基于无人机航测技术的地貌特征解译——以金山凸起东缘断裂为例

任瑞国，闫小兵，扈桂让

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

1 引 言

近年来，无人机的性能得到了极大的提升，并且成本却越来越低，从原来的军事领域进入到民用领域，在航拍、农业、植保、微型自拍、快递运输、灾难救援、观察野生动物、监控传染病、测绘、新闻报道、电力巡检、救灾、影视拍摄等方面的应用越来越广泛。无人机航测技术是指通过无人机与遥感技术相结合，搭载各类传感器，利用先进的无人驾驶飞行技术、遥控技术及数字摄影测量等技术，从而便捷地获取地面影像和遥感数据的测绘技术[1]，在野外地形复杂地区的高分辨率影像快速获取方面有着明显优势[2]。无人机航测影像数据具有视野广阔、数据丰富、地貌形态逼真、使用便捷等特点，可以通过目视解译方法直观地获取调查区地貌特征信息。结合无人机航测系统的组成和地貌调查的需要，无人机航测技术在地貌特征解译中的应用工作流程分为航测数据采集、数据处理、影像数据解译和野外地质调查核实4 个部分。

无人机获取影像具有速度快、分辨率高、视野广等特点，前人已将无人机技术应用于活动构造信息提取、断层地形研究。在活动构造研究中，第四纪地貌特征解译对于判定断层性质、活动速率、发震机理等起着至关重要的作用[3-5]。从早期的全站仪、航片、卫片到近年来快速发展的机载LIDAR、无人机航测等技术，为地貌特征解译提供了精度更高的数据[6,7]。

金山凸起东缘断裂位于鄂尔多斯断块隆起区东部汾渭断陷带中北部的忻定断陷盆地，断裂总长约7 km，整体上呈NE向展布，走向40°，北起忻口村一带，向SW经金山铺村西、前淤泥村西延伸至部落村以北。断裂展布于基岩山前与盆地洪积扇后缘之间，是分布于金山凸起东缘山前的一条正倾滑断层。基岩与上更新统呈正断接触，该断裂最新活动时代为晚更新世。本文以金山凸起东缘断裂为研究对象，利用无人机对调查区进行航空摄影，通过影像生成高精度的数字高程模型(DEM)和正射影像图(DOM)，提取断裂在复杂地貌面上的构造信息[8]，为断裂的科学研究以及防灾减灾救灾的实际应用提供更为可靠的数据基础。

2 航测数据采集与数据处理

2.1 航测数据采集

金山凸起东缘断裂位于忻州市忻府区西北角，该区域地形复杂，此次调查采用大疆Phantom 4 Pro四旋翼无人机搭载2 000万像素摄像头，对金山凸起东缘断裂进行了航测数据采集。根据金山凸起东缘断裂的具体情况，共布置了5个地面控制点，拍摄航高设定在350 m，航向重叠率为50 %～70 %，旁向重叠率不低于30 %，共获取金山凸起东缘断裂4 700 张有效航空照片(第五个控制点包含的区域位于五台山机场的限飞区，根据法律规定最大限飞高度为120 m)，航测数据如表1所示。

表1 金山凸起东缘断裂无人机航测数据

2.2 数据处理

基于PhotoScan 软件对五个控制点的影像数据进行了对齐照片、生成密集点云、生成网格、生成纹理处理，生成了数字高程模型(DEM)和数字正射影像(DOM)，具体成果见图1～图5(注：DEM图中用颜色区分高程)。

图1 第一控制点部落村DEM和DOM影像

图2 第二控制点后秦村DEM和DOM影像

图3 第三控制点胡家脑村DEM和DOM影像

图4 第四控制点后淤泥村DEM和DOM影像

图5 第五控制点金山铺村DEM和DOM影像

3 影像数据解译和野外地质调查核实

数字高程模型(DEM)和数字正射影像(DOM)数据不仅能够直观地判读出各种地形地貌单元和构造特征，还可以获得局部区域上的变形特征和变形量[9-12]，根据影像解译结果结合野外地质地貌调查，分析了调查区的影像纹理结构、地形坡度、洪积扇规模及其相互之间的切盖关系[13]，解译出调查区内主要分布有4种地貌类型，分别为基岩中低山地貌、山前洪积地貌、黄土台地地貌及河流阶地地貌，调查区总体DEM影像图见图6(注：图中用颜色区分高程)。

