基于历史航卫片的城市“隐形”活动断层精确定位——以大同盆地水峪断裂为例

郭 菲，任俊杰,,，郭 慧，苏 强，任建国，闫小兵

1.应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京 100085；2.中国地震局地壳动力学重点实验室，北京 100085；3.四川西昌青藏高原走滑断裂系灾害动力学野外科学观测研究站，四川 西昌 615000；4.大同市防震减灾中心，山西 大同 037006；5.山西省地震局，山西 太原 030021

0 引言

1976年中国唐山7.8级地震、1995年日本阪神7.3级地震和2010年海地太子港7.0级地震造成了严重的人员伤亡和巨大的财产损失，重要的原因是这些地震都属于城市直下型地震，由城市下面的活动断层发生错动造成。活动断层是指晚第四纪10万年以来发生过活动、现在正在活动、未来一定时期内仍可能发生活动的断层(邓起东，1991；徐锡伟等，2002；邓起东等，2004；徐锡伟，2006)。活动断层尤其是全新世活动断层的存在会伴随着一系列潜在灾害风险，包括活动断层突发强震造成的地表破裂或者断层缓慢蠕动引发的地表位移及其伴生的地质灾害，会对跨越断层的建筑、交通设施和工程设施等造成难以估计的破坏与损失(邓起东等，2007；邓起东和闻学泽，2008)。因此，开展城市活动断层探测，找出隐藏在城市下具备发生大地震潜能的全新世活动断层，是开展活动断层避让和有效减轻重大地震灾害风险的基础。

活动断层尤其是全新世活动断层往往会在地表形成断层陡坎等构造微地貌，可以指示断层详细的几何展布(Sieh and Jahns，1984；冯先岳，1986,1991；Parsons，2007)。但在城市地区，尤其是随着城市化进程的加速，人类活动和城市建设造成原始地形地貌改造严重，使原先出露地表的断层变得模糊不清或者被建筑物等覆盖，成为“隐形”断层，为活动断层的精确定位带来了极大困难。

目前，常用的城市活动断层定位技术主要包括地球物理勘探手段和钻孔联合剖面(方盛明等, 2002;邓起东等, 2003; 刘保金等, 2008; 张世民等, 2008; 雷启云等, 2011; 张磊等, 2014; 关艺晓等, 2016; 尹艳广等，2017; 吴教兵等，2019；张迪等，2019, 2021)。这些方法不仅耗时耗力，而且费用较高；另外受城市施工环境的限制往往难以大面积开展，无法准确厘定活动断层的精细几何展布。

而在原始地形地貌保存较完好、地表保留有活动断层陡坎的情况下，可以基于无人机航拍和高分辨率卫星影像，利用航空立体摄影技术提取研究区高分辨率数字高程模型(DEM)，进而研究活动断层的精细几何结构、变形特征、地震地表破裂样式、断层运动学定量参数等(Hooper et al., 2003; Frankel and Dolan, 2007; Oskin et al., 2007; Zielke et al., 2010, 2015；杨海波等，2016；邹小波等，2017；汪思抒等，2018)。这种技术需要野外采集控制点，但城市地区因为建筑物覆盖，原始的地貌形态改造严重，难以获得真实的原始地表形态资料。

既然历史遥感影像能够保留当时的真实地形地貌信息，能否通过城市建设之前的航卫片影像资料获得断层附近的原始地形地貌，进而对“隐形”活动断层进行精确定位？文章选取大同盆地东部的御东新区为重点研究区，通过对比不同时期的影像资料分析历史影像的适用时段，尝试通过历史航卫片提取城市开发前原始的地形资料，限定活动断层的详细几何展布；并与浅层地震勘探和野外地质调查结果对比，验证历史影像研究结果的可靠性。该研究结果不仅为大同地区的地震危险性评估提供了重要依据，也为城市“隐形”活动断层探测提供了一个新的技术思路和途径。

1 研究区背景

大同盆地位于鄂尔多斯东缘，是山西地堑系北部一个北东向半封闭地堑式山间盆地，第四纪以来活动强烈，盆地边界受控于口泉断裂、六棱山断裂和恒山北缘断裂等全新世活动断层(邓起东等, 1994; 段瑞涛和方仲景, 1995; 江娃利等, 2003; 谢新生等, 2003; 李煜航等, 2013)。大同市区位于大同盆地东北隅(图1)，西侧受控盆地主边界断裂——口泉断裂的控制和影响，盆地总体下降，第四纪以来堆积了一套厚约400 m的下更新统—全新统河湖相沉积。

