基于无人机倾斜航空摄影三维点云测量同震倾滑变形研究——以2021 年玛多MS7.4 地震地表破裂为例1

李忠武 陈桂华

（中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029）

引言

地震地表破裂的定量化特征是刻画整个破裂带同震变形行为的基础数据（Klinger 等，2006；Xu 等，2006；徐锡伟等，2010；Brooks 等，2017）。传统的野外简易测量仅可得到精度有限的长度和方位参数。利用全站仪等进行测量可得到较高的测量精度，但效率较低，且受野外工作条件限制（Koehler 等，2021）。卫星大地测量方法可获取大范围同震形变场（石峰等，2010；Jin 等，2021；He 等，2022），但强变形带大变形可能导致失相干，无法获取断层强变形带变形场和变形细节。具有差分定位功能的无人机航空摄影是近年来兴起的高精度、高效率野外测绘技术，已大量应用于大震现场调查和测量中（Kozacı等，2021；李智敏等，2021；潘家伟等，2021；张志文等，2021）。

无人机航空摄影测量一般获取正射影像（DOM）和数字高程模型（DEM），用于地表形态获取、地貌及变形测量与分析（魏占玉等，2014；曾洵等，2019；刘超等，2021；Little 等，2021；Padilla 等，2022）。同时，无人机航空摄影还可获取高密度点云数据。在活动构造三维建模与分析中，与DEM 相比，点云数据更具优势（高伟等，2017；Howell 等，2020；Wei 等，2021），这是因为点云数据更好地保留了原始数据，而非规则插值结果，且更好地保留了地表以下垂向变化信息。传统的无人机航空摄影通过垂直地面下视以获取地表DEM 为主，在垂向信息获取方面存在一定不足。无人机倾斜摄影具有更好的三维建模优势（荆帅军等，2019），为满足相关测绘需求提供了新的解决方案。

对于具有倾滑位移的同震地表破裂，通常产生拉张裂缝和挤压隆起等具有脆性的垂向不连续变形，第一时间采集野外数据并在测量拉张量或缩短量时充分考虑垂向变形信息至关重要。因此，引入无人机倾斜摄影测量技术，通过航空摄影点云数据对复杂、具有拉张性质和挤压性质的地震地表破裂进行精细三维建模，从而更准确地测量同震变形量。

1 2021 年玛多MS7.4 地震概况

据中国地震台网中心测定，2021 年5 月22 日2 时4 分，青海玛多发生7.4 级地震，仪器震中位置（34.59°N，98.34°E），震源深度17 km。震源机制研究显示，该地震发震断层对应的节面走向281°，倾角88°，滑动角1°，近乎左旋走滑破裂（张喆等，2021）。InSAR 观测和野外调查显示，地震发生于昆仑山口-江错断裂的鄂陵湖-江错-昌麻河段（江错断裂），产生约160 km 长的同震地表破裂（Chen 等，2021；Jin 等，2021；Ren 等，2021；李智敏等，2021；潘家伟等，2021；He 等，2022）。

此次玛多地震震中位于黄河乡附近，向两侧破裂，西至鄂陵湖南侧，东达昌麻河乡东侧河谷。野外调查显示，地震沿江错断裂鄂陵湖-江错-昌麻河段形成4 个相对连续的地表破裂段（图1）。根据地震地表破裂几何结构、地质地貌特征，此次玛多地震地表破裂可通过震中附近黄河乡与格波隆格恰阶区分为2 段（图1）。2 段呈左行左阶排列，阶区表现为以沼泽为特征的山间盆地，发育大量砂土液化带和裂缝带。黄河乡以西地表破裂带展布于三叠系基岩山与第四系堆积盆地边界，而格波隆格恰以东地表破裂带切割三叠系基岩山和山间谷地。地表破裂最西段走向近东西，分布在鄂陵湖南侧山脚，长约25 km，以走滑为主，兼具正断变形（张扭）。进入野马滩盆地后，沿盆地北部边界向东延伸至江错附近，长约20 km，以走滑为主，兼具逆断变形（压扭）。在江错至黄河乡段未观察到有明显断错位移的地表破裂。格波隆格恰以东的拉木草至东湖段，可见连续的地表破裂切过山坡和沟谷，长约23 km，继续向东延伸至沙漠中。朗玛哦尔-昌麻河段同样切割基岩山地、山间盆地和昌麻河谷，长约25 km，在其南侧存在1 个分支，破裂特征与主破裂带类似，但变形更小。同时，卫星形变测量和余震分布显示玛多地震地表变形连续地集中在较窄的变形带内（Chen 等，2021；王未来等，2021；He 等，2022），可通过变形带内的变形细节测量进一步分析断层同震变形。

