光学遥感技术的发展及其在活动构造研究中的应用

孙鑫喆　唐声权

1)中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室、北京　100029　2)北京航天计量测试技术研究所、北京　100076



光学遥感技术的发展及其在活动构造研究中的应用

孙鑫喆1)唐声权2)

1)中国地震局地质研究所，活动构造与火山重点实验室、北京1000292)北京航天计量测试技术研究所、北京100076

遥感技术自诞生以来对于我们从宏观尺度上认识地质体带来了极大的便利、特别是20世纪中叶以来、遥感平台和传感器的制造技术都取得了很大的进步、获取了大量的全球范围的遥感数据、质量也随着传感器的进步有了很大的提高。文中在简要梳理遥感技术发展的过程中、详细阐述了Landsat、SPOT、QuickBird等几个对于活动构造解译有着里程碑意义的卫星和影像的参数、并系统回顾了光学影像解译随着分辨率发展而取得的进步；简单介绍了当前最新的光学影像对比技术；此外还基于高分辨率卫星影像进行的精细地貌填图技术取得的成果、对遥感技术在未来活动构造研究中可能发挥的作用进行了展望。

活动构造光学遥感空间分辨率光学影像对比技术Landsat卫星SPOT卫星QuickBird卫星

0　引言

活动构造是指晚更新世(距今10万～12万a)以来一直在活动、现在还在活动、未来一定时期内仍可能发生活动的各类构造、包括活动断裂、活动褶皱、活动盆地及被它们所围限的地壳和岩石圈块体(邓起东、1996)。构造地质学、特别是以活动断裂、活动褶皱等大尺度的地质体为研究对象的活动构造、从宏观上进行区域性研究是很有必要的。自20世纪中期开始的以原子能、电子计算机、空间技术广泛应用为标志的第3次工业革命、出现了大量的新技术、其中依托空间平台和电子计算机的遥感技术极大地方便了从宏观上对活动构造进行研究。近年来随着遥感技术的发展、传感器种类不断增加、从全色(黑白)、多光谱扫描成像到高光谱遥感、影像的空间分辨率也不断提高、Worldview-3全色成像的空间分辨率已经达到了0.31m(http: //www.digitalglobe.com/about/our-constellation)、是目前卫星遥感技术能获取的最高空间分辨率。这些技术的进步为活动构造研究带来了极大的便利。

1　遥感技术的发展

1858年10月23日由纳达尔(Gaspard-Félix Tournachon)利用系留热气球平台在巴黎近郊Petit-Bicêtre(现Petit-Clamart)拍摄的照片可以视为现代遥感技术的开端(http: //www.papainternational.org/history.asp、http: //commons.wikimedia.org/wiki/File: Hommage _Nadar_Petit-Clamart. JPG)、此后遥感技术的发展主要是平台的变化、历经了风筝(1882年、英国E. D. Archibald)、火箭(1897年、瑞典Alfred Nobel)、鸽子(1903年、巴伐利亚王国Julius Neubranner)、飞机(1909年、意大利)等阶段的发展(http: //www.papainternational.org/history.asp)。

1957年10月4日、苏联成功发射了人类第一颗人造地球卫星Sputnik-1号、使人类利用卫星作为遥感平台成为可能。1958年8月14日、Explorer 6 从太空传回第1张人造卫星影像(http: //grin. hq.nasa.gov/IMAGES/LARGE/GPN-2002-000200.jpg)(图1)、正式开启了遥感探测的新一页。

值得一提的是美国在1959年2月28日开始发射的CORONA系列卫星、这是世界上最早的军事侦察卫星、1960年8月18日成功获取了第1景图片。 该卫星以胶片为存储载体、以返回式卫星为回收手段、从1960年到1972年拍摄了大量苏联和中国以及其周边区域的高质量影像(Clausenetal.、2012)、分辨率从12.2m到1.8m不等(Dashoraetal.、2007)、这些资料已经于1995年2月28日解密、是一批很重要的早期遥感资料(图2)。

图1　Explorer 6 从太空传回的第1张人造卫星影像(http://grin.hq.nasa.gov/IMAGES/LARGE/GPN-2002-000200.jpg)Fig. 1　First picture from Explorer VI satellite.拍摄的是中太平洋地区上空的云

图2　中国核试验4d后拍摄的罗布泊爆炸原点(http:∥www.nro.gov/images/corona/highres/cor4h.jpg)Fig. 2　Chinese nuclear test site at Lop Nor、showing ground zero four days after the nuclear test.

