孫鑫喆　唐聲權

1)中國地震局地質研究所，活動構造與火山重點實驗室、北京　100029　2)北京航天計量測試技術研究所、北京　100076

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光學遙感技術的發(fā)展及其在活動構造研究中的應用

孫鑫喆1)唐聲權2)

1)中國地震局地質研究所，活動構造與火山重點實驗室、北京1000292)北京航天計量測試技術研究所、北京100076

遙感技術自誕生以來對于我們從宏觀尺度上認識地質體帶來了極大的便利、特別是20世紀中葉以來、遙感平臺和傳感器的制造技術都取得了很大的進步、獲取了大量的全球范圍的遙感數(shù)據(jù)、質量也隨著傳感器的進步有了很大的提高。文中在簡要梳理遙感技術發(fā)展的過程中、詳細闡述了Landsat、SPOT、QuickBird等幾個對于活動構造解譯有著里程碑意義的衛(wèi)星和影像的參數(shù)、并系統(tǒng)回顧了光學影像解譯隨著分辨率發(fā)展而取得的進步；簡單介紹了當前最新的光學影像對比技術；此外還基于高分辨率衛(wèi)星影像進行的精細地貌填圖技術取得的成果、對遙感技術在未來活動構造研究中可能發(fā)揮的作用進行了展望。

活動構造光學遙感空間分辨率光學影像對比技術Landsat衛(wèi)星SPOT衛(wèi)星QuickBird衛(wèi)星

0　引言

活動構造是指晚更新世(距今10萬～12萬a)以來一直在活動、現(xiàn)在還在活動、未來一定時期內仍可能發(fā)生活動的各類構造、包括活動斷裂、活動褶皺、活動盆地及被它們所圍限的地殼和巖石圈塊體(鄧起東、1996)。構造地質學、特別是以活動斷裂、活動褶皺等大尺度的地質體為研究對象的活動構造、從宏觀上進行區(qū)域性研究是很有必要的。自20世紀中期開始的以原子能、電子計算機、空間技術廣泛應用為標志的第3次工業(yè)革命、出現(xiàn)了大量的新技術、其中依托空間平臺和電子計算機的遙感技術極大地方便了從宏觀上對活動構造進行研究。近年來隨著遙感技術的發(fā)展、傳感器種類不斷增加、從全色(黑白)、多光譜掃描成像到高光譜遙感、影像的空間分辨率也不斷提高、Worldview-3全色成像的空間分辨率已經達到了0.31m(http: //www.digitalglobe.com/about/our-constellation)、是目前衛(wèi)星遙感技術能獲取的最高空間分辨率。這些技術的進步為活動構造研究帶來了極大的便利。

1　遙感技術的發(fā)展

1858年10月23日由納達爾(Gaspard-Félix Tournachon)利用系留熱氣球平臺在巴黎近郊Petit-Bicêtre(現(xiàn)Petit-Clamart)拍攝的照片可以視為現(xiàn)代遙感技術的開端(http: //www.papainternational.org/history.asp、http: //commons.wikimedia.org/wiki/File: Hommage _Nadar_Petit-Clamart. JPG)、此后遙感技術的發(fā)展主要是平臺的變化、歷經了風箏(1882年、英國E. D. Archibald)、火箭(1897年、瑞典Alfred Nobel)、鴿子(1903年、巴伐利亞王國Julius Neubranner)、飛機(1909年、意大利)等階段的發(fā)展(http: //www.papainternational.org/history.asp)。

1957年10月4日、蘇聯(lián)成功發(fā)射了人類第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik-1號、使人類利用衛(wèi)星作為遙感平臺成為可能。1958年8月14日、Explorer 6 從太空傳回第1張人造衛(wèi)星影像(http: //grin. hq.nasa.gov/IMAGES/LARGE/GPN-2002-000200.jpg)(圖1)、正式開啟了遙感探測的新一頁。

值得一提的是美國在1959年2月28日開始發(fā)射的CORONA系列衛(wèi)星、這是世界上最早的軍事偵察衛(wèi)星、1960年8月18日成功獲取了第1景圖片。 該衛(wèi)星以膠片為存儲載體、以返回式衛(wèi)星為回收手段、從1960年到1972年拍攝了大量蘇聯(lián)和中國以及其周邊區(qū)域的高質量影像(Clausenetal.、2012)、分辨率從12.2m到1.8m不等(Dashoraetal.、2007)、這些資料已經于1995年2月28日解密、是一批很重要的早期遙感資料(圖2)。

圖1　Explorer 6 從太空傳回的第1張人造衛(wèi)星影像(http://grin.hq.nasa.gov/IMAGES/LARGE/GPN-2002-000200.jpg)Fig. 1　First picture from Explorer VI satellite.拍攝的是中太平洋地區(qū)上空的云

圖2　中國核試驗4d后拍攝的羅布泊爆炸原點(http:∥www.nro.gov/images/corona/highres/cor4h.jpg)Fig. 2　Chinese nuclear test site at Lop Nor、showing ground zero four days after the nuclear test.