图1 2021 年玛多MS7.4 地震地表破裂展布Fig. 1 Surface rupture zone of the 2021 Maduo MS7.4 earthquake

整个地震地表破裂带虽以左旋走滑为主，但在最西段具有一定程度的张扭性质，而在野马滩段具有一定程度的压扭性质，格波隆格恰以东无显著的倾滑变形。分别在朗玛加合日和野马滩西选取2 个典型观测点，基于无人机倾斜摄影测量技术获取的高密度点云数据对拉张量和缩短量进行测量。

2 数据采集与处理

2.1 无人机倾斜摄影数据采集与点云数据处理

采用大疆M300RTK 型无人机进行破裂带2 个典型观测点航空摄影，搭载具有4 500 万像素的禅思P1相机，配置35 mm 镜头。航空摄影过程中采用大疆D-RTK2 型移动站进行实时差分定位（RTK），系统标称的照片定位精度为水平1 cm+1 ppm 和垂直1.5 cm+1 ppm。航空摄影的航向重叠率为72%，旁向重叠率为55%。采用智能摆动模式，从前视、后视、左视、右视及下视角度对目标进行摄影。室内使用Agisoft Metashape 软件进行三维建模获取点云、正射影像（DOM）、数字高程模型（DEM）数据。观测点无人机航空摄影航高、地面分辨率、范围、建模误差和点云密度如表1 所示。

表1 观测点无人机航空摄影参数与建模误差Table 1 UAV aerial photography parameters and modeling errors for two observation sites

2.2 同震倾滑位移测量方法

当同震地表变形具有倾向位移时，通常会形成不同形式的断层陡坎（于贵华等，2010）。断层倾滑变形测量方法包括：①直接找到可靠的标识点获取三维运动矢量数据，如上、下盘相交的线性标识（陈桂华等，2009）；②测量倾滑位移的垂直分量，根据断层倾角计算倾滑变形；③通过详细测量变形细节，解析同震变形带的垂直位移和水平伸缩位移。玛多地震地表破裂带大部分区域无较好的变形标识，难以获得稳定可靠的断层面倾角等信息。因此，通过无人机倾斜摄影测量获取的点云数据，分别测量倾滑位移的垂直分量和水平分量，进而计算断层倾滑位移和断层面倾角。

2.2.1 倾滑位移垂直分量

断层倾滑的结果是其中一盘相对另一盘抬升，在地貌上形成断层陡坎等（图2）。通过测量陡坎两侧同一地貌面高度差h得到断层的垂直位移量，即倾滑位移的垂直分量（图2（a）、（b））。在获取的点云数据中，垂直断层提取地表点生成地形剖面。地形剖面在断层变形带两侧延伸一定距离，以确定未变形的断层两盘原始地形。通过线性方程拟合断层陡坎两侧地貌面，分别测量变形带两端地貌面的高差值，以其平均值作为断层垂直位移量，以2 个高差值与其平均值的差值作为断层垂直位移量的误差。

2.2.2 倾滑位移水平分量

张扭性同震地表破裂带通常形成斜列的裂缝（图2（b）），压扭性同震地表破裂带出现鼓包、挤压脊等微地貌（图2（a）），通过变形前后的地形对比确定倾滑位移的水平分量（水平拉张量或水平缩短量）。

对于压扭性同震地表破裂带，选择未逆冲叠覆的位置测量水平缩短量（图2（a）），利用地震前后两点间距离变化表示水平缩短量。图2（a）中，地表由于剪切作用出现裂缝，切割形成相对独立的小条块，条块由于斜向的挤压作用出现缩短，原为直线的PQ 线段在剖面上整体表现为上凸的弧形弯曲，距离缩短。沿断层陡坎剖面测量P、Q 点变形前的距离，再与变形后P、Q 点在地貌面上的距离lPQ作差，得到水平缩短量。需注意的是，当剖面中出现裂缝时，剖面的缩短量等于鼓包部分缩短量减去裂缝部分的拉张量。