1972年7月23日美国发射的陆地卫星1号(ERTS-1、原名Earth Resources Technology Satellite 1、后改为Landsat-1)是第1颗专为遥感设计的资源卫星、携带了返回光束摄像机(RVB、Return Beam Vidicon)和多光谱扫描仪(MMS、Multispectral Scanner)、地面分辨率均为80m(http: //landsat.usgs.gov/about_landsat1.php)。它的成功发射标志着人类正式进入了航天对地观测时代。之后NASA又发射了一系列Landsat卫星、依次为Landesat-2到Landesat-7。 2013年2月11日发射的Landsat-8是最新的1颗、携带的可操作陆地成像仪(OLI、Operational Land Imager)可以获得最高15m分辨率的全色数据。

1986年2月22日、法国的SOPT1卫星发射升空(http: //www.cnes.fr/web/CNES-en/1417-spot-1-to-5.php)、2d后成功传回了第1张影像、其所携带的光学成像传感器(HRV、High Resolution visible)可以获得全色10m分辨率和多光谱20m分辨率的影像(冯钟葵等、1999)；此后又陆续发射了SPOT 2到SPOT5、最新1颗卫星SPOT 6已经在2012年9月9日成功发射、可以获取全色分辨率1.5m、多光谱6m的数据(http:∥www.astrium-geo.com/cn/4508-spot-6-7-register-for-demo-data)。

最近中国的高分辨率对地观测系统重大专项也取得了重大进展、2013年4月26日发射成功的高分一号卫星(http: ∥www.cnsa.gov.cn/n1081/n7634/n516721/n516736/527260.html)、已经达到了全色2m、多光谱8m的分辨率(http: ∥www.cnsa.gov.cn/n1081/n7529/n308593/547353.html)；高分二号卫星也已于2014年8月19日发射、可使我们自主获取全色1m、多光谱4m的高分辨率卫星影像(http: ∥news.xinhuanet.com/2014-08/19/c_1112143334.htm#)。

此外还有日本的ALOS卫星数据(2.5m全色)、印度的P5卫星数据(2.5m全色)等、质量和SPOT系列卫星数据相似；美国的IKONOS、OrbView(1m全色)、QuickBird(0.61m全色)、Worldview(0.46m全色)数据质量和Geoeye相似。2014年8月13日发射升空的Worldview-3卫星的分辨率可以达到0.31m(http: ∥www.digitalglobe.com/about/ourconstellation)、能够获得目前分辨率最高的民用光学遥感数据、而美国军用的KH-12卫星的高分辨率遥感影像早在20世纪90年代就已经达到了0.1m(http:∥www.space.cetin.net.cn/docs/ht0009/ht000911.htm)。

2　在活动构造研究中的应用

传统的遥感影像解译侧重于自动分类获得研究区域的地物信息、这在农业、水利等领域有着较好的应用；但在地质领域由于研究对象相对复杂、目前做到完全自动识别还有困难、所以还是以人工目视解译为主、计算机自动识别为辅。活动构造的研究对象空间尺度大、是最新的构造活动形成的现象、而遥感技术观测范围大、可以迅速、连续、重复地观测同一地区、能够方便地获取不易到达的地区的信息、这些特点极大地方便了活动构造研究的信息获取。

近年来、随着计算机技术和卫星传感器技术的发展、所获得的遥感影像的分辨率大幅度提升、处理的技术也日益多样、最早将遥感影像解译技术大范围应用在活动构造研究的例子是Molnar等(1975)利用分辨率为80m的陆地卫星(Landsat)影像、结合已经发表的亚洲地区活动构造和地震的文献资料、初步绘制了亚洲大地构造图(图3)；由于当时的影像分辨率低、只能对一些大尺度的活动断层、活动褶皱进行研究。

1976年唐山地震后、中国科学院地理研究所首次利用陆地卫星80m分辨率的多光谱图像完成了《京津唐渤张地区断裂构造骨架图》、为活动构造研究提供了新方法、新途径。

图3　亚洲大地构造图(Molnar et al、1975)Fig. 3　Preliminary map of recent tectonics in Asia(after Molnar et al、1975).1975年Molnar等利用美国陆地卫星影像编制、由于影像分辨率较低、仅能识别最明显的断裂构造以及一些褶皱变形

