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标题 无人机航测技术在2014年鲁甸MS6.5地震震区活动构造调查中的应用
范文 于江 张彦琪 李西 邓梅 常玉巧 和仕芳



摘要：鲁甸震区地处滇东北高山峡谷地区，地形地貌复杂，第四系极不发育，常规的活动地貌调查条件较差。近年来快速发展的无人机航测技术在地貌数据采集方面展现出了突出优势，通过将无人机航测技术应用于鲁甸震区一带活动构造研究中，结合野外地质调查和探槽选点工作，探讨了无人机航测技术在震区活动构造研究中的工作流程，基于无人机航测数据采集及解译，得到包谷垴—小河断裂光明村小垭口段2组密集分布的优势地表破裂；沿昭通—鲁甸断裂发现水系、山脊同步右旋位错约70m；在新棚子村发现断层槽谷并布设探槽，成功揭露断层，以上应用显示了无人机航测技术在多山地区活动构造研究中的较好适用性。
关键词：无人机航测；鲁甸地震；昭通—鲁甸断裂；活动构造
中图分类号：P315.2 文献标识码：A 文章编号：1000-0666（2018）02-0166-07
0 引言
2014年8月3日，云南省鲁甸县发生M，6.5地震，震区地震烈度等震线长轴方向呈NW向展布，极震区烈度达到Ⅸ度，余震分布为NW和NE两个方向，其发震构造和孕震环境受到了诸多学者的广泛关注和讨沦。徐锡伟等（2014）结合地震应急考察、震源机制解、震源破裂过程、余震分布空间等信息研究认为NW向包谷垴—小河断裂为鲁甸MS6.5地震的发震构造；李西等（2014）在震后对震区地震地表裂缝、位错分布特征、震害特点及其与构造的关系展开了讨论，并开挖了探槽；常祖峰等（2014）从第四纪地质地貌人手阐述了昭通一鲁甸断裂带的晚第四纪活动特征和最新活动地质地貌证据。目前对震区主要断裂的活动性和活动程度研究仍然缺乏统一的认识，2017年2月8日，震区发生MS4.9地震（常玉巧等，2017），可见震区地震危险性不容忽视，需要进一步加强对NW向包谷垴—小河断裂及NE向昭通—鲁甸断裂的野外地质调查，这将有助于对震区断裂活动性和孕震构造背景的研究，为评判该区域地震危险性提供参考。
鲁甸震区地处滇东北高山峡谷地区，第四系极不发育，很难找到断层断错或上覆第四系等晚第四纪活动剖面直接证据，人工改造强烈、植被发育、通视条件差，常规的活動地貌调查条件较差。在利用传统卫星遥感影像研究微构造地貌时存在影像分辨率低、时效性差的局限性，随着无人机在民用领域的普及，其灵活度高、操作简单的特点，使得利用无人机获取遥感影像成为可能（段福洲，赵文吉，2010）。目前，无人机航测技术已经应用到构造地貌解译、第四纪地质填图等多个活动构造研究领域（Johnson et al，2014；叶梦旎等，2016）。该方法在我国多应用于地形广阔、植被稀少的西北等地区，在云南多山、植被发育地区则应用较少。本文将无人机航测技术应用于鲁甸震区一带活动构造调查研究，一方面探讨无人机航测技术在多山地区活动构造调查中的工作流程，另一方面开展典型构造地貌点的无人机航测数据采集及其影像解译，并通过野外实地调查研究对实测结果进行对比分析。
1 震区构造背景
震区位于青藏高原东南缘川滇菱形块体与华南块体之间的大凉山次级活动块体的南缘昭通—莲峰断裂带内，南北地震带南段（图1b）。大凉山次级活动块体是巴颜喀拉块体和川滇菱形块体向东和南东挤出时受稳定的华南块体阻挡所形成的，构造活动和地震活动较强烈（闻学泽等，2013；程佳等，2014）。该块体西边界为SN-NNW向安宁河—则木河断裂带，以左旋走滑为主，滑动速率为4～7mm/a（闻学泽，2000；周荣军等，2001；何宏林，池田安隆，2007；冉勇康等，2008）：其东边界为SN-NNW向马边断裂带，以左旋走滑一挤压逆冲为主，左旋走滑速率在3mm/a左右（张世民等，2005；徐锡伟等，2014）：其南部边界为昭通—莲峰断裂带，主要由莲峰断裂带和昭通—鲁甸断裂带2条NE向右旋走滑断裂带所组成，平行展布于四川大凉山南部至云南昭通鲁甸地区，以挤压逆冲性质为主，属于川滇块体和华南地块边界带的一部分（闻学泽等，2013）。
