m不等?；鶐r中低山高低起伏，侵蝕破壞嚴(yán)重，局部覆蓋風(fēng)積黃土層。該地貌圖切剖面圖見圖7。

圖7 金山凸起東緣斷裂圖切地貌剖面

3.2 山前洪積地貌

山前洪積地貌在前淤泥村以北地帶基巖山前發(fā)育較為廣泛。金山鋪以西山前洪積物疊置于山前，洪積地貌面呈斜坡狀，總體坡度3°～5°，縱向?qū)?.3 km，已被改造為梯田，該洪積物疊置于盆地中的洪積物之上，剖面可見洪積砂礫石層，表層分布晚更新世亞砂土，為晚更新世形成的洪積地貌。金山凸起東緣斷裂從洪積扇前緣通過。后淤泥村西北一帶亦發(fā)育有類似洪積地貌。該地貌實(shí)景圖片見圖8～圖10。

圖8 金山鋪西山前洪積地貌

圖9 金山鋪西洪積地貌照片實(shí)景(鏡向NE)

圖10 后淤泥村西山前洪積地貌照片實(shí)景(鏡向S)

3.3 黃土臺(tái)地地貌

自部落村以南，基巖中低山后撤，至頓村一帶，黃土臺(tái)地堆積于山前，臺(tái)地前緣整體呈凹弧形，前緣與盆地沖洪積平原呈凹弧形接觸。臺(tái)地面上陡下緩，整體坡度2°～3°，臺(tái)地后緣與臺(tái)地前緣海拔高差約為40～80 m不等。局部可見基巖出露，黃土臺(tái)地上多處可見侵蝕形成的沖溝，溝壁陡直，溝深最深達(dá)50 m，溝底可見中下更新統(tǒng)黃土出露。黃土臺(tái)地面多由上更新統(tǒng)黃土組成。該地貌圖切剖面圖和實(shí)景圖見圖11和圖12。

圖11 后秦村西黃土臺(tái)地地貌圖切地形剖面

圖12 調(diào)查區(qū)南部黃土臺(tái)地地貌

3.4 河流階地地貌

調(diào)查區(qū)大規(guī)模河流主要為北部滹沱河和南部的云中河。北部滹沱河主要發(fā)育I級(jí)階地，階地面平整開闊，拔出河面3～5 m[14]，多已被改造為農(nóng)田；調(diào)查區(qū)南部云中河亦偶見I級(jí)階地發(fā)育，但是多已被城市建設(shè)改造破壞。除此之外，調(diào)查區(qū)山前規(guī)模性的河流很少，北部基巖山前洪積扇中發(fā)育小型沖溝，規(guī)模較小，未發(fā)現(xiàn)有河流階地發(fā)育；調(diào)查區(qū)南部黃土臺(tái)地中發(fā)育的河流沖溝規(guī)模不一，多數(shù)溝壁陡直，亦可見溝壁坍塌堆積，偶見I級(jí)階地發(fā)育。前秦村以西的一條近東西向沖溝內(nèi)可見I級(jí)階地發(fā)育。該沖溝溝壁陡直，溝深最深約達(dá)32 m，I級(jí)階地零星分布于沖溝一側(cè)，為堆積型階地，主要成分為沖積卵石層、亞砂土層等，卵石呈次圓狀?？傮w上I級(jí)階地拔出河面2～3 m，應(yīng)為全新世以來的河流堆積地貌。該沖溝內(nèi)河流有進(jìn)一步下切趨勢，局部已下切現(xiàn)代河床深度約0.6～1 m。該地貌河流階地解譯及實(shí)景見圖13，位置及位相見圖14。

圖13 前秦村西河流階地解譯及階地照片實(shí)景

圖14 前秦村西河流階地位置及位相

4 結(jié) 論

金山凸起東緣斷裂新生代以來的持續(xù)活動(dòng)，造成了該地帶地貌的形成與演化，山體與盆地形成了明顯的地貌反差，通過解譯發(fā)現(xiàn)調(diào)查區(qū)內(nèi)主要分布有基巖中低山地貌、山前洪積地貌、黃土臺(tái)地地貌及河流階地地貌。

無人機(jī)航測數(shù)據(jù)可以直觀地展現(xiàn)地貌全貌，克服了人們視野上的局限性，與傳統(tǒng)野外地質(zhì)調(diào)查相比可以達(dá)到事半功倍的效果，在地質(zhì)地貌領(lǐng)域具有巨大的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。