1972年7月23日美國發(fā)射的陸地衛(wèi)星1號(ERTS-1、原名Earth Resources Technology Satellite 1、后改為Landsat-1)是第1顆專為遙感設計的資源衛(wèi)星、攜帶了返回光束攝像機(RVB、Return Beam Vidicon)和多光譜掃描儀(MMS、Multispectral Scanner)、地面分辨率均為80m(http: //landsat.usgs.gov/about_landsat1.php)。它的成功發(fā)射標志著人類正式進入了航天對地觀測時代。之后NASA又發(fā)射了一系列Landsat衛(wèi)星、依次為Landesat-2到Landesat-7。 2013年2月11日發(fā)射的Landsat-8是最新的1顆、攜帶的可操作陸地成像儀(OLI、Operational Land Imager)可以獲得最高15m分辨率的全色數(shù)據(jù)。

1986年2月22日、法國的SOPT1衛(wèi)星發(fā)射升空(http: //www.cnes.fr/web/CNES-en/1417-spot-1-to-5.php)、2d后成功傳回了第1張影像、其所攜帶的光學成像傳感器(HRV、High Resolution visible)可以獲得全色10m分辨率和多光譜20m分辨率的影像(馮鐘葵等、1999)；此后又陸續(xù)發(fā)射了SPOT 2到SPOT5、最新1顆衛(wèi)星SPOT 6已經在2012年9月9日成功發(fā)射、可以獲取全色分辨率1.5m、多光譜6m的數(shù)據(jù)(http:∥www.astrium-geo.com/cn/4508-spot-6-7-register-for-demo-data)。

最近中國的高分辨率對地觀測系統(tǒng)重大專項也取得了重大進展、2013年4月26日發(fā)射成功的高分一號衛(wèi)星(http: ∥www.cnsa.gov.cn/n1081/n7634/n516721/n516736/527260.html)、已經達到了全色2m、多光譜8m的分辨率(http: ∥www.cnsa.gov.cn/n1081/n7529/n308593/547353.html)；高分二號衛(wèi)星也已于2014年8月19日發(fā)射、可使我們自主獲取全色1m、多光譜4m的高分辨率衛(wèi)星影像(http: ∥news.xinhuanet.com/2014-08/19/c_1112143334.htm#)。

此外還有日本的ALOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)(2.5m全色)、印度的P5衛(wèi)星數(shù)據(jù)(2.5m全色)等、質量和SPOT系列衛(wèi)星數(shù)據(jù)相似；美國的IKONOS、OrbView(1m全色)、QuickBird(0.61m全色)、Worldview(0.46m全色)數(shù)據(jù)質量和Geoeye相似。2014年8月13日發(fā)射升空的Worldview-3衛(wèi)星的分辨率可以達到0.31m(http: ∥www.digitalglobe.com/about/ourconstellation)、能夠獲得目前分辨率最高的民用光學遙感數(shù)據(jù)、而美國軍用的KH-12衛(wèi)星的高分辨率遙感影像早在20世紀90年代就已經達到了0.1m(http:∥www.space.cetin.net.cn/docs/ht0009/ht000911.htm)。

2　在活動構造研究中的應用

傳統(tǒng)的遙感影像解譯側重于自動分類獲得研究區(qū)域的地物信息、這在農業(yè)、水利等領域有著較好的應用；但在地質領域由于研究對象相對復雜、目前做到完全自動識別還有困難、所以還是以人工目視解譯為主、計算機自動識別為輔?；顒訕嬙斓难芯繉ο罂臻g尺度大、是最新的構造活動形成的現(xiàn)象、而遙感技術觀測范圍大、可以迅速、連續(xù)、重復地觀測同一地區(qū)、能夠方便地獲取不易到達的地區(qū)的信息、這些特點極大地方便了活動構造研究的信息獲取。

近年來、隨著計算機技術和衛(wèi)星傳感器技術的發(fā)展、所獲得的遙感影像的分辨率大幅度提升、處理的技術也日益多樣、最早將遙感影像解譯技術大范圍應用在活動構造研究的例子是Molnar等(1975)利用分辨率為80m的陸地衛(wèi)星(Landsat)影像、結合已經發(fā)表的亞洲地區(qū)活動構造和地震的文獻資料、初步繪制了亞洲大地構造圖(圖3)；由于當時的影像分辨率低、只能對一些大尺度的活動斷層、活動褶皺進行研究。