图6 调查区总体DEM影像

3.1 基岩中低山地貌

新生代以来构成金山凸起的基岩山体持续抬升，形成了忻定盆地中部的一条近北东向的基岩山地。调查区内基岩山地位于断裂的西侧分布，高出断裂东侧盆地200～500 m。基岩中低山整体呈条带状以NE方向延伸，在前淤泥村金山最高峰以南山体整体向西后撤，在调查区最南端又转折向南东盆地中延伸并逐渐被第四系覆盖消失于地表之下，顿村以南可见该套地层呈孤山状零星出露。调查区中部的前淤泥村西是金山最高峰，海拔约1 280 m，此处与山前冲洪积平原高差最大，约为500 m；调查区北部基岩山地与山前冲洪积平原高差逐渐变为190～230 m左右；调查区南部基岩山地与山前冲洪积平原高差逐渐变为180～290 m。金山最高峰以南，山体后撤，山前覆盖厚厚的风积黄土层，形成山前黄土台地。基岩中低山海拔高于黄土台地130～260 m不等。基岩中低山高低起伏，侵蚀破坏严重，局部覆盖风积黄土层。该地貌图切剖面图见图7。

图7 金山凸起东缘断裂图切地貌剖面

3.2 山前洪积地貌

山前洪积地貌在前淤泥村以北地带基岩山前发育较为广泛。金山铺以西山前洪积物叠置于山前，洪积地貌面呈斜坡状，总体坡度3°～5°，纵向宽1.3 km，已被改造为梯田，该洪积物叠置于盆地中的洪积物之上，剖面可见洪积砂砾石层，表层分布晚更新世亚砂土，为晚更新世形成的洪积地貌。金山凸起东缘断裂从洪积扇前缘通过。后淤泥村西北一带亦发育有类似洪积地貌。该地貌实景图片见图8～图10。

图8 金山铺西山前洪积地貌

图9 金山铺西洪积地貌照片实景(镜向NE)

图10 后淤泥村西山前洪积地貌照片实景(镜向S)

3.3 黄土台地地貌

自部落村以南，基岩中低山后撤，至顿村一带，黄土台地堆积于山前，台地前缘整体呈凹弧形，前缘与盆地冲洪积平原呈凹弧形接触。台地面上陡下缓，整体坡度2°～3°，台地后缘与台地前缘海拔高差约为40～80 m不等。局部可见基岩出露，黄土台地上多处可见侵蚀形成的冲沟，沟壁陡直，沟深最深达50 m，沟底可见中下更新统黄土出露。黄土台地面多由上更新统黄土组成。该地貌图切剖面图和实景图见图11和图12。

图11 后秦村西黄土台地地貌图切地形剖面

图12 调查区南部黄土台地地貌

3.4 河流阶地地貌

调查区大规模河流主要为北部滹沱河和南部的云中河。北部滹沱河主要发育I级阶地，阶地面平整开阔，拔出河面3～5 m[14]，多已被改造为农田；调查区南部云中河亦偶见I级阶地发育，但是多已被城市建设改造破坏。除此之外，调查区山前规模性的河流很少，北部基岩山前洪积扇中发育小型冲沟，规模较小，未发现有河流阶地发育；调查区南部黄土台地中发育的河流冲沟规模不一，多数沟壁陡直，亦可见沟壁坍塌堆积，偶见I级阶地发育。前秦村以西的一条近东西向冲沟内可见I级阶地发育。该冲沟沟壁陡直，沟深最深约达32 m，I级阶地零星分布于冲沟一侧，为堆积型阶地，主要成分为冲积卵石层、亚砂土层等，卵石呈次圆状。总体上I级阶地拔出河面2～3 m，应为全新世以来的河流堆积地貌。该冲沟内河流有进一步下切趋势，局部已下切现代河床深度约0.6～1 m。该地貌河流阶地解译及实景见图13，位置及位相见图14。

图13 前秦村西河流阶地解译及阶地照片实景

图14 前秦村西河流阶地位置及位相

4 结 论

金山凸起东缘断裂新生代以来的持续活动，造成了该地带地貌的形成与演化，山体与盆地形成了明显的地貌反差，通过解译发现调查区内主要分布有基岩中低山地貌、山前洪积地貌、黄土台地地貌及河流阶地地貌。

无人机航测数据可以直观地展现地貌全貌，克服了人们视野上的局限性，与传统野外地质调查相比可以达到事半功倍的效果，在地质地貌领域具有巨大的优势和广阔的应用前景。