三种断层位移测量工具对比分析

王 辽, 谢 虹, 朱俊文, 薛善余, 张正模, 张 波

(1. 甘肃省敦煌文物保护研究中心, 甘肃 敦煌 736200;2. 中国地震局兰州地震研究所, 甘肃 兰州 730000; 3. 敦煌研究院, 甘肃 敦煌 736200)

0 引言

活动断层错断地质地貌体后通常会在地面形成断错地貌标志,并在特定的构造作用以及地貌演化下呈线性或亚线性形态被长久保存,其主要的标志有断错河道、冲沟、山脊、河流阶地、洪积台地和断层陡坎等。通过对断错地貌进行位错测量,重建并定量分析位移空间分布,可以更好地了解活动断裂过去的破裂及活动历史[1-2]与发育规律[3-4],以便进一步分析其运动学过程与地震活动特征[5-7],从而科学地推测其将来的活动行为[8-17]。众多研究人员基于断错地貌对断层的活动特征进行了研究,并取得了丰富的成果。Zielke等[9]对圣安德列斯断裂南段1857年强震的同震地表破裂带的位移分布进行了重新评估。Manighetti等[11]对新西兰Hope断裂进行了详细的断错地貌位移解译,获得了最大同震位错及4次古地震事件。计昊旻等[15]通过对安丘-莒县断裂的地震特征位移的分析,推断出可能低估了70 BC安丘地震的震级。李占飞等[16]通过分析临泽逆冲断裂垂直位错的分布,得出该断裂是一条成熟度较低的断裂。毕海芸等[17]对乌拉山山前断裂的陡坎进行了密集提取,识别出7次古地震事件,获得最大同震位错,并进一步分析了地震的危险性。

早期对断层位移的获取主要是基于皮尺、平板绘图仪与全站仪等工具进行野外实地测量,该方法能获取较为精确的测量结果,但耗时耗力,效率低下,且对于大面积的研究区域难以应用[18-20]。随着空间探测技术的发展,全球定位系统(Global Positioning System,GPS)、无人机航空摄影测量技术与机载雷达探测与测量(Light Detection and Ranging,LiDAR)等新手段被逐渐应用于断层位移测量,使得活动断层的研究变得更加高效与精细化。无人机航空摄影测量通过移动摄影重建技术快速构建高分辨率数字地形,其重建原理如下:利用数字相关技术分析图像与图像间的相对方向和绝对方向,并结合在摄影过程中设定的重合度,经过平移、缩放、旋转等过程将数字模型精确地定位到绝对位置,最后基于控制点对地表数据进行模型建立。该手段操作简单,成本低廉,获取的地形数据精度高,被广泛应用于植被较少的地区[21-26]。LiDAR技术具有便利性、高精度性、绝对定位及可重复性等特点,且具有植被消除功能,使得其在植被复杂地区也能获取高分辨率数据,这种良好的性能使其越来越多地被应用于构造地貌研究中[27-32]。

随着高精度地形数据的获取逐渐便捷,多种基于数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)提取位移的应用软件也应运而生,其中应用最广泛的包括Zielke等[33]开发的LaDicaoz、Stewart等[34]开发的3D_Fault_Offsets与Wolfe等[35]开发的蒙特卡洛滑动统计工具包(Monte Carlo Slip Statistics Toolkit,MCSST)。这些工具极大地便利了断层位移的提取,提高了位移测量的精度,降低了人工分析和位移提取的误差。本文首先基于测量原理与使用方式对这3种测量工具进行了详细介绍;其次基于获取的党河水库逆冲断裂和黄香沟左旋走滑断裂的高精度DEM,利用MCSST工具对逆冲断裂陡坎进行垂直位错测量,以及利用LaDicaoz和3D_Fault_Offsets工具对左旋走滑断错地貌进行水平位错测量,进一步将测量结果与野外测量结果进行交叉检验,综合分析探讨测量结果的可靠性;最后对3种工具特性(如其自动化程度,使用难易程度,可重复性等)进行对比分析及总结。