1986年发射的SPOT-1、使卫星影像的分辨率达到10m、并且在影像重叠的地方可以获得立体像对、生成DEM。 Michel 等(2002)利用震前震后的影像对比、亚像元匹配技术、获得了1999年8月17日发生在土耳其的伊兹米特MS7.4地震的部分同震位移分布(图4)、从图中可以看出、他们利用2景震前的SPOT-1影像和与之对应的2景震后的SPOT-2影像覆盖了约70km长的同震地表破裂、研究区域内的平均位移为 (3.5±0.2)m。 Dominguez等(2003)也用同样类型的数据对1999年9月21日发生在台湾的集集MW7.6地震进行了类似的工作、获得了集集地震的地表破裂分布和同震右旋水平位移分布(Dominguezetal.、2003)(图5)。

图4　利用SPOT影像获得的1999年土耳其伊兹米特(Izmit)地震(MS7.4)同震位移分布(Michel et al.、2002)Fig. 4　Slip distribution acquired by SPOT image correlation of the 1999 Izmit earthquake(MS7.4)、Turkey(after Michel et al.、2002).纵坐标表示位移、单位为m；横坐标表示沿断层走向的距离、单位为km；灰色五角星指示震中位置；灰色点是利用分别在1999年7月22日获取的SPOT-1(震前)和1999年8月31日获取的SPOT-2(震后)影像对比得到的位移值；黑色点是利用1998年7月27日(震前)和1999年9月16日(震后)获取的SPOT-2影像对比得到的位移值、并给出了估计的误差范围；Sapanca湖区域没有数据、是根据两侧结果进行插值得到的、所以估计误差较大；其余彩色点(蓝、红、绿)是由不同的人员和单位实地调查获得的位移值、可以和影像对比的结果进行比较

图5　1999年集集地震(MW7.6)的同震地表破裂和位移分布(Dominguez et al.，2003)Fig. 5　Co-seismic surface rupture distribution and slip distribution along the rupture acquired by SPOT image correlation of the 1999 Chichi earthquake(MW7.6)(after Dominguez et al.、2003).a 灰线是从SPOT影像生成的位移场中提取的地表破裂、黑线是野外调查得到的地表破裂分布情况; b 左右2图分别为SN向和EW向位移分量、横坐标为位移量(m)、每个值均由其所在位置1km范围内测量的位移结果堆叠而成、精度接近0.5m

图6　利用亚像元匹配技术获得的伊朗巴姆地震的位移分布情况(Binet et al., 2005)Fig. 6　Horizontal coseismic deformation of the 2003 Bam(Iran)earthquake measured from SPOT-5 THR satellite imagery using sub-pixel correlation(after Binet et al., 2005)a 原始的SPOT影像、黄线指示隐伏断层变形带的位置、橙色箭头指示巴姆断层的位置；b EW向变形分量分布； c SN向变形量分布、变形量的大小参考右侧色标、单位是像元(SPOT5为2.5m、0.33个像元的变形量约为0.82m、颜色越接近色标的端部说明变形量越大)

2002年5月3日发射升空的SPOT 5卫星把影像的分辨率进一步提高到了2.5m、这使得一些更小幅度的变化能够被观测到、在2003年12月26日发生在伊朗的巴姆MW6.5地震的研究中SOPT 5的2.5m分辨率第1次发挥了作用。 Binet 等(2005)利用亚像元匹配技术获得了 (1.2±0.15)m的最大位移和 (0.77±0.05)m的平均位移、由于获得了该地震区域的同震位移场、此次地震宽达500m的剪切变形带也被完整识别、发生同震错动的盲断层位置也得以确认、修正了之前实地调查得到的0.2m的位错量。

在2010年4月14日发生青海玉树MS7.1地震后、石峰等(2010)利用2.5m分辨率的SPOT影像、通过目视解译同震地表破裂、受到同震位移小、影像分辨率不够高等限制、仅解译出了12km长的地表破裂带、与实地调查获得的总长65km的地表破裂带的结果相比还有较大差距(孙鑫喆等、2012)、这说明目视解译是具有局限性的。