F1—口泉断裂；F2—水峪断裂；F3—采凉山东麓断裂

水峪断裂是大同盆地内部的一条北东向次级断裂，走向与口泉断裂大致平行，控制着大同东次级断陷的西边界。该断裂北起采凉山主峰东南侧，经水峪、三条涧，向西南进入大同市御东新区。依据断裂几何展布特征，水峪断裂可划分为两段，北段展布在马铺山东缘山前，自西水峪村往南，经过马家堡村、三府坟村，往南延伸至肖家寨村南，山前线性陡坎发育，断层位置明确；南段位于大同御东新区内，该段原始地貌改造严重，断层位置不明确(图1)。

水峪断裂北段总体走向NE30°，错断了中、晚更新世含砾棕黄色次生黄土，在海力村东北剖面处发现断层切割了年龄距今约25.7±2.1 ka的次生黄土，在海力村西剖面见断层错断年龄距今约70.35±5.98 ka的砂砾石黄土层；在智家堡南断层剖面发现断层错断年龄距今约33.0±2.6 ka黑褐色亚粘土(李建华等，1998)。基于已有研究成果综合判断，水峪断裂应该是一条活动断层。

大同市区不同时期的Landsat影像(图2)对比表明，自20世纪80年代至今该地区发生了明显变化，地形地貌改造严重，无法通过现今遥感影像获得原始地形地貌数据。尤其是大同市东侧、文瀛湖西侧的御东新区的快速发展主要发生在2000年之后，城市建筑迅速兴起，道路交通逐渐密集，城市居住人口的范围和密度愈加增大。2000年之前，大同城市发展还处于刚刚起步状态，大同御东新区大部分为农田荒地，仅有几个较大村庄，原始地形地貌保存相对较好。因此，大同地区御东新区2000年之前的遥感影像资料，可以用来研究活动断层地貌特征。

a—1984年；b—1991年；c—2000年；d—2007年；e—2010年；f—2020年

2 数据选区与处理流程

2.1 数据选取

为了获得研究区原始的地形地貌信息，研究搜集了大同市区不同时期的高精度航卫片数据，发现较老的资料包括历史航片、1∶10000地形图以及美国锁眼(Keyhole)卫星影像。大同地区历史航空照片为主要拍摄于1965年的黑白胶片，原始大小为18 cm×18 cm，比例尺约为1∶10000。该航空影像采集清晰度高，反差适中，色调均匀。但相关航摄底片和技术参数等纸质资料已基本缺失，原始胶片上也缺少框标信息。

大同地区最早的1∶10000地形图测绘于1983年6月，为1954年北京坐标系和1956年黄海高程系，等高距包括2.5 m和5 m两种。研究中所使用到的1∶10000地形图共计16幅。

Keyhole系列卫星影像是美国照相侦察卫星资料，已经解密的国内历史数据多拍摄于20世纪80年代以前。Keyhole卫星历史影像由于大部分是返回式照相机拍摄，获取的影像数据为黑白全色影像。该卫星影像每个条带图幅都分为a，b，c，d四部分，每个部分都为单独的tiff文件保存。研究区内Keyhole卫星历史影像部分地区最高分辨率达到0.6 m，大部分地区1.8～2.7 m影像数据全覆盖。文中涉及到的影像共2幅8景。

2.2 Keyhole影像处理

以1∶10000地形图和Google earth历史影像为基础，使用遥感图像软件进行配准、拼接、纠正、匀色、镶嵌及裁切等处理，制作出大同水峪断裂及周边的2.5 m的历史遥感影像图。

主要处理流程包括：①影像配准，在ArcGIS软件中进行单景影像不同分块之间的配准，配准误差不超过一个像素；②影像拼接匀色，要求影像拼接后能清晰表现地物特征和地物纹理信息、边界清晰，通过目视解译可以区分，影像光谱特征真实、准确，影像色调均匀、反差适中；③几何纠正，以现有的谷歌历史影像为基础，使用ENVI 5.3软件，采用几何多项式模型对Keyhole历史遥感影像进行单景几何纠正，相邻单景之间选取一定数量的连接点，保证景与景之间的接边精度，利于后期镶嵌；④影像镶嵌，对纠正后影像进行色调调整，但应注意保留多光谱影像的光谱信息和全色影像的纹理细节，保证整个工作区影像数据色调协调统一，尽量选取线状地物或地块边界等明显分界线作为镶嵌线，通过镶嵌线对融合后的影像进行镶嵌处理，并在镶嵌前后对影像进行检查。