1976年唐山地震后、中國科學院地理研究所首次利用陸地衛(wèi)星80m分辨率的多光譜圖像完成了《京津唐渤張地區(qū)斷裂構造骨架圖》、為活動構造研究提供了新方法、新途徑。

圖3　亞洲大地構造圖(Molnar et al、1975)Fig. 3　Preliminary map of recent tectonics in Asia(after Molnar et al、1975).1975年Molnar等利用美國陸地衛(wèi)星影像編制、由于影像分辨率較低、僅能識別最明顯的斷裂構造以及一些褶皺變形

1986年發(fā)射的SPOT-1、使衛(wèi)星影像的分辨率達到10m、并且在影像重疊的地方可以獲得立體像對、生成DEM。 Michel 等(2002)利用震前震后的影像對比、亞像元匹配技術、獲得了1999年8月17日發(fā)生在土耳其的伊茲米特MS7.4地震的部分同震位移分布(圖4)、從圖中可以看出、他們利用2景震前的SPOT-1影像和與之對應的2景震后的SPOT-2影像覆蓋了約70km長的同震地表破裂、研究區(qū)域內的平均位移為 (3.5±0.2)m。 Dominguez等(2003)也用同樣類型的數(shù)據(jù)對1999年9月21日發(fā)生在臺灣的集集MW7.6地震進行了類似的工作、獲得了集集地震的地表破裂分布和同震右旋水平位移分布(Dominguezetal.、2003)(圖5)。

圖4　利用SPOT影像獲得的1999年土耳其伊茲米特(Izmit)地震(MS7.4)同震位移分布(Michel et al.、2002)Fig. 4　Slip distribution acquired by SPOT image correlation of the 1999 Izmit earthquake(MS7.4)、Turkey(after Michel et al.、2002).縱坐標表示位移、單位為m；橫坐標表示沿斷層走向的距離、單位為km；灰色五角星指示震中位置；灰色點是利用分別在1999年7月22日獲取的SPOT-1(震前)和1999年8月31日獲取的SPOT-2(震后)影像對比得到的位移值；黑色點是利用1998年7月27日(震前)和1999年9月16日(震后)獲取的SPOT-2影像對比得到的位移值、并給出了估計的誤差范圍；Sapanca湖區(qū)域沒有數(shù)據(jù)、是根據(jù)兩側結果進行插值得到的、所以估計誤差較大；其余彩色點(藍、紅、綠)是由不同的人員和單位實地調查獲得的位移值、可以和影像對比的結果進行比較

圖5　1999年集集地震(MW7.6)的同震地表破裂和位移分布(Dominguez et al.，2003)Fig. 5　Co-seismic surface rupture distribution and slip distribution along the rupture acquired by SPOT image correlation of the 1999 Chichi earthquake(MW7.6)(after Dominguez et al.、2003).a 灰線是從SPOT影像生成的位移場中提取的地表破裂、黑線是野外調查得到的地表破裂分布情況; b 左右2圖分別為SN向和EW向位移分量、橫坐標為位移量(m)、每個值均由其所在位置1km范圍內測量的位移結果堆疊而成、精度接近0.5m

圖6　利用亞像元匹配技術獲得的伊朗巴姆地震的位移分布情況(Binet et al., 2005)Fig. 6　Horizontal coseismic deformation of the 2003 Bam(Iran)earthquake measured from SPOT-5 THR satellite imagery using sub-pixel correlation(after Binet et al., 2005)a 原始的SPOT影像、黃線指示隱伏斷層變形帶的位置、橙色箭頭指示巴姆斷層的位置；b EW向變形分量分布； c SN向變形量分布、變形量的大小參考右側色標、單位是像元(SPOT5為2.5m、0.33個像元的變形量約為0.82m、顏色越接近色標的端部說明變形量越大)

2002年5月3日發(fā)射升空的SPOT 5衛(wèi)星把影像的分辨率進一步提高到了2.5m、這使得一些更小幅度的變化能夠被觀測到、在2003年12月26日發(fā)生在伊朗的巴姆MW6.5地震的研究中SOPT 5的2.5m分辨率第1次發(fā)揮了作用。 Binet 等(2005)利用亞像元匹配技術獲得了 (1.2±0.15)m的最大位移和 (0.77±0.05)m的平均位移、由于獲得了該地震區(qū)域的同震位移場、此次地震寬達500m的剪切變形帶也被完整識別、發(fā)生同震錯動的盲斷層位置也得以確認、修正了之前實地調查得到的0.2m的位錯量。