1999年9月24日成功发射的IKONOS卫星将最高的星下分辨率提高到了0.82m、而2001年10月18日成功发射的QuickBird卫星则将分辨率进一步提高到了0.41m(位于300km的轨道最低点)、这使我们获得更详细的地表信息成为可能。Klinger等(2005)就利用这些卫星影像(IKONOS、QuickBird)研究了2001年11月14日的昆仑山口西地震、获得了宝贵的同震位移资料。

2001年昆仑山地震、震级高达MS8.1、MW7.8、沿断层形成了450km的同震地表破裂带。 由于断层所在位置海拔高、气候恶劣、很难对如此壮观的现象开展系统的工作、而且在有限的工作中、对于同一地点的位移量也存在很多争议。 Klinger等(2005)利用高分辨率卫星影像(分辨率<0.6m的QuickBird影像和分辨率<1m的Ikonos影像)对地表破裂及附近区域进行了大比例尺填图工作、以及部分地区的实地调查验证。由于部分区域受到积雪覆盖、对影像的解译效果产生了一定的影响、但大部分区域还是得到了比较好的结果、特别是地表破裂样式复杂的库赛湖段和太阳湖段、通过详细的填图、获得了83个可靠的位移数据。通过对沿断裂带的走滑位移分布进行分析、结果表明走滑位移量的分布呈波状起伏、在破裂的中段库赛湖段长达70km的破裂结构最为复杂、有2条平行的断层展布、北侧1条表现为正断层、南侧1条以水平走滑位移为主。利用前所未有的高分辨率卫星影像、系统地对库赛湖段的位移分布进行了详细的研究。从整个研究区域100km长度范围内获得的239个位移值中挑选出了83个最可靠的同震位移量、取最大的不确定范围1m作为误差范围、得到同震位移分布、并且和合成孔径雷达干涉测量结果、实地调查资料相对比、发现存在相同的变化趋势、从不同角度证明了遥感解译结果的准确性。

图7　2001年昆仑山口西地震地表破裂中段的同震位移分布(Klinger et al.、2005)Fig. 7　Horizontal slip distribution with 83 positioned offset measurements along the central part of the Kokoxili earthquake rupture derived from high resolution satellite images(after Klinger et al.、2005)横坐标为经度、单位为度；纵坐标为左旋位移、单位为m；黑色圆点为利用影像测量得到的83个位移；两侧的灰色条带给出了1m的误差范围；黑色曲线为InSAR结果；柱状条为野外调查结果；斜条纹区域为库塞湖水域

除了同震变化的信息、利用高分辨率卫星影像提供的大量地貌细节信息还可以获得大量历史地震甚至是古地震的信息、从而获得更多关于断层长期活动行为的信息。 Klinger等(2011)利用QuickBird卫星影像(分辨率0.6m)对1931年8月11日发生了MW7.9地震的新疆富蕴断裂进行了详细的填图、画出了同震破裂、并沿断层带找到了569个水平位移、通过统计这些位移量的情况、除了恢复至少5次比较可信的古地震事件外、而且发现富蕴断裂是以6m左右的特征位移作为长期活动的特征的。

图8　利用高分辨率卫星影像解译重建6次古地震滑动(Klinger et al.、2011)Fig. 8　Successive reconstructions of offset channels at Fuyun Fault(after Klinger et al.、2011).白色箭头指示坡向；红线表示断层位置；断层两侧的冲沟用黄线标出、并分别用数字和字母编号、每次位移恢复均由1条主要冲沟(用黑色大圈和加粗黄线表示)和若干次级冲沟(用黑色小圈表示)对应；沿插图下方箭头的方向依次回溯获得了6次古地震滑动位移，位移量分别是5.6m、12.1m、18.3m、24.7m、30.56m 和 35.2m

从以上几个具有里程碑意义的典型例子可以看出、随着光学遥感技术的不断进步、影像分辨率的不断提高(Worldview-3的分辨率达到了0.3m)、以及图像处理技术的发展(亚像元匹配技术)、现阶段光学遥感在活动构造研究中的应用已经进入到精细填图和定量研究的新阶段、利用这些新技术获得的成果是早期定性目视判读低分辨率影像难以得到的。利用高分辨率的影像可以更方便地获得地貌的细节信息、比如小冲沟、小的阶地坎、断层坎等地貌标志、利用这些信息可以更加详细地确定活动构造的活动性参数；亚像元匹配和光学影像对比技术则能在已有影像分辨率的基础上进一步得到更精细的同震位移信息、这也为我们获得同震位移分布提供了另一种方法。