2.3 历史航片预处理

通过历史航片相对提取获取DEM需要对航片进行密集匹配，并将空三加密成果自动匹配生成三维点云数据。该方法处理速度快，精度高，误差累积少，并能完整显示地表细节特征。但历史航片由于是黑白胶片，不同于现今使用的数码影像，会产生新的误差。①数据资料缺失：纸质文档在保存过程中发生丢失损坏现象不可避免，常表现在相机型号、内定向参数、像控点参数和焦距等数据缺少，无法或难以进行内定向处理。②控制点获取困难：所获取的历史航片距今年代较远，且受城市建设发展影响，部分区域地形发生较大变化，在空三加密时很难布设控制点，并且实地测量历史航片控制点数据存在困难且误差较大。③ 影像质量问题：历史航片影像保存时间过长，难以避免存在变形和噪声等问题，并且影像在扫描过程中其纹理、亮度等未设置好都会为后续数据处理带来一定困难，主要表现在连接点自动匹配和空三加密精度较差。

在进行航空立体摄影提取DEM之前，需要对航片进行预处理：①航片挑选，应注意挑选航向和旁向重叠度分别达到60%和30%的航片资料，以满足航空立体摄影的要求；②航片扫描，研究中利用高精度航片专用扫描仪,选择1200 dpi分辨率对航片进行高精度扫描，对质量较差的影像进行影像增强处理，包括灰度拉伸处理、反差与亮度处理、边缘信息增强处理等，保证扫描影像反差适中，色调饱和，影像灰度直方图的灰度值在0～255灰度级之间连续分布并整体呈正态分布；③航片修整，去掉影像上的条道和斑点，处理水面反光，去掉航片上的记录数字和指示器影像，对单张航片进行亮度和灰度处理，使每张航片整体亮度和灰度基本一致；④数字航空影像保存，经以上步骤对航片处理后得到空间分辨率为0.5 m的数字化影像，文件大小为179 M，采用tiff格式保存，最大可能保留影像信息(严荣华等, 2004; 徐卫民等, 2012)。

2.4 航片立体像对提取DEM

由于搜集到的历史航片缺失立体摄影测量所需的具体定量参数，并且区内已被密集建筑物覆盖，地形地貌被完全改造，无法寻找到历史航片上可靠的对应标志点进行野外控制点的实际测量。而通过历史航片与Keyhole卫星影像对比，发现1965至1985年间研究区地形地貌变化很小，因此可以利用1983年的1∶10000地形图为历史航片像对提供航空立体摄影所需的地面控制数据。

研究基于历史航片构建立体像对，通过密集匹配得到三维点云，进而提取大同地区历史航片DEM和DOM影像资料，具体流程见图3。

图3 基于大同历史航片的立体摄影技术流程图

1∶10000地形图配准和控制点的提取包括以下几个步骤：①在ArcGIS里按地形图本身经纬线网格交点均匀选点按1954年北京坐标系进行配准、拼接；②为方便后续图件操作处理，将拼接完成的地形图进行坐标系转换，由北京1954坐标系在ArcGIS中转换为WGS1984坐标系；③进行单张影像几何纠正，包括影像的位置、方向、大小等，在单张航片上选择控制点进行定向，并在相应地形图上找到与之相应的同名点，匹配两点以进行纠正，控制点选取过程中应注意选择清晰明显且无变化的标志点，如老建筑拐角、田埂以及道路交叉口等，并且控制点要在航片上尽可能均匀分布，几何纠正误差不超过一个像素；④将各影像进行拼接镶嵌，镶嵌前检查相邻航片的同一线性地物是否保持连续、发生错位等。