在2010年4月14日發(fā)生青海玉樹MS7.1地震后、石峰等(2010)利用2.5m分辨率的SPOT影像、通過目視解譯同震地表破裂、受到同震位移小、影像分辨率不夠高等限制、僅解譯出了12km長的地表破裂帶、與實地調查獲得的總長65km的地表破裂帶的結果相比還有較大差距(孫鑫喆等、2012)、這說明目視解譯是具有局限性的。

1999年9月24日成功發(fā)射的IKONOS衛(wèi)星將最高的星下分辨率提高到了0.82m、而2001年10月18日成功發(fā)射的QuickBird衛(wèi)星則將分辨率進一步提高到了0.41m(位于300km的軌道最低點)、這使我們獲得更詳細的地表信息成為可能。Klinger等(2005)就利用這些衛(wèi)星影像(IKONOS、QuickBird)研究了2001年11月14日的昆侖山口西地震、獲得了寶貴的同震位移資料。

2001年昆侖山地震、震級高達MS8.1、MW7.8、沿斷層形成了450km的同震地表破裂帶。 由于斷層所在位置海拔高、氣候惡劣、很難對如此壯觀的現(xiàn)象開展系統(tǒng)的工作、而且在有限的工作中、對于同一地點的位移量也存在很多爭議。 Klinger等(2005)利用高分辨率衛(wèi)星影像(分辨率<0.6m的QuickBird影像和分辨率<1m的Ikonos影像)對地表破裂及附近區(qū)域進行了大比例尺填圖工作、以及部分地區(qū)的實地調查驗證。由于部分區(qū)域受到積雪覆蓋、對影像的解譯效果產生了一定的影響、但大部分區(qū)域還是得到了比較好的結果、特別是地表破裂樣式復雜的庫賽湖段和太陽湖段、通過詳細的填圖、獲得了83個可靠的位移數(shù)據(jù)。通過對沿斷裂帶的走滑位移分布進行分析、結果表明走滑位移量的分布呈波狀起伏、在破裂的中段庫賽湖段長達70km的破裂結構最為復雜、有2條平行的斷層展布、北側1條表現(xiàn)為正斷層、南側1條以水平走滑位移為主。利用前所未有的高分辨率衛(wèi)星影像、系統(tǒng)地對庫賽湖段的位移分布進行了詳細的研究。從整個研究區(qū)域100km長度范圍內獲得的239個位移值中挑選出了83個最可靠的同震位移量、取最大的不確定范圍1m作為誤差范圍、得到同震位移分布、并且和合成孔徑雷達干涉測量結果、實地調查資料相對比、發(fā)現(xiàn)存在相同的變化趨勢、從不同角度證明了遙感解譯結果的準確性。

圖7　2001年昆侖山口西地震地表破裂中段的同震位移分布(Klinger et al.、2005)Fig. 7　Horizontal slip distribution with 83 positioned offset measurements along the central part of the Kokoxili earthquake rupture derived from high resolution satellite images(after Klinger et al.、2005)橫坐標為經度、單位為度；縱坐標為左旋位移、單位為m；黑色圓點為利用影像測量得到的83個位移；兩側的灰色條帶給出了1m的誤差范圍；黑色曲線為InSAR結果；柱狀條為野外調查結果；斜條紋區(qū)域為庫塞湖水域

除了同震變化的信息、利用高分辨率衛(wèi)星影像提供的大量地貌細節(jié)信息還可以獲得大量歷史地震甚至是古地震的信息、從而獲得更多關于斷層長期活動行為的信息。 Klinger等(2011)利用QuickBird衛(wèi)星影像(分辨率0.6m)對1931年8月11日發(fā)生了MW7.9地震的新疆富蘊斷裂進行了詳細的填圖、畫出了同震破裂、并沿斷層帶找到了569個水平位移、通過統(tǒng)計這些位移量的情況、除了恢復至少5次比較可信的古地震事件外、而且發(fā)現(xiàn)富蘊斷裂是以6m左右的特征位移作為長期活動的特征的。

圖8　利用高分辨率衛(wèi)星影像解譯重建6次古地震滑動(Klinger et al.、2011)Fig. 8　Successive reconstructions of offset channels at Fuyun Fault(after Klinger et al.、2011).白色箭頭指示坡向；紅線表示斷層位置；斷層兩側的沖溝用黃線標出、并分別用數(shù)字和字母編號、每次位移恢復均由1條主要沖溝(用黑色大圈和加粗黃線表示)和若干次級沖溝(用黑色小圈表示)對應；沿插圖下方箭頭的方向依次回溯獲得了6次古地震滑動位移，位移量分別是5.6m、12.1m、18.3m、24.7m、30.56m 和 35.2m