区内主要发育北东向及北西向断裂，其中多期活动的北东向断裂是本区的主干构造，其余方向的断裂一般为北东向构造的次级构造。NE向昭通—鲁甸断裂带由龙树断裂、洒渔河断裂和昭通—鲁甸断裂3条右阶雁列展布的次级断裂组成，总体走向NE40°～50°，沿断裂发育昭通、鲁甸等新生代盆地（常祖峰等，2014；李西等，2014），NW向发育包谷垴—小河断裂，由数条断续展布的短小断层组成，总体走向330°，全长约40km（常祖峰等，2014；张彦琪等，2016；李西等，2018），如图1a所示。震区范围内主要以5～6级地震为活动背景，曾发生2003年云南鲁甸5.0级和5.1级地震、2以科年云南鲁甸5.6级地震、2006年云南盐津2次5.1级地震、2012年云南彝良5.7级和5.6级地震、2014年云南鲁甸6.5级地震以及2017年云南鲁甸4.9级地震（闻学泽等，2013；李西等，2014）。
2 基于无人机航测技术的活动构造研究工作流程
2.1 无人机航测技术
无人机航测技术是指通过无人机与遥感技术相结合，搭载各类传感器，利用先进的无人驾驶飞行技术、遥控技术及数字摄影测量等技术，从而方便快捷的获取地面实时影像和各类遥感数据的测绘技术（李德仁，李明，2014）。无人机航测系统主要由无人机飞行平台、成像传感器系统和数据后处理系统3部分组成（洪宇等，2008；邹长慧等，2011）。
根据飞行平台的不同，将无人机主要分为固定翼无人机、多旋翼无人机、无人直升机3大类平台，各类无人机飞行平台根据自身的特点，应用领域如表1。成像传感器是获取遥感影像的重要组成部分，在航测作业中，需要根据无人机平台的载荷条件、研究对象，选择合适的传感器。目前在摄影测量中常用的传感器主要有：可见光相机、多光谱成像仪、高光谱相机、热红外扫描仪、激光雷达等。其中数码相机作为拍摄可见光波段的成像传感器，具有成本低，影像分辨率高的特点，因而被广泛使用。
2.2 工作流程设定
在设定无人机航测系统工作流程时，首先需要根据3类无人机平台的特点和航测区域的地形地貌特征选择符合野外地质地貌调查工作实际的无人机航测系统。昭通一鲁甸地区位于云南省东北部，该区域地形复杂、交通不便，而旋翼无人机具有便于携带、原地起降、定点悬停的特点，在多山地区微地貌调查工作中显示出了较好地适用性。结合无人机航测系统的组成、野外构造地貌研究的需要，将无人机航测系统在构造地貌研究中的应用分为前期准备、遥感数据采集、数据处理、影像数据解译4个部分，如图2所示。
3 无人机航测技术在鲁甸震区活动构造调查中的应用
3.1 数据采集
本文采用大疆Inspire 1四旋翼无人机搭载1200万像素数码相机对鲁甸震区在卫星遥感影像解译过程中发现的多个地貌点进行了航测数据采集。根据航测区域的实际情况，拍摄航高设定在80～120m，航向重叠率为70%～80%，旁向重叠率不低于65%，每个测区均匀布设4个地面控制点（GCP），共获取了鲁甸震区8个地貌点的低空数字影像，近2131张有效航空照片。后期基于PhotoScan软件对影像数据进行影像对齐、优化图片对齐方式、建立密集点云、构建地形网格、导入野外测量的像控点，生成了航拍点数字表面模型（DSM）、数字正射影像（DOM）。DSM数据中所选地面控制点的平均高程误差为0.15m，数据分辨率可达0.1m/pix，真实地反映了航测区的地形地貌，满足活动构造影像解译及构造地貌实测的需求，航拍点航测数据如表2所示。
3.2 光明村地震地表破裂调查
李西等（2014）在鲁甸MS6.5地震后对NW向包谷垴—小河断裂展开了详细的野外调查，发现了沿谢家营盘—光明村—王家坡一线NW向、长约8km断续延展的地表破裂带，并在光明村小垭口开挖了探槽。本文对NW向地表破裂带中地表遗迹最为清晰的光明村小垭口段进行了低空无人机航测数据采集。