选取航片地面控制点时需遵循以下原则：①自航片拍摄时至地形图完成时段内一致，无变化；②在影像中清晰易于辨识；③控制点数量满足精度要求且分布均匀(Micheletti et al.，2015)。研究中共选取了239个地面控制点，主要为乡间道路交叉点、田埂拐点等，以此对影像进行严格的几何校正，而文瀛湖周边由于缺少地形图的高程信息无法寻找精确控制点，造成文瀛湖附近分布有大量无效数据，其高程数据产生了较大畸变。

研究中历史航片立体像对提取DEM主要利用Agisoft Metashape软件进行处理，具体流程分为5步：①照片导入与对齐，导入研究区10张历史航片并进行自动对齐；②特征点匹配、点云数据生成，航片进行自动对齐时选择连接点数量为4000个，初步生成点云数据；③添加地面控制点、重建密集点云，在航片上手动添加由地形图提取到所有239个控制点，保证每张航片上的同一控制点都被标记，重新生成高分辨率密集点云；④生成DOM，基于点云数据生成多边形Mesh网格模型和正射影像；⑤生成带有地理坐标信息的DEM。

3 结果与分析

3.1 水峪断裂北段断层陡坎

现今Google earth影像、1985年Keyhole遥感影像、1965年历史航片正射影像(DOM)及数字高程模型(DEM)表明(图4)，水峪断裂北段走向北东向，长度约10 km，山前陡坎线性特征明显，由影像线性陡坎地貌特征可以准确地解译出断层几何展布特征，但随着城市发展，现今局部地段已被人工改造，野外现场地质调查已无法确认断层位置。

a—2020年Google earth影像(黄色虚实线为水峪断裂)；b—1985年美国锁眼(Keyhole)卫星影像；c—1965年历史航片正射影像(DOM)；d—1965年历史航片数字高程模型(DEM；红色箭头指示断层陡坎位置)

如三条涧村西的山前被改造为白登山滑雪场，原始断错地貌被改造，但2000年之前的Keyhole历史遥感影像、历史航片正射影像(DOM)及数字高程模型(DEM)均显示水峪断裂的清晰的几何展布(图5a)。肖家寨村西由于高速公路及森林公园的建设，水峪断裂山前的断层陡坎被部分改造，该段断层陡坎的位置在2000年之前的Keyhole历史影像、历史航片DOM及DEM上清晰可见(图5b)。文瀛湖北Google earth影像显示原始断错地貌被城市建设覆盖，Keyhole历史遥感影像可以隐约的看到有线性陡坎，DOM及DEM中的线性陡坎位置也验证了水峪断裂的几何展布位置在文瀛湖的西北侧通过(图5c，5d)。

3.2 水峪断裂“隐形”段断层陡坎

2020年Google earth影像显示，水峪断裂通过的位置均被御东新区城市建筑物覆盖，断错地貌被破坏，表现为“隐形”断层。因为缺少明显色差通过Keyhole历史遥感影像也不能解译出断层陡坎的位置，但结合1∶10000地形图与历史航片像对提取的DEM清晰显示水峪断裂的位置(图5d，5e，图6)。

红色箭头指示断层陡坎位置

御东新区原始DEM资料显示了“隐形”水峪断裂详细的几何结构，表现为清晰的陡坎地貌。该陡坎走向北东，与御河的水流方向大角度相交，无法用河流侵蚀来解释。而该陡坎与水峪断裂北段的几何展布一致，推测其应是水峪断裂南段在御东新区的几何展布。

为了进一步验证基于历史航片像对提取的御东新区原始DEM确定的陡坎是水峪断裂活动造成的，在沿文盛街和天泰街陡坎附近开展了道间距2 m的浅层地震反射探测测线KL1和KL2(图6b)。探测结果揭示出两个主要断层点FPk8与FPk20，表现为正断层性质，倾向南东，可见明显的反射波同相轴错断，均断错了新近纪的底界TN(图7)，断层性质与水峪断裂相同。浅层地震探测剖面揭示的断层上断点至近地表，与原始DEM确定的陡坎位置一致。

a—水峪断裂历史航片DEM；b—水峪断裂地貌表现

FPk8, FPk20—断层点；TN，Tg—地震波反射界面

另外，在对城市内调查时发现，大同大学南侧一建筑基坑内有断层出露。基坑西壁剖面深约4.5 m，揭示了两条平行断层(图8)。剖面中揭示的地层从新到老分别为：①深灰色，为近期人工杂填土，厚度不等，小于0.4 m，混有大量灰色、红色砖块以及人工废弃物等；②棕黄色粉砂粘土，为黄土，钙质菌丝发育；③灰黄色含粉砂粘土，发育大量钙质结核；④棕色河流相砂砾石层，水平层理发育，分选好，表明属于较大河流的沉积，从区域上判断为御河T3阶地。可见断层呈阶梯状展布，包括两个分支，断错了层②至层④，但被层①所覆盖。在国道G109旁边，一人工开挖的土坑也见到断层剖面，表现为与基坑剖面类似的特征(图9)。这两个断层剖面位置和断层走向与原始DEM确定的陡坎一致。

