高分一号影像在断裂构造解译中的应用

于书媛，陈 靓，方良好，赵 朋，张 洁

（1.安徽省地理信息中心，合肥230031；2.安徽省地震预报中心，合肥230031；3.安徽省地震工程研究院，合肥230031）

高分一号影像在断裂构造解译中的应用

于书媛1，陈 靓1，方良好2，赵 朋3，张 洁1

（1.安徽省地理信息中心，合肥230031；2.安徽省地震预报中心，合肥230031；3.安徽省地震工程研究院，合肥230031）

于书媛，陈 靓，方良好，等.高分一号影像在断裂构造解译中的应用[J].华南地震，2016，36（1）：97-107.[YU Shuyuan，CHEN Liang，FANG Lianghao，etal.Application of GF-1 Image in Fault Structre Intepretation[J].South china journal of seismology，2016，36（1）：97-107.]

遥感技术在断裂构造研究中具有宏观性、直观性、时效性等特点。运用高分一号影像进行融合、DEM数据建立定向光照模型，并结合前人研究成果，对展布于大别山腹地西北的梅山-龙河口断裂进行分析与研究。结果表明：该断裂西北段的铁冲乡-梅山水库-响洪甸水库沿线在遥感影像上显示极好的线性特征，结合DEM生成的山体阴影图分析，可清晰识别断层沟谷、垭口、三角面。最后，通过野外调查验证，发现梅山-龙河口断裂倾角较大或近直立，由断面特征及破碎带胶结程度来看，该断裂具有一定程度的新活动。

高分一号；影像融合；DEM；断裂解译

0 引言

梅山-龙河口断裂位于大别山东北部的霍山地区，断裂西起梅山，沿响洪甸、下符桥、复南山南侧一线，东南延至龙河口止，全长约130 km，走向280°～290°，倾向SW，在下符桥南侧与NNE向的落儿岭-土地岭断裂相交，是“霍山震情窗”内包含的一条主要断裂[1]。据史料记载，1652年梅山-龙河口断裂与落儿岭-土地岭断裂交汇地带发生过6级地震。但是到目前为止，前人对梅山-龙河口断裂的研究程度较低，仅限于对断裂沿线中南段的重力、地质、震害特征的研究[2]，而对该断裂空间展布、现代地震空间分布特征、出露断裂剖面等均未开展专题研究，缺乏对该断裂第四纪以来构造活动的总体认识。本文在系统分析断裂构造的遥感影像机理、遥感影像判读标志以及总结前人研究成果基础上，运用GF-1、DEM数据源资料，进行影像解译和判读工作，然后开展野外实地调查，辅之以现代地震空间分布特征，对梅山-龙河口断裂沿线的地貌特征、出露断裂剖面，特别是断层物质以及上覆盖层进行了详细描绘分析，本研究成果丰富了该断裂的相关资料，为该地区的地震中长期预测提供了基础资料。

1 研究区及现代地震分布特征

断裂带是一种线性构造，在遥感影像中突出显示的地面线状体与非线状体的区别十分明显[3]。断裂构造的解译还需要在光谱特征分析的基础上，结合空间特征进行综合分析，以排除非构造因素形成的线性体异常，如山脊、道路和水系等。近年来，利用遥感技术对断裂构造进行研究已成为遥感地质研究的一个重要方面[4]。

1.1 地质构造背景

梅山-龙河口断裂展布区域位于大别山北部的霍山地区，著名的秦岭-大别造山带的东段。构造位置为秦岭-大别断褶带。大别断褶带是一个复杂的构造带，基底由大别群、佛子岭群、梅山群组成。研究区域地壳演变大致经历了大别运动、扬子运动、燕山运动和喜山运动。燕山运动是继大别运动、扬子运动后的一次极强烈的地壳运动，主要表现为断裂-褶皱运动。形成了黑石渡、城关、下符桥、与儿街、石河及磨子潭-东西溪等较开阔的山前盆地，并有晚侏罗系、白垩系火山岩和陆相碎屑岩建造形成。