如图3a、b所示，小垭口段在无人机正射影像及三维模型上表现为NW向平直的断层槽谷地貌。在槽谷SE端，NW向与NE向破裂交汇部位，地表最为破碎，清晰地反映了槽谷内NW向与NE向2组地表破裂的空间展布（图3d）。其中NW向地表破裂形态平直且延伸较远，影像范围内长约650m，沿槽谷北东侧发育，产状50°∠59°（图3c、f），与山脊走向平行，在尾端出现分叉现象。NE向地表破裂则密集发育在槽谷SE端王家坡滑坡后缘附近，总体走向约40°，沿走向贯通性差，主要显张性，根据影像测量裂缝宽度可达0.6m，认为NE向地表破裂可能主要是由王家坡滑坡重力因素诱发的次生地表破裂（图3d）。据现场调查NW向地表破裂展布，发现地震鼓包及石块的扭动方向显示出破裂带具有明显的左行右阶走滑特征（图3e）。
3.3 新棚子村活动地貌与探槽选点
新棚子村无人机正射影像解译表现为2条平行的NE向线性断层槽谷地貌（图4a），槽谷形态清晰平直，位于昭通—鲁甸断裂南段。线性槽谷沿走向向东延伸较远，向西延伸在地貌上表现不清楚，根据无人机影像解译初步认为断裂向NW沿娅口通过。其中SE侧断层槽谷规模较大，据无人机影像测量槽谷最窄处宽度约26m，NW侧断层槽谷规模较小，宽度仅约10m（图4b）。区内NE地势整体较低，水系沿2条槽谷向NE汇聚，与2侧地势高差较大，槽谷内易于新的松散物源沉积，可以有效地记录和保存地质构造事件。同时，槽谷2侧植被比较发育，有利于碳样的采集。NW侧槽谷规模较小，易于控制断层，且靠近公路，便于挖机施工，在地貌上符合探槽开挖的基本要求。
根据现场调查发现沿NW侧槽谷走向，2侧岩性不同，NW侧为二叠系灰岩，SE侧为泥盆系粉砂质泥岩，为断层接触关系。其SE侧粉砂质泥岩可以为槽谷提供丰富、细粒的沉积物源（图4c），能有效保存构造事件。沿断裂走向调查，在槽谷SW段公路旁见基岩断层（图4d），断层产状为146°∠68°，断裂带内发育密集劈理、构造透镜体，见近水平断面擦痕。在NE段新棚子村待建住房开挖的剖面处见另一断层剖面，显示北东向断层切割红土，产状160°∠81°，断层滑动面见近水平擦痕（图4e）。综合以上影像解译及野外调查结果，认为NW侧规模较小的槽谷具备较好的地质地貌条件，符合探槽开挖的基本条件。经过多次踏勘对比，在NW侧槽谷中段开挖探槽，并成功揭露斷层。
3.4 白岩村断错地貌与实测
白岩村位于鲁甸盆地西南，属于昭通一鲁甸断裂南段。无人机正射影像解译表现为NE向线性断层槽谷地貌（图5a，b），槽谷线性形态清晰平直，经无人机影像测量槽谷最窄处宽度约35m，沿槽谷向两端追索，线性延伸较远。解译初步认为断裂沿槽谷东南侧发育，沿断裂走向发现冲沟、山脊出现同步右旋位错（图5a），其位错方向与槽谷走向一致，对正射影像进行测量，冲沟位错量为70m，山脊位错量为74m，2者位错量具有较好的同步性。
在野外调查验证中发现槽谷2侧岩性不同，线性槽谷NW侧为二叠系灰岩，SE侧为奥陶系砂岩。沿槽谷走向追索，在槽谷东南侧公路边发现断层剖面（图5c），断层错断了中—晚更新世坡洪积层，显逆冲性质，断裂通过位置与无人机影像解译结果一致。
4 结论
通过无人机航测技术在鲁甸MS6.5地震震区活动构造调查中的应用，初步认为利用无人机航测技术可以快速获取地表变形和构造地貌影像，其航测数据精度及分辨率满足多山地区活动构造研究需要；光明村小垭口地表破裂精细结构调查、白岩村断错地貌实测、新棚子活动地貌探槽选点等应用结果展现出较好的适用性，可以有效提取地表破裂长度、裂缝宽度、水平位错量、垂直位错量、坡度等活动构造参数，为定量化研究活动断裂提供有力的数据支撑。
本文是在谢英情高级工程师的提议下完成的，感谢审稿专家对本文提出的宝贵修改意见。
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更新时间：2024/12/22 17:10:48