遥感技术及多源遥感影像在地震断裂构造解译中的应用

陈靓　于书媛

摘 要：对ETM+、SPOT5、Landsat TM、ASTER GDEM和高分一号影像数据进行研究，探讨多源遥感影像的特征与选择，详细阐述了地震断裂构造解译的方法和流程。最后，文章通过具体案例对解译方法展开分析。

关键词：多源遥感影像；地震断裂；线性构造；解译标志；DEM

1 概述

遥感技术因其观测范围广、不受地面自然条件限制等特点，在地震观测研究中显现出明显的应用前景。1974年，美国总统顾问F.Press教授和C.Allen教授赠送中国地震代表团一套覆盖我国全部领土的陆地卫星图像，我国从此开始系统运用各种遥感图像，进行断层活动性、强震构造环境、地震地表破裂等方面的遥感地质解译研究[1]。

断裂构造是地壳中最常见的地质构造，遥感技术不仅可从宏观上把握断裂构造的总体特征，还可以通过影像的色彩、形态、纹理结构等分辨断层的地貌影像信息，为描述断层的空间展布及相互切割关系，分析其与地震活动相关性提供了重要的科学手段。随着遥感技术的发展，同一地区不同卫星传感器获取的遥感影像数据越来越丰富。与单源遥感影像数据相比，多源遥感影像数据所提供的信息具有冗余性、互补性和合作性[2]。因此，研究多源遥感影像在地震断裂构造解译中的应用至关重要。

2 多源遥感数据源选择与解译方法

2.1 数据源特征与选择

目前，多分辨率、多波段、多时相的遥感影像数据广泛应用于地学领域。在地震断裂构造解译工作中，应充分考虑传感器的空间、光谱和时间分辨率，同时要根据研究地物的光谱特性、成像规律和影像特征来选取合适的遥感影像数据加以应用。ETM+、SPOT5、Landsat TM 和ASTER GDEM影像在断裂构造解译中应用较为广泛。随着我国“高分辨率对地观测”系统重大专项的推进，高分系列卫星尤其是高分一号影像也有效应用于基础地质遥感调查等行业应用中。

中等分辨率的ETM+影像在地质调查和断裂分析等工作中被广泛使用[3]，它具有6个30米分辨率的多光谱波段、1个60米分辨率的热红外波段和1个15米分辨率的全色波段。其中，第4和第7波段适合断裂构造解译。SPOT5影像具有3个10米分辨率的多光谱波段和1个2.5米分辨率的全色波段，可以满足1：25万至1：1万比例尺平面图的制图精度要求。Landsat TM 影像份7个波段，其中TM5能够清晰反映线性构造，一个热红外波段在隐伏断裂及活动性构造方面具有一定优势[2]。ASTER GDEM有20米的垂直精度和30米水平精度，适合提取坡度、坡向、坡度变化率等地貌因子，有较好的辅助解译作用[4]。高分一号是中国高分辨率对地观测系统的首发星，全色分辨率2米，多光谱分辨率8米，具有高、中空间分辨率对地观测和大幅宽成像结合的特点，对大尺度地表观测具有独特优势，对大断裂的判读与解译有辅助作用。

2.2 解译方法

多源遥感影像断裂构造解译方法主要包括几个方面：遥感影像处理与相关性分析，线性构造解译，遥感影像标志、地貌特征及断裂的解译，最后通过实地调查对解译结果进行验证。为满足相关断裂构造解译的需要，可运用高分一号、landsat ETM+、ASTER GDEM、DEM、Google Earth Image等影像资料进行联合解译。解译技术路线图如图1所示。

3 断裂构造的解译与分析

3.1 遥感影像处理与相关性分析

3.1.1 遥感影像预处理

遥感影像预处理是使用ENVI、ERDAS等遥感图像处理软件进行一系列的影像处理工作，以实现增强遥感影像空间信息的功能。这些操作主要包括几何校正、辐射校正、影像融合、影像镶嵌以及色调调整等，通过这些处理步骤能够为进一步提取遥感影像中有用的信息做准备。

3.1.2 影像增强

根据数据源的特点对预处理后的数据进行影像增强，以突出断裂构造的光谱特征和微地貌特征。主要方法包括：假彩色波段合成、波段差、比值计算、主成分变换、坡度分析和地貌渲染等。

3.1.3 相关性分析

多光谱遥感影像数据包含多个光谱波段，每个光谱波段所包含的信息量不同，为完成不同的目的，达到不同的结果，对于光谱波段的选择至关重要。因此，需要对遥感影像的各个波段的数据进行相关性的分析，选择适合断裂构造解译的波段组合。通常可选用最佳指数（OIF）法，该概念是美国查维茨Chavez等1984年提出的。计算公式为：