1.2 研究区和数据

本文选取155.5°～166.8°E、31.17°～31.68°N范围内的GF-1、DEM数据，对其进行预处理。数据预处理包括地形纠正、大气校正、影像配准、镶嵌与裁剪等。依据断裂构造在遥感影像中的波谱相应特征和宏观地质特征，借助线性构造解译结果，采取人机交互判读方式，分析研究区的断裂构造。

断裂构造的遥感影像标志主要通过色调、地貌、水系、植被等，前人将其归纳为三类，包括：线性标志、垂直错动标志和水平错动标志[5-7]。本论文仅重点对梅山-龙河口断裂铁冲-响洪甸水库（F1-1）、复南山段（F1-2）（图1虚线框所示）的断裂构造遥感影像特征进行论述。

1.3 现代地震空间分布特征

现代地震是反映地质构造活动的重要表现。作者利用GIS技术的空间分析功能[9]，将梅山-龙河口断裂与周边的历史地震震中进行空间位置的叠加分析，发现断裂沿线地震活动比较频繁，区域内地震主要集中于落儿岭-土地岭断裂与青山-晓天断裂、梅山-龙河口断裂交汇处。本文对1970年后有地震仪器记录的M≥1.5和M≥4.0地震的空间分布进行统计分析[9]，通过计算断裂单位长度对应的地震发生数，即单位长度地震频率，分析活动断裂带的地震活动性（图2）。

活动断裂的缓冲区半径是进行叠加分析的重要前提。本文给定宽度为10 km、15 km、20 km、25 km的距离建立缓冲区，统计落入活动断裂缓冲区内的地震个数及占全省地震总数的百分比，得到表1所示的结果。从表1分析，97％以上的现代地震均发生在距断裂25 km范围内，表明25km缓冲区内的地震要素可以反映活动断裂的活动程度。在1970年以后记录的地震中M≥1.5级以上地震和M≥4.0级以上地震97％以上落在25 km的活动断裂缓冲区内。而自公元281年以来的1700多年来，93.9％的历史M≥4.0级强震落入25 km内的缓冲区内。以上分析数据表明，安徽省现代M≥4.0级地震发生与活动断裂关系密切，可见断裂处于较高的活跃阶段。综合以上数据分析，最终确定25 km作为缓冲区宽度效果最佳。

图1 梅山-龙河口断裂及区域地质构造图[8]Fig.1 Tectonic map of Meishan-longhkekou fault and its vicinity[8]

表1 缓冲区内地震数占地震总数百分比Table 1 The percentage of earthquakes in buffer accounting for the total number of earthquake

图2 研究区1970年以来级地震分布图Fig.2 Distribution map of earthquakes with in the study area since 1970

以断裂两侧25 km为半径建立缓冲区，统计区内的地震个数，其中n1为1970年以来的M≥ 1.5地震个数，n2为历史记录以来M≥43/4地震个数。以参数N1= n1/L，N2= n2/L表示单位断裂长度下对应的地震个数，计算结果见表2。表2反映，土地岭-落儿岭断裂两项参数均为最高，说明其活动性最强；梅山-龙河口断裂N1计算结果稍大于青山-晓天断裂，其N2参数计算结果稍小于青山-晓天断裂，表明两条断裂活动相当。鉴于青山-晓天断裂与土地岭-落儿岭交汇处曾发生两次M 61/4、M1/2地震，认为其活动性可能强于梅山-龙河口断裂。总的来说，上述三条断裂基本控制了区域地震分布格局，并且沿落儿岭-土地岭与其余两断裂交汇部位地震有集中现象，一是反映了该断裂为区域地震活动的主控断裂，二是反映两条断裂交汇部位应力具有集中特点。地震地质研究结果也支持以上分析，据姚大全等，落儿岭-土地岭断裂最新活动时代为晚更新世，为一地震活动断裂，其余两条断裂与落儿岭-土地岭交汇部位更是未来发生中强地震的危险部位[10]。

表2 单位长度的活动断裂对应的地震个数Table 2 The number of earthquakes corresponding to per unit length ctive faults