1 软件介绍

1.1 LaDicaoz

LaDicaoz是一款基于Matlab开发的具有图形用户界面(Graphical User Interface,GUI)的测量工具,该工具应用广泛,能对多种类型位错地貌进行测量。国内外众多学者基于高精度地形数据,利用该软件进行了大量的活动构造研究[36-39]。LaDicaoz的工作原理是基于可视化的方式追踪断错地貌(如河流、冲沟等),得到位错地貌分布于断层两侧地形剖面,然后将其进行匹配,得到断错地貌的最优偏移量,再通过最优偏移量进行地貌体的原始形态恢复[33]。基于该软件对断错地貌进行测量,可以有效降低人为对偏移特征错误解译造成的不确定性,从而有助于确保计算的偏移量尽可能接近实际位错量。

本文以黄香沟断裂上一条典型的左旋断错冲沟为例,展示该软件的测量过程:(1)加载DEM数据并框选出被测量地貌的所属区域[图1 (a)];(2)选择将要显示的底图数据(譬如地形、山体阴影及坡度等),恰当地设置其透明度、颜色、光照入射高度与入射角度等,并叠加等高线进行展示[图1 (b)];(3)确定断层的具体走向,描出断层迹线,并分别追踪出断层上游河道和下游河道(或其他地貌标志),软件将自动为其生成剖面形态图[图1 (c)];(4)软件将根据上一步生成的剖面形态图自动进行形态匹配,从而得到水平位错值[图1 (d)]与垂直位错值[图1 (e)];(5)将上一步得到的位错值输入软件,进行原始地貌恢复,观测其是否合适[图1 (f)],如不合适则对位错值进行合适的调整以得到最佳位错。

1.2 3D_Fault_Offsets

3D_Fault_Offsets也是基于Matlab平台开发的一款测量软件[34],研究人员利用该软件对多条断层进行了位移提取,并得到了与前人实地测量较为一致的结果[34,40]。3D_Fault_Offset的测量原理较为复杂:首先,基于数学方法对三维断层数据中地貌线性标志最突出的9个几何特征点进行识别,其中包括:海拔的最低点(即河床的底部),最大拉普拉斯点(即坡的最大凸度)与最小拉普拉斯点(即坡的最大凹度),最陡点(即地形中最陡峭的中央部分),海拔的最高点(一般是山脊) (图2);其次,其代码会通过最小二乘法对识别出来的9个特征点点云进行三维线性回归计算,并在回归计算中利用四分位法剔除异常值,从而得到最佳拟合线;最后,将每条最佳拟合线与断层面相交得到一个穿透点,通过对9对穿透点的x坐标与y坐标求取差值便可得到断层的水平位移与垂直位移。

图2 3D_Fault_Offsets通过运算识别出的9 个线性地貌标志的示意图(修改自文献[35])Fig.2 Schematic diagram of nine linear geomorphologic signs identified by the 3D_Fault_Offsets (After reference [35])

由于DEM的分辨率限制、断层的位置追踪偏差、断层走向与倾角及趋势线的拟合不确定等原因,使得测量过程中会出现多种测量误差。3D_Fault_Offsets基于蒙特卡洛原理,通过概率密度函数将各种误差参数赋予不确定性,并将获取的9对偏移地貌标志的水平位移和垂直位移的概率分布进行叠加求和,以获得全局“最优位移”。其测量过程中考虑了众多的误差影响因素,使位错值更加接近实际位错。

3D_Fault_Offsets的操作方式为采取函数输入,在使用过程主要包括以下5个步骤:(1)绘制断层轨迹并对研究区域进行划定;(2)代码会沿着框定的研究区内平行于断层的地形剖面,系统地对9个特征点进行搜索,并将其填充得到单独的点云;(3)进行函数输入使得代码自动删除点云离群点;(4)手动删除上一步未被识别出来的离群点,得到最佳拟合线;(5)计算得到断层的水平位移与垂直位移。