①—④为地层分层代号，每层具体岩性见文中描述

图9 国道G109旁边的断层剖面(位置见图6b)

3.3 水峪断裂详细几何展布

浅层地震反射剖面和野外地质调查结果证明，研究中提取的原始DEM资料确定的陡坎应是水峪断裂活动的结果，也表明基于历史航片像对提取DEM资料的方法可以有效揭示“隐形”活动断层的位置。

原始DEM资料显示在御东新区北部断层变形带较宽，存在多个分支(图6)。自北向南横跨水峪断层的地形剖面显示，御东新区内活动断层具有复杂的几何结构。北部地形剖面上表现为三个断层陡坎，陡坎高度约18.8 m(图10a)；中部地形剖面上表现为两个断层陡坎，陡坎总高度约19.9 m(图10b)；而南部地形剖面上位移集中，陡坎高度17.8 m(图10c)。总的来看，水峪断裂南段在御东新区所在的T3阶地上的位移变化不大，为18.7±0.9 m，但北部变形带较宽，向南逐渐集中，最后汇成一条断层上。因此，通过历史航片像对提取的原始DEM资料可以用来厘定城市“隐形”活动断层精细的几何结构。基于该成果可为水峪断裂避让提供基础依据，有利于减轻活动断层断错带来的巨大灾害风险。

f,f1,f2,f3处发育有断层陡坎

4 讨论与结论

文章主要介绍了基于历史航卫片相对提取相对原始DOM和DEM的处理流程，以早期地形图作为基准来提取航片控制点，通过对大同地区历史航卫片立体像对提取2 m分辨率的DEM和DOM，获得御东新区附近的原始地形地貌和水峪断裂精细几何展布，并通过浅层地震勘探和野外地质调查对断裂位置进行了验证。从水峪断裂御东新区段断层陡坎高程剖面确定陡坎高度约为18.7±0.9 m，该数值可视为断层累积垂直位移。陡坎高程剖面显示自北向南陡坎数量逐渐减少，说明水峪断裂南段北部变形带较宽，向南变形带汇成于一条断层上。

研究结果表明，基于历史航片的立体像对提取技术生成DEM和DOM来定位城市“隐形”活动断层的方法是可行的，该方法可以定量评价断层累积位移，准确获得断层精细几何展布，可作为常规城市活动断层探测方法的一种辅助手段，具有独特优势。现今高分辨率遥感影像数据以及无人机航测照片生成的DEM和DOM分辨率可达到亚米级，甚至更高，而大同地区基于历史航片生成的DEM和DOM分辨率虽然只有2 m，但仍可用于分辨全新世活动断层的微构造地貌特征。历史航片能够获取现今高分辨率影像无法获取的原始地貌信息，是原始地形信息重要的载体。在城市快速发展的今天，如果充分利用了历史航片的优势，不仅能有效提高活动断层定位的精度，而且还可大幅度降低探测成本和人力物力消耗，为城市“隐形”活动断层探测提供了一种经济有效的新方法。

但该方法对早期资料要求较高，要求研究区位置存留有城市建设前历史航片，航片比例尺不宜过小，最好在1∶10000左右。部分地区历史航片还保留有测区所使用的飞行仪器、完整的航摄仪、摄影比例尺等数据信息，有助于航片进行自动内定向，提高航片处理的效率和精度。在选取控制点上，如果研究区地形地貌改变不大，可以使用差分GPS野外实测获得当地控制点信息；如果地形地貌被强烈改造，且客观条件不允许野外布设控制点，可以收集早年间地形图作为控制点提取的底图。当然，该方法精度还有待提高，因此在实际研究开展过程中，应避免简单依赖于这一研究手段，而要采用多种方法共同验证分析。