2 断裂遥感影像分析方法和解译标志

本文采用多源遥感数据融合的方式，既发挥了多光谱信息色彩丰富的优势，同时吸收了全色波段清晰纹理的特点，提取断裂构造相关信息。

2.1 正射校正

所谓正射影像，指改正了因地形起伏和传感器误差而引起的像点位移的影像[11]。数字正射影像不仅精度高，信息丰富，直观真实，而且数据结构简单，能很好的满足社会各行业的需要。正射校正可以解决地形起伏较大而引起的误差，文章运用30 m DEM，通过在影像上选取一些地面控制点，并利用数字高程模型（DEM）数据，将影像重采样成正射影像。

本文采用的校正模型是基于有理函数模型-RPC。RPC模型是将卫星影像的像方坐标与物方坐标的空间变换关系采用两个有理多项式的比值来实现。本文使用ERDAS下的QuickBird RPC正射校正模型，采用无控正射方法对GF-1影像进行校正。如图3所示，为正射校正前、后的多光谱影像对比。

图3 多光谱影像正射校正前后对比Fig.3 Comparison before and after the correction of multi spectral images

2.2 影像融合

数据配准是影像融合的前提和基础，数据配准的精度直接影响最终的融合结果。以正射校正后的多光谱影像为基础，对全色影像进行配准，由于研究区为山区和丘陵地区，因此采用有控制点的正射校正。最后对多光谱影像和全色影像进行配准结果检查，本文采用ERDAS的影像叠合拉窗帘的形式检查是否出现明显地物错位、重影、模糊等现象。

对于GF-1国产高分数据融合，本文使用PCI软件下的Pansharpen融合方法，该方法的优点是光谱保真、空间几何细节保持较好。通过对校正后的GF-1的多光谱影像（分辨率8 m）和全色影像（分辨率2 m）进行融合，然后分别设置输入多光谱波段、参考波段、输入全色波段、输出路径及文件名，设置完成点RUN运行。融合后，对结果进行定性评价，如图4所示，发现影像整体亮度适中、色彩反差适度；影像整体色调均匀；纹理及色彩信息丰富，无细节损失，层次深度足够；各种地物边缘较为清晰。

图4 融合前后对比Fig.4 Comparison before and after the fusion

2.3 地貌/微地貌影像特征

断裂的解译标志主要表现在沿断裂带形成的特殊构造微地貌[12]。通过GF-1融合影像的纹理特征和光谱特征分析，深入研究了梅山-龙河口断裂的整体展布情况，研究结果表明断裂对微地貌发育起控制作用，其中西北端断裂沿线的山脊有被北断裂改造的形迹，分布着典型地貌特征，如三角面、垭口、沟谷。断裂沿线的典型影像特征如表3所示。依据上述特征，判读出断裂沿线的铁冲-梅山水库段、梅山水库-响洪甸水库段线性谷地、断层垭口、断层三角面的识别结果，图5是判读分析出的梅山水库西北的线性谷地，图6是戴家楼乡西北的垭口地貌，图7是沿断裂走向的狭长梅山水库，图8是复南山南麓的断层三角面。

2.4 解译结果分析

依据从局部到整体的思想，首先在判别断裂构造地貌特征存在的基础上，结合水系、岩性、地形等标志判断出露断裂的存在，同时推测隐伏断裂的存在，最后将所有出露断裂和隐伏断裂组成一张梅山-龙河口断裂遥感构造解译图，如图9所示。通过对Pansharpen融合后GF-1号影像的遥感解译，从西向东依次为线状谷地、狭长梅山水库、响洪甸水库、复南山南麓，其中断裂中西段铁冲-戴家楼段线性构造地貌影像清晰，显示为直线状线性构造特征。由于同时受到断裂切割，梅山水库呈现狭长形状特征，说明断裂对地貌、水库的形态起到一定的控制作用，推测存在隐伏断裂，但是沿断裂未发现水系错动现象。梅山水库响洪甸水库至复南山段线性特征不明显，断裂该连续性不好，沿线分布多条不连续小断裂。断裂总体由多条不连续的断裂组成，多呈NWW向展布，整体表现为平直延伸。