1.3 MCSST

MCSST是一种开放源码的基于Python平台开发的测量工具,可在短时间内快速地分析数十到上百个断层陡坎并对垂直位错进行测量,从而有效地对断层的空间变化进行分析。Wolfe等[35]获取了陶波火山带活动断层跨越25 km的33个剖面,并利用该软件对每一个剖面的关键分量(例如断层陡坎、上盘和下盘)进行了识别并确定了滑动估计值,所得到每个陡坎的位错值都符合前人在该区域开展过的工作结果。

该软件的测量原理如下:首先利用蒙特卡洛方法得到断层垂直滑移所需的关键参数的不确定性;其次通过回归统计方法结合上一步得到的不确定性对断层的上盘、陡壁和下盘进行线性拟合,拟合出的每条线都有一个斜率和y轴截距的平均值,其分量均有95%的置信区间;最后基于得到的可靠的拟合线,计算上盘与下盘之间的距离从而得到垂直滑移值。MCSST提供了与ArcGIS兼容的版本,可方便地在地理信息系统中进行空间分析;免费开源,为科学计算、显示和分析空间数据集提供了访问功能;还具有一定的可视化功能,允许用户在进行滑动统计计算之前,检查其对断层分量(例如断层陡坎、上盘和下盘)识别的准确性;通过限制编码语言或通用编程技术,降低了研究人员的进入壁垒。基于高分辨率DEM数据,该方法的应用将有助于进行大范围区域的断层滑动速率测量以及地震危险性评估。

其使用过程主要分为以下4个步骤:(1)通过QGIS或者ArcGIS在DEM数据中定义断层陡坎的剖面;(2)通过MCSST工具提取陡坎信息并将其保存为CSV文件;(3)在GUI中通过滑动工具来可视化选择上盘、下盘与陡坎位置(图3);(4)通过代码输入的方式计算断层的陡坎位错。

图3 MCSST一般工作流程图Fig.3 General workflow diagram of MCSST

2 研究区域与数据

断层在地表发生相对位移的方式主要有水平位移与垂直位移,这3种工具由于其原理和适用性不同,故其所适用的断层类型也有所差异。MCSST只适用于垂直陡坎的测量,LaDiCaoz和3D_Fault_Offsets对水平位错断裂更为适用。根据这3款软件的特性和适用特征,我们选择了构造地貌保存较好的党河水库断裂与黄香沟断裂作为研究对象,并分别通过无人机摄影测量技术与机载LiDAR技术获取了它们的高精度地形数据。

2.1 无人机参数

本文所使用的数据均由CW-15垂直起降固定翼无人机获取(图4)。其主要参数如表1所列。

表1 纵横 CW-15无人机参数

2.2 党河水库断裂无人机数据

党河水库断裂位于甘肃省敦煌市西南部36 km处,断裂性质以逆冲为主,走向近东西,长约10 km[图5 (a)],其西侧为阳关镇,东部为鸣沙山,西北侧分布着阳关镇断裂[41-43]。在党河水库西侧地区,断层逆冲于冲洪积阶地上,出露约10 km长的逆冲断层陡坎,局部地区形成两级叠加陡坎。该地区气候干燥,原始地貌受气候破坏较低,也少有植被分布,使得该地区断裂线性特征清晰、几何展布明确、构造行迹保存完好(图5),有利于对逆冲断层进行垂直位错测量。

图5 党河水库断裂高精度(0.07 m)地形数据及野外陡坎照片Fig.5 High-precision (0.07 m) topographic data along the Danghe Reservoir fault and scarp photos

本文所使用的党河水库断裂数据由无人机摄影测量获得。数据采集完成后,采用商业软件PhotoScan对其处理。其处理流程主要分为四步:(1)剔除成像模糊、光照条件不佳以及不在场景里面的影像,再将有效影像导入数据;(2)识别影像特征并根据特征进行影像间的匹配,恢复影像的相对位置关系,匹配像素从而生成高密度点云;(3)导入地面控制点坐标,对生成的密集点云进行绝对坐标校正;(4)生成具有空间地理坐标的DEM。所获取的党河水库地区的DEM数据西起山水沟大桥,东至党河水库西侧,长度大约10 km,断层两侧南北跨度大约1 km,其分辨率为0.07 m[图5 (a)]。该地区DEM数据与断层陡坎实地拍摄照片如图5所示,其中图5(e)、5(f)与5(g)的实地拍摄位置分别对应于图5(b)、5(c)与5(d)。