從以上幾個具有里程碑意義的典型例子可以看出、隨著光學遙感技術的不斷進步、影像分辨率的不斷提高(Worldview-3的分辨率達到了0.3m)、以及圖像處理技術的發(fā)展(亞像元匹配技術)、現(xiàn)階段光學遙感在活動構造研究中的應用已經進入到精細填圖和定量研究的新階段、利用這些新技術獲得的成果是早期定性目視判讀低分辨率影像難以得到的。利用高分辨率的影像可以更方便地獲得地貌的細節(jié)信息、比如小沖溝、小的階地坎、斷層坎等地貌標志、利用這些信息可以更加詳細地確定活動構造的活動性參數(shù)；亞像元匹配和光學影像對比技術則能在已有影像分辨率的基礎上進一步得到更精細的同震位移信息、這也為我們獲得同震位移分布提供了另一種方法。

3　結論與討論

近年來隨著遙感技術的發(fā)展、影像獲取的分辨率不斷提高、從陸地衛(wèi)星(landsat)的80m到現(xiàn)在Worldview-3的0.3m、研究對象的精細程度也在不斷提高、從最開始的版塊邊界斷裂到現(xiàn)在可以研究單次地震的地表破裂、影像的分辨率已經不再是活動斷裂研究的主要制約因素。 隨著影像分辨率的不斷提升、我們對活動構造的研究程度也在不斷加深、主要可以分為3個階段：

(1) Landsat時代、從1972年到1986年。 在這之前的遙感影像極少能用于民用目的、Landsat的成功發(fā)射標志著人類正式進入航天對地觀測時代、從這以后人們可以利用衛(wèi)星方便地獲取大范圍的影像數(shù)據(jù)、進行區(qū)域的系統(tǒng)的研究；但由于影像分辨率較低、基本為10～100m、且基本是平面數(shù)據(jù)、只有局部重疊能夠生成立體像對、只能對一些板塊邊界級別的活動構造進行粗略的研究。

(2) SPOT時代。 從1986年到1999年、SPOT衛(wèi)星采用了推掃式的掃描方式、首次將影像分辨率提高到了10m以內。 對于一些形成了數(shù)米同震變形的7級以上的大地震、再利用亞像元匹配技術可以獲得單個斷層的同震位移分布、將研究對象從板塊尺度提高到了單條斷層；同時由于SPOT影像重疊率高、可以生成立體像對、方便地獲取DEM進行構造地貌的研究。

(3) 高分辨率時代。 進入21世紀之后、分辨率優(yōu)于1m的衛(wèi)星影像大量出現(xiàn)、利用這些高分辨率數(shù)據(jù)可以對一些微地貌進行精細填圖、從而獲得更詳細的活動構造的活動參數(shù)和地貌信息、對于一些震級較小、同震位移量不大的地震也可以開展多種研究工作、如地表破裂精細填圖、微地貌填圖、同震位移分布、累積位移分布研究等。

新的數(shù)據(jù)處理方法為我們提供了更加豐富的地質體信息。 雖然高分辨率的衛(wèi)星影像可以提供更多的細節(jié)信息、使得詳細的填圖成為可能、但利用數(shù)據(jù)處理的方法如光學影像對比技術我們則可以進一步獲取同震位移場、這對于研究同震破裂機制(Klingeretal.、2006)、甚至隱伏斷層的探測(Binetetal.、2005)都有很大意義；利用不同的傳感器獲取的地貌信息也可以間接地推斷隱伏構造的活動情況(陳杰等、2008)；在接下來的工作中尤其要注意利用這些技術進一步挖掘蘊藏在遙感影像中的豐富信息、與構造地質學的研究方法相結合、獲得更好的研究成果。

在本文撰寫過程中與鄧起東院士進行了大量有益的討論、在此表示感謝！

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Abstract

Remote sensing technology has brought great convenience to our understanding of the macroscopic geological features since its inception. Especially, great progress has been made in manufacturing techniques of remote sensing platforms and sensors since the mid 20th century, and a huge number of global remote sensing data have been acquired. The quality of the data has been greatly improved based on the sensor’s development. This article briefly reviews the processes of development of the remote sensing technology, elaborates on several satellites’ parameters which have important significance for active tectonics interpretation, such as Landsat, SPOT, QuickBird, etc., and systematically reviews the progress in optical image interpretation made with the improvement of image resolution. The paper also briefly introduces the latest optical imaging correlation techniques, the detailed geomorphological mapping techniques based high-resolution satellite images, and the perspective of application