表3 断裂沿线遥感影像特征Table 3 Remote image features along faults

图5 线性谷地及三维遥感图像Fig.5 Linear valley and three-dimensional remote sensing image

图6 断层垭口及三维遥感图像Fig.6 Pass fault and three-dimensional remote sensing image

2.5 野外地质地貌考察

图7 沿断裂走向的狭长梅山水库Fig.7 Narrow Meishan reservoir along the fault strike

图8 断层三角面及三维遥感影像Fig.8 Fault triangle and three-dimensional remote sensing image

图9 梅山-龙河口断裂GF-1遥感构造解译图Fig.9 The interpretation map of the Meishan-longhekou fault in GF-1

野外地表考察主要主要集中在对已知断裂沿线选点的地貌、构造、剖面的实地考察[13-14]。本文依据覆盖梅山-龙河口断裂的高分一号遥感影像断层解译图及特征分析反映的地质-地貌现象，划定两处典型解译区考察，对遥感影像断裂构造解译结果进行验证。根据断层特征分为两段：铁冲-响洪甸水库段、复南山段。下面就典型的地貌和断层出露情况进行描述分析。

（1）铁冲-响洪甸水库段。如图10a所示，受梅山-龙河口断裂影响，梅山水库西北段呈北北西-南东东向狭长状延伸，在梅山水库西北部，断层沿水库南侧延伸，这种线状地貌特征在遥感图像上表现的非常清楚。

遥感图像上的线性地貌，在现场调查中，化岭村地貌特征最为典型，主要表现为沿梅山水库东南部的线性延伸及其延伸方向上的线性沟谷，如图10b所示。该段地貌均是由断层作用形成的地貌特征，但由于线性特征为水体覆盖或植被覆盖茂密的谷地，故未见地表断层露头。

图10 梅山水库断层地貌Fig.10 Fault landform of Meishan reservior

图11所示，在老湾公路边，前震旦纪石英片岩内发育一条断层破碎带，破碎带宽约1 m，走向285°，近直立，断层带内见挤压片理化物质，程度不一，局部可见构造过程中形成的透镜体状岩块，靠近断层面处发育灰黑色断层物质，胶结程度较低，呈松散状。

图11 老湾村公路边断层图片及出露剖面图Fig.11 The faults and exposed profile in the side of road in Laowan village

在全军乡石关，遥感图像上线性特征清晰，实地调查中表现为断层方向延伸的线状谷地和垭口。如图12所示，为裸露基岩，植被茂密，典型的断层谷地、垭口地貌。图13所示，在金寨高铁站南侧戴家楼村，断层在延伸方向上均表现为垭口地貌。

图12 全军乡断层谷地、垭口地貌（左图镜像NW，右图镜像SE）Fig.12 Fault valley, col landform in Quanjun village（Left mirror NW, right mirror SE）

图13 戴家楼断层走向上的垭口（镜像左：NW，右：SE）Fig.13 Col landform in the fault strike in Daijialou village（Left mirror NW, right mirror SE）

如图14所示，全军乡公路边见断层出露，该断层发育于侏罗纪砂岩内，断面清楚，切断岩层，走向北西西，倾角近直立，断面较光滑，沿断面可见擦痕，断层带物质有挤压片理化现象，胶结程度较低，呈松散状。

图15所示，在铁冲村附近，灰色闪长岩内发育一条断层破碎带，破碎带宽0.2～1 m，断面较清晰，沿断面可见近水平的擦痕。图16显示铁冲村附近断层较为完整，破碎带两侧的岩体内发育与断层近平行的密集节理。

图14 全军乡断层照片及出露剖面图Fig.14 Fault photos and exposed profile in Quanjun village

图15 铁冲村断层照片及出露级剖面图Fig.15 Fault photos and exposed profile in Tiechong village

图16 铁冲村次级断层出露Fig.16 Secondary faults exposed in Tiechong village

根据遥感解译结果和地质图资料，如图17所示，在复览山东南侧断层三角面境内发现断面出露。该断面发育于震旦纪灰黄色石英片岩与侏罗纪紫红色凝灰岩之间。断层表现为一破碎带，底部宽约0.5m，该带走向约带内可见数条断错面，向上带宽约0.3m，断层总体走向300°，倾向NS，倾角大于70°。断面不新鲜，未见软弱物质发育，顶部覆盖坡积薄层。