2.3 黄香沟断裂机载雷达数据

黄香沟断裂长约75 km,位于西秦岭北缘断裂的中西段,其东起漳县谷地,西止于洮河西岸,走向为300°左右,多向北东倾,倾角46°～85°,断裂性质以左旋走滑为主。黄香沟断裂晚更新世以来构造活动强烈,在黄香沟渭源牧场一带,断裂切过全新世冲洪积扇、阶地等,发育了断塞塘、洪积扇侧叠、位错冲沟和位错山体等构造地貌(图6),受人为因素影响较少,很多构造地貌仍保存完好,是研究水平位错地貌的理想场所。

图6 黄香沟断裂高精度(0.5 m)地形数据及典型左旋走滑地貌野外照片Fig.6 High-precision (0.5 m) topographic data along the Huangxianggou fault and field photos of typical sinistral strike-slip landforms

本文所使用的黄香沟高精度地貌数据由机载LiDAR获取。当无人机飞行高度在高200 m以下时,可以获取大于24 点/m2的点云数据,飞机飞行过程中垂直方向定位精度最高可达1.5 cm,水平方向定位精度最高可达1 cm+1×10-4cm。LiDAR数据获取过程中,其视场角(Field of View,FOV)为330°,最大脉冲发射频率可达820 kHz,所采用的定位系统为GPS定位系统。本次研究中,我们扫描了黄香沟断裂东起分水岭,西至大草滩,长度大约12 km,断层两侧南北跨度大约1 km的区域,并通过LiDAR360 软件处理分析生成了分辨率为0.5 m的裸地DEM[图6 (a)]。该地DEM数据与典型左旋走滑地貌实地拍摄照片如图6所示,其中图6(e)、6(f)与6(g)的实地拍摄位置分别对应于图6(b)、6(c)与6(d),图5(f)中T1、T2、T3和T4分别为冲沟的一级、二级、三级与四级阶地。

3 软件测量结果可靠性分析

为了对软件的可靠性进行分析,我们将3个软件应用于研究实例,并对测量结果进行交叉验证,以此来分析其可靠性。本研究中,利用MCSST工具测量了党河水库断裂的陡坎,共获取了32条垂直位错数据,并将其与野外测量结果进行了交叉检验;其次利用LaDiCaoz测量了黄香沟断裂的46个水平位错地貌以及利用3D_Fault_Offsets测量了黄香沟段的11个水平位错地貌,并将位错结果与前人实地测量结果进行了对比分析。

3.1 垂直位错测量结果的可靠性

本研究在党河水库的西侧陡坎上共测得32个位错数据,其最小值为(2.6±0.4) m,最大值为(10.8±0.9) m。本文选取了9条间隔相似且可信度高的剖面进行展示(图7)。断层的西段分布着4条测线(DL-1～DL-4),断层陡坎的垂直位错为7.5～9.2 m;中间段选取了2条测线(DL-5和DL-6),其垂直位错分别为5.7 m和6.2 m;最东侧的3条测线上的断层陡坎(DL-7～DL-9)的垂直位错均较小,为2.6～3.8 m。测量得到的断层陡坎垂直位错展现自西向东逐渐降低的趋势。我们提取出的位移及分布特征与云龙等[44]得到的此条断层的野外测量结果和活动性分析基本一致。

图7 党河水库断层陡坎地形剖面Fig.7 Sectional view of the fault scarps along the Danghe Reservoir fault

将MCSST软件测量与野外实地测量结果进行比对可发现具有很强的相关性,其R2可达0.98(图8)。对比图出现较少偏移点,分析认为出现此情况的原因与该工具的测量原理直接相关。传统的测量主要通过测量陡坎的上盘与下盘之间的距离得到陡坎的垂直位错,这与MCSST测量中通过调整滑块来选择断层的上盘、下盘与陡坎的原理类似;但MCSST在测量过程中,在评价不确定度时考虑了多个误差来源,其科学性较传统测量方式强,且由于自动化程度较高,其测量效率远大于人工野外实地测量。