图2 断层倾滑变形量测量方法示意Fig. 2 The measurement method of dip-slip

对于倾斜地貌面上发育的压扭性破裂，测量P、Q 点变形后距离时，需测量P、Q 点在原始未变形坡面上的距离，而非直线距离。因此，当基于最小二乘法拟合陡坎两侧地貌面时，应将P、Q 点距离分别投影到陡坎下地貌面拟合线P1Q1，得到lPQ1，并将P、Q 点距离分别投影到陡坎上地貌面拟合线P2Q2，得到lPQ2，最后分别计算2 条拟合线得到的缩短量及误差。

张扭性同震地表破裂带倾向变形测量如图2（b）所示，以未发生坍塌的地表变形前后剖面长度差作为倾滑位移水平拉张量。具体测量过程为：首先基于破裂空间结构确定断层带整体走向、垂直断层走向、垂直方向，利用点云数据生成地形剖面L2；然后通过剖面判断裂缝是否存在坍塌，如果存在坍塌，则平移剖面位置生成新的剖面；最后在剖面L2 识别裂缝端点M、N，测量点M、N 在陡坎上、下地貌面拟合线上的投影距离lMN，即可得到倾向水平拉张量。当剖面中出现挤压鼓包时，需减去由鼓包调节的水平缩短量。

2.2.3 倾滑位移

通过上述方法获取断层倾滑位移垂直分量h与水平伸缩量s后，可通过式（1）得到倾滑位移量D：

3 野马滩西观测点压扭性破裂同震倾滑量测量

野马滩西观测点位于长条形野马滩盆地北侧边界（图1），本次地震地表破裂切割山前洪积扇，形成了北高南低的断层陡坎，发育大量挤压鼓包和斜列的地震裂缝（图3（a）、（b）），变形集中于断层上升盘，具有挤压环境下逆断层变形特征，是压扭性破裂带。基于点云数据，通过垂直破裂带整体走向提取剖面，获取断层倾滑位移。

同震地表破裂的精细解译结果如图3（c）所示，确定破裂带的整体走向113°，垂直破裂带整体走向提取了YMT1、YMT2 剖面（图3（d）），另外提取平行和垂直裂缝方向的YMT3、YMT4 剖面，以分析剖面方向对断层倾滑位移的影响。为充分获取断层两盘变形信息，在统计研究区2 个观测点附近破裂带最大宽度为18 m 的基础上，向两侧延伸至50 m 提取剖面，然后利用最小二乘法拟合陡坎两侧线性地形线，确定震前地貌面形态。

测线剖面如图4 所示，YMT1 得到的断层垂直位移为（0.69±0.06）m，YMT2 得到的断层垂直位移为（1.01±0.16）m，YMT3 得到的断层垂直位移为（0.92±0.03）m，YMT4 得到的断层垂直位移为（0.73±0.09）m。由等高线（图3（d））可知，该观测点破裂带走向与洪积扇坡向近于垂直，断层发生水平位移时不会产生显著的垂直视位移。

图4 野马滩西观测点点云剖面图Fig. 4 The point cloud profiles of Yematan

根据前述倾滑位移水平缩短量测量方法，选择剖面中无逆冲叠覆及塌陷的位置测量野马滩西观测点破裂带水平缩短量。其中垂直断层剖面YMT1 缩短量为（0.17±0.01）m，垂直断层剖面YMT2 缩短量为（0.41±0.01）m，而垂直裂缝的剖面YMT3 缩短量为（-0.27±0.01）m，平行裂缝的剖面YMT4 缩短量为（0.54±0.01）m。垂直断层剖面缩短量代表的是走滑位移在剖面方向的分量，而垂直、平行裂缝的剖面缩短量代表的是水平缩短和走滑位移在剖面方向上的矢量和。

得到断层倾滑位移水平分量和垂直分量后，基于同震滑移的矢量关系（图2（c）），计算得到垂直断层剖面YMT1、YMT2 倾滑位移分别为0.71、1.09 m，断层倾角分别为76°、68°。