图17 复南山南麓断层出露Fig.17 Fault exposed in south of Funan mountain

3 结语

综合梅山-龙河口断裂遥感解译标志，同时结合关键地段的地表考察结果，对梅山-龙河口断裂的展布及断裂活动进行全面分析研究后，得出以下主要结论：

（1）根据遥感解译结果，梅山-龙河口断裂是一条规模较大的区域性断裂，断裂整体展布呈现北西西向展布，全长约131 km；断裂沿线线性影像较为清晰，断裂通过处地貌上有明显反应，主要表现有断层垭口、线状水体、断层三角面、线状沟谷及呈线性排列的负地形的地貌特征。在GF-1融合影像中线性特征在梅山水库西侧、梅山水库至响洪甸水库、复南山南侧附近最为明显，反映了断层不同段落活动特征的不同。

（2）梅山-龙河口断裂周边现今地震活动比较显著，根据研究区内1970年以来ML≥1.5级地震的空间分布，得出研究区内的地震主要受区内断裂构造的控制，梅山-龙河口断裂沿线地震呈现带状分布特征，特征较青山-晓天断裂明显，比落儿岭-土地岭断裂活动弱，表明该断裂在第四纪还有一定程度的活动性。其中北东向的落儿岭-土地岭断裂与近东西向的青山-晓天断裂交汇处最为密集，反映了该处为构造的薄弱点，应力易于积累释放。

（3）依据遥感解译结果，断裂西北段线性影像最为清晰，往东南线性特征逐渐变差，这可能与断裂的差异活动有关。

（4）由野外调查可知，梅山-龙河口断裂倾角较大或近直立，由断面特征及破碎带胶结程度来看，该断裂具有一定程度的新活动。

（5）断裂发育处的微地貌呈现线性的负地形，利用GF-1融合影像及三维影像图分析，可清晰识别深切沟谷、三角面、垭口等，辅助遥感图像断裂解译，为野外调查工作提供参考。通过对野外两个段落的调查点进行考察验证，发现遥感影像上表现的线性地貌、断层垭口和DEM光照模型表现出的负地形特征，在现场调查中均有典型表现，如梅山水库西侧的线状沟谷，梅山水库和响洪甸水库表现的线状水体，梅山水库至响洪甸水库之间表现的线状沟谷、连续的负地形地貌，全军乡、戴家楼境内发现的断层垭口、复南山南麓的断层三角面。出露地层主要为前震旦纪、震旦纪石英片岩、侏罗纪砂岩、火山碎屑岩等，第四系分布较少，主要位于沟谷内以及河流两侧。

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Application of GF-1 Image in Fault Structre Intepretation

YU Shuyuan1，CHEN Liang1，FANG Lianghao2，ZHAO Peng3，ZHANG Jie1
（1.GIS Center of Anhui Provice，Hefei 230031，China；2.Earthquake Prediction Center of Anhui Provice，Hefei 230031，China；3.Earthquake Engineering Academy of Anhui Provice，Hefei 230031，China）

According to the macro，intuitive, timeliness and other features of remote sensing technology in the structure research，this paper uses GF-1 image and DEM data to establish directional illumination model，and studies the Meishan-Longhekou fracture located in the northwest hinterland combining with the field survey data of previous research.The results show that the northwest section of fracture along the Tiechong Village - Meishan reservoir - Xianghongdian reservoirin display linear feature in remote sensing image; by using the shadow of the mountain generated by DEM，deep valleys，steep ridge and triangle can be clearly identified.Finally，through field investigation，the author find that dip angle of Meishan-longhekou fracture is bigger or suberect，and the fault has new activities with a certain degree from the section feature and fracture zone of cementation,.

GF-1；Image fusion；DEM；Fault interpretation

P542

A

1001-8662（2016）01-0097-11

10.13512/j.hndz.2016.01.014

2015-04-10

安徽省地震科研基金青年项目（20150402）；安徽省地震局合同制项目（201511）

于书媛(1984- )，女，硕士研究生，助理工程师，主要从事地震、遥感地质与地理信息系统研究工作.

E-mail：819718728@qq.com.