图8 党河水库断裂MCSST与野外测量垂直 位移结果对比Fig.8 Comparison between vertical displacement results of the Danghe Reservoir fault measured by MCSST and field survey

3.2 水平位错测量结果的可靠性

李传友[45]对黄香河沟谷北侧进行了详细的调查,对多条位错冲沟通过现场皮尺测量等手段进行了位错值获取,获取了多个地质、地貌体的位移值,其范围为6～58 m。利用LaDiCaoz软件,本研究在黄香沟断裂共获取了46个位错地貌的水平位错值;利用3D_Fault_Offsets软件获取了黄香沟断裂上的11个位错地貌的水平位错值。

本文选取了20个在同一位置测量的前人测量结果与本研究利用LaDicaoz得到的结果进行对比分析,对比图中显示出了较强的相关性,其R2可达到0.94[图9 (a)]。由于3D_Fault_Offsets的适用性限制,使得其所能测量的地貌类型较少,我们将该软件测量得到的11个位错结果与前人的测量结果进行对比,在对比图中亦显示出了较高的一致性[图9 (b)]。

图9 黄香沟断裂LaDicaoz、3D_Fault_Offsets与前人测量水平位移结果对比Fig.9 Comparison between horizontal displacements of the Huangxianggou fault measured by LaDicaoz and 3D_Fault_Offsets in our study and previous measurements

在野外测量过程中,对于位错较大的偏移地貌,测量人员对偏移特征的判断往往存在偏差,而对位错较小的地貌通常能更准确地把握其偏移特征,故一般而言,野外实测结果中位错较小的地貌其测量准确性高,位错大的地貌准确性较低[46-47]。软件测量可以有效减少人为对偏移特征的错误解译造成的不确定性,有助于确保计算的偏移量尽可能接近实际位错量。对比3D_Fault_Offsets软件测量结果与前人测量结果发现,当地貌的位错值较小时,其与前人实测结果的一致性较好,而对于位错值较大的地貌,其相关性较低。分析认为对于位错较大的地貌,两种测量方式得到的结果相关性低正是因为野外测量结果准确性低,而软件测量结果准确性高导致的。对于位错较大的冲沟,由于形成时代较久,地貌形态已经趋于稳定,具有较好的对称性,故该软件对位错较大的地貌可以获取更为精确的结果。此外,在LaDiCaoz的测量过程中,其偏移标志主要基于人为判定,其受人的主观影响较大,因此对位错较大的地貌,LaDiCaoz获取的测量结果与野外测量结果较为接近,而3D_Fault_Offsets采取自动对地表剖面进行扫描的方式选取特征点,客观性强,故对水平位错较大的形态稳定的地貌能获取更为准确的位错值。

LaDiCaoz和3D_Fault_Offset的测量均采取匹配断层两侧的地貌形态的方式,可在更大范围内对偏移标志进行选择,在一定程度上消除了人为视觉误差,对于位错较大的地貌,测量均优于传统的人工实地测量方法,且3D_Fault_Offsets测量结果优于LaDicaoz软件测量;而对于较小的位错地貌,考虑到DEM的精度,其断错标志的识别具有局限性,使得传统方法优于软件测量。

4 主要特性对比

尽管LaDicaoz、3D_Fault_Offsets和MCSST都是为测量断层位错而开发的,但是由于其原理、测量方式等不同,使得3种工具在多个方面都存在着差异。本研究在基于3种工具对党河水库断裂与黄香沟断裂的测量应用基础上,对其主要特性(如其自动化程度,使用难易程度,可重复性等)进行了对比分析,并总结了各个工具的优势与不足之处(表2)。

表2 LaDicaoz 、3D_Fault_Offsets与MCSST的异同点对比

(1) 在使用平台方面,LaDicaoz与3D_Fault_Offsets都是基于Matlab平台开发的软件,而MCSST是基于python平台开发的滑动统计工具包,即3种工具所使用的平台不同。