4 朗玛加合日观测点张扭性破裂同震倾滑量测量

朗玛加合日观测点展布于近东西向谷地的南侧（图1），同震地表破裂如图5 所示，破裂带整体走向东西，裂缝和挤压鼓包相间发育，但鼓包主要出现在裂缝首尾交接处，且变形整体集中于断层下降盘，具有拉张环境下正断层变形特征，是张扭性破裂带。跨破裂带提取4 条地形剖面，剖面LJR1、LJR2、LJR4 与破裂带垂直，剖面LJR3 与局部裂缝平行。沿剖面位置从点云数据中生成地形剖面，如图6 所示。

图6 朗玛加合日观测点点云剖面图Fig. 6 The point cloud profiles of Langma Gaheri

剖面LJR1 测得的垂直位移为（0.34±0.06）m，剖面LJR2 测得的垂直位移为（0.54±0.03）m，剖面LJR3 测得的垂直位移为（0.35±0.02）m，剖面LJR4 测得的垂直位移为（0.44±0.02）m，其中方向斜交的剖面LJR1 和LJR3 垂直位移近乎相等。

剖面LJR1 测得的水平拉张量为（1.99±0.01）m，剖面LJR2 测得的水平拉张量为（2.08±0.01）m，剖面LJR3 测得的水平拉张量为（2.58±0.01）m。其中剖面LJR1、LJR3 处的裂缝是玛多MS7.4 级地震地表破裂带中最宽的裂缝，在地震过程中有牛、羊掉入其中。垂直裂缝走向的剖面LJR3 较垂直破裂带整体走向的剖面LJR1 有更大的拉张量。由点云地形剖面可知，剖面LJR4 裂缝发生了垮塌，因此不能用于水平拉张量的测量。

倾滑位移水平拉张量明显大于垂直分量。由图5（d）可知，破裂带整体走向东西，而地貌面倾向北西，两者斜交，破裂带的左旋走滑产生北盘上升的垂直视位移，使倾滑位移的垂直分量测量值等于真值减去走滑产生的垂直视位移。

图5 朗玛加合日观测点观测结果Fig. 5 Observation of Langma Gaheri

5 讨论

本文通过跨破裂带剖面的精细化测量得到野马滩观测点倾滑位移为0.71～1.09 m，而该点附近走滑位移为1.8 m，与已有震源机制研究揭示的近乎纯左旋走滑存在差异（张喆等，2021）。

描述断层形成机制的安德森断层模式指出，断层的倾滑、走滑运动和应力方向与断层走向关系密切，当断层走向与主压应力方向低角度斜交时，以走滑运动为主；而当断层走向与主压应力方向交角增大时，则可能出现倾滑运动（Anderson，1951）。已有学者通过地表破裂调查、InSAR 及震源机制研究等获取了玛多Ms7.4 级地震地表破裂带整体走向为276°～285°（华俊等，2021；潘家伟等，2021；张喆等，2021），利用震源机制反演得到最大主压应力方向为240°（张建勇等，2022），符合安德森断层模式。而本次测量得到的野马滩观测点附近破裂带整体走向为300°，因此，初步推测由于破裂带走向发生变化，使野马滩观测点产生倾滑运动分量。

6 结论

2021 年5 月22 日玛多MS7.4 地震形成了长达160 km 的地震地表破裂带，发震断层以左旋运动为主，但在西段朗玛加合日段和野马滩段处分别具有张扭性质及压扭性质。通过无人机倾斜摄影测量可以获得高精度三维点云数据并用于破裂带变形定量分析。在2 个观测点获得了同震地表破裂的垂直位移、倾滑位移水平伸缩量。测量结果显示，野马滩观测点断层垂直位移为0.69～1.01 m，倾向水平缩短量为0.17～0.41 m，倾滑位移为0.71～1.09 m，基于安德森断层模式初步推测为破裂带走向发生变化，使该点产生倾滑运动；朗玛加合日观测点断层垂直位移为0.34～0.54 m，倾向水平拉张量为1.99～2.08 m，由于作为标识的地貌面倾向与破裂带整体走向斜交，垂直位移可能因走滑位移产生的垂直视位移而减小。

致谢 感谢审稿专家提出的宝贵修改意见，感谢编辑部的高效处理，感谢地震科考过程中李涛、苏鹏、郭鹏、孙浩越、哈广浩、袁兆德同志的帮助。