根据其相关系数矩阵，再分别求出所有可能3个波段组合的OIF。按照其概念，OIF越大，则相应组合图像的信息量越大。为确定最佳波段组合方式的遥感影像图，突出地质特征信息，需要对遥感影像的各个波段的数据进行相关性的分析，以此满足解译的要求。

3.2 线性构造解译

断裂是一种线性构造，地表微小的线性特征可以用基于不同光照方向的DEM地形起伏来达到增强的效果，因此，使用一定的光照模型生成的DEM被广泛应用于线性构造的识别中，从而辅助断裂构造的研究。光照模型公式如下：

其中？籽H（？姿）表示影像像素对应的水平地表太阳入射角的反射率，计算公式为？籽H（？姿）=mcosz+b；？籽T（？姿）表示影像像素对应的坡面太阳入射角的反射率，计算公式为？籽T（？姿）=mcosi+b；z表示为水平地表的太阳相对入射角（单位：度）；i表示坡面太阳入射角（单位：度）；m表示影像像素值；b是线性方程的截距；c表示线性方程的截距与影像像素值的比值。

一般情况下，在同一研究区范围内，同一组方向的线性构造的走向大致都是相同的，不会出现差距较大的情况。所以可利用研究区域地质图已有的线性构造，来判断最合适的太阳方位角。根据叠加最佳光照模型的遥感影像，清晰地解译出研究区的线性特征，然后使用GIS软件，叠加最佳遥感影像获取的线性构造信息，得到研究区的线性构造解译图。

3.3 遥感影像的目视解译解译

图像解译就是研究分析遥感影像的过程，可以根据地物的光谱特性、成像规律及影像特征来辨别地物，并判断其类别和特性属性。在遥感影像上，不同地物有着不同的影像特征，这些影像特征是解译时识别各种物体的依据，称为目视解译标志。从直观上讲，活动断裂的遥感影像解译标志主要有色调、地层、地貌、水系、土壤以及综合景观等，前人一般将其归纳为三类，包括：线性标志、垂直错动标志和水平错动标志（谢广林等，1982；国家地震局地震研究所等，1982；丁国瑜，1982；蒋蔺珍，1985；邹谨敞，1995）。断裂构造特征的识别主要就是运用解译标志和实践经验的综合分析。遥感影像的目视解译大致可分为以下几个阶段：（1）准备工作：收集资料，分析整理，确定使用方式和作业方法。（2）建立解译标志：根据具体影像，结合地图资料和野外调查建立解译标志。（3）室内解译：按解译标志，结合已有资料进行全面解译，得出解译得初步结果。（4）野外验证：对结果核查、修正和补充，确定各解译要素的属性和边界范围。（5）成果整理：文字资料编写，成果的绘制。

4 实例分析[5]

实例工作区位于155.5°-166.8°E、31.17°-31.68°N范围内，利用该区域Landsat ETM+、高分一号、ASTER GDEM数据，研究断裂构造在遥感影像中的波谱特征和宏观地质特征，借助线性构造解译结果，采取先人机交互判读方式，分析断裂构造。

4.1 线性标志解译

研究区域断裂走向北西，实验中选择较低的太阳高度角（15°），与传统卫片的光照模型（40°-50°）相比，可使地形阴影更明显，适合探测线性构造。在0°-180°不同的太阳方位角模型，以1°为权值，进行角度加权运算，可寻找到适合显示线性构造的角度。为了保证最大限度地显示线性构造，以1°为权值，进行20°范围的角度加权运算，得到该方向的可能光照模型，然后对比地质图，得到最佳的光照模型。角度计算公式如下：

A=B±i （3）

其中B值为0°、50°、130°，i取值为1°、2°、3°......20°。

最后，经过多次实验发现太阳方位角70°的阴影起伏图对N-W构造走向的断裂构造地貌显示较明显。因此文章选择更有利于N-W构造走向显示的70°光照模型作为分析增强区域构造地貌的最佳光照模型。

4.2 地貌影像特征解译与实地验证

通过高分一号多光谱（分辨率8m）影像的形状特征和光谱特征分析，发现断裂对微地貌发育起控制作用，西北端断裂沿线的山脊被有北断裂改造的形迹，分布着沟槽、垭口、深沟、谷地等较典型的地貌特征。依据上述特征，判读出断裂沿线的断层谷地、断层垭口、断层三角面。图4是判读分析出的断层谷地的断裂构造结果。

实地验证主要依靠野外地质调查。依据选取的已知断裂沿线特征点，划定考察路线和重点考察区，开展地貌、构造和剖面的实地考察，对遥感影像结果进行验证。

5 结束语

随着遥感技术的发展，遥感数据在对地观测研究中发挥的作用越来越重要。将多源遥感数据与其他地学信息进行综合分析与应用，能够多角度获取研究区域更丰富、准确的资料，在地质构造解译和防震减灾工作中具有较为突出的优势。

参考文献

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作者简介：陈靓（1983-），女，汉，硕士，工程师，主要从事地理信息系统相关工作。