3　结论与讨论

近年来随着遥感技术的发展、影像获取的分辨率不断提高、从陆地卫星(landsat)的80m到现在Worldview-3的0.3m、研究对象的精细程度也在不断提高、从最开始的版块边界断裂到现在可以研究单次地震的地表破裂、影像的分辨率已经不再是活动断裂研究的主要制约因素。 随着影像分辨率的不断提升、我们对活动构造的研究程度也在不断加深、主要可以分为3个阶段：

(1) Landsat时代、从1972年到1986年。 在这之前的遥感影像极少能用于民用目的、Landsat的成功发射标志着人类正式进入航天对地观测时代、从这以后人们可以利用卫星方便地获取大范围的影像数据、进行区域的系统的研究；但由于影像分辨率较低、基本为10～100m、且基本是平面数据、只有局部重叠能够生成立体像对、只能对一些板块边界级别的活动构造进行粗略的研究。

(2) SPOT时代。 从1986年到1999年、SPOT卫星采用了推扫式的扫描方式、首次将影像分辨率提高到了10m以内。 对于一些形成了数米同震变形的7级以上的大地震、再利用亚像元匹配技术可以获得单个断层的同震位移分布、将研究对象从板块尺度提高到了单条断层；同时由于SPOT影像重叠率高、可以生成立体像对、方便地获取DEM进行构造地貌的研究。

(3) 高分辨率时代。 进入21世纪之后、分辨率优于1m的卫星影像大量出现、利用这些高分辨率数据可以对一些微地貌进行精细填图、从而获得更详细的活动构造的活动参数和地貌信息、对于一些震级较小、同震位移量不大的地震也可以开展多种研究工作、如地表破裂精细填图、微地貌填图、同震位移分布、累积位移分布研究等。

新的数据处理方法为我们提供了更加丰富的地质体信息。 虽然高分辨率的卫星影像可以提供更多的细节信息、使得详细的填图成为可能、但利用数据处理的方法如光学影像对比技术我们则可以进一步获取同震位移场、这对于研究同震破裂机制(Klingeretal.、2006)、甚至隐伏断层的探测(Binetetal.、2005)都有很大意义；利用不同的传感器获取的地貌信息也可以间接地推断隐伏构造的活动情况(陈杰等、2008)；在接下来的工作中尤其要注意利用这些技术进一步挖掘蕴藏在遥感影像中的丰富信息、与构造地质学的研究方法相结合、获得更好的研究成果。

在本文撰写过程中与邓起东院士进行了大量有益的讨论、在此表示感谢！

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Abstract

Remote sensing technology has brought great convenience to our understanding of the macroscopic geological features since its inception. Especially, great progress has been made in manufacturing techniques of remote sensing platforms and sensors since the mid 20th century, and a huge number of global remote sensing data have been acquired. The quality of the data has been greatly improved based on the sensor’s development. This article briefly reviews the processes of development of the remote sensing technology, elaborates on several satellites’ parameters which have important significance for active tectonics interpretation, such as Landsat, SPOT, QuickBird, etc., and systematically reviews the progress in optical image interpretation made with the improvement of image resolution. The paper also briefly introduces the latest optical imaging correlation techniques, the detailed geomorphological mapping techniques based high-resolution satellite images, and the perspective of application of the remote sensing technology to active tectonics research.

THE DEVELOPMENT OF OPTICAL REMOTE SENSING TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION TO THE ACTIVE TECTONICS RESEARCH

SUN Xin-zhe1)TANG Sheng-quan2)

1)KeyLabofActiveTectonics&Volcano、InstituteofGeology、ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029、China2)BeijingAerospaceInstituteforMetrologyandMeasurementTechnology、Beijing100076、China

active tectonics、optical remote sensing、spatial resolution、optical imaging correlation、Landsat、SPOT、QuickBird

10.3969/j.issn.0253-4967.2016.01.016

2015-01-12收稿、2015-05-22改回。

国家自然科学基金重大研究计划项目(91214201)与中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA1303)共同资助。

P315.2

A

0253-4967(2016)01-0211-10

孙鑫喆、男、1984年生、2008年毕业于中国地质大学地质学专业、现为中国地震局地质研究所在读博士研究生、主要研究方向为活动构造、E-mail: sunxinzhe1023@126.com。