(2) 在半自动化程度方面,LaDicaoz的断裂迹线绘制、线性标志选取及“回滑参数”的输入等多个操作均需手动进行,其半自动化程度较低;3D_Fault_Offsets的断裂迹线的提取以及研究区域的绘制需手动操作,其余步骤(如9个特征点的提取等)均可由软件自动完成,其半自动化程度较高;MCSST使用过程中断裂和陡坎迹线的绘制及其滑动工具的使用也需要手动进行,但其余步骤可自动完成,其半自化动程度高于LaDicaoz但低于3D_Fault_Offset。

(3) 在数据的精度要求方面,LaDicaoz对数据精度的要求较低,能对分辨率较低的地貌进行较为准确的测量;3D_Fault_Offsets由于需要对9个特征点进行识别,因此其对地貌数据精度的要求较高;MCSST操作过程中由于上盘、下盘及陡坎的线性拟合主要基于人为的判断,因此其对数据的精度要求也较低。

(4) 在操作难易程度方面,LaDicaoz原理简单,易于理解,页面可视化,操作过程主要为流程式点击页面按钮,操作难度低;3D_Fault_Offsets主要采取函数输入的方式进行操作,需要用户拥有一定的编程基础,且操作过程中非可视化,操作门槛较高;MCSST要求用户拥有少量的编程基础,部分操作可视化,其操作难易程度介于LaDicaoz与3D_Fault_Offsets。

(5) 可测量地貌类型方面,LaDicaoz可对多种地貌类型(如冲沟、河道、阶地陡坎和冲洪积扇扇缘等进行测量),测量地貌类型多,应用广;3D_Fault_Offsets由于需要对地貌的9个特征点进行提取,因此其应用较好的地貌主要为具有对称性质的河流、冲沟等,对非对称地貌测量效果较差;MCSST主要应用于阶地陡坎的测量。

(6) 在实用性方面,LaDicaoz的测量过程主要采取可视化界面的“回滑”来还原其位错前的地貌,交互可视化使得测量更加直观,具有较强的实用性;3D_Fault_Offsets基于数学原理对9个特征点进行识别,并通过蒙特卡洛法将各种误差参数予以考虑,具有较强的科学性,但实用性较差;MCSST基于可视化的方式将断层陡坎的上盘、下盘及陡坎进行线性拟合,并通过蒙特卡洛方法对断层滑移所需的关键参数的不确定性进行考虑,兼具较好的实用性与科学性。

5 结论

基于对断层位错的测量,本文首先讨论了LaDicaoz、3D_Fault_Offsets和MCSST 3种位错测量工具的可靠性;其次通过对比3种测量工具的半自动化程度、测量数据精度要求、操作难易程度、测量地貌类型及科学性与实用性等方面的差异,分析总结了它们的优势与不足。本研究所得结论如下:

(1) 3种工具得到的测量结果均具有较高的可靠性。

(2) LaDicaoz具有较强的实用性,能对大部分地貌类型进行水平位错与垂直位错测量,对地貌数据的精度要求也较低,但在误差评价方面,其科学性较为欠缺。

(3) 3D_Fault_Offsets基于数学原理对地貌特征点进行提取,并通过蒙特卡洛方法对误差进行分析,在测量的科学性方面较好,且对于位错较大的地貌其更具较高的测量精度,但其对地貌数据的分辨率要求较高,且所测量的地貌需具有对称性质,使得其应用性较差。

(4) MCSST测量过程中上盘、下盘与陡坎的选择采用滑块选择的方式,误差计算基于数学原理,使得其兼具一定的科学性与应用性,但其可测量地貌类型仅为陡坎,无法为水平位错地貌进行测量。

(5) 目前3种工具的自动化程度均有待提高,都需要辅以人工的干预操作,其测量结果的精度仍受人为判定的影响较大,综合考虑3种工具的优势与不足,通过相互借鉴与改进并引入人工智能的手段来提高它们的自动化程度,将可能成为进一步提高测量软件科学性与实用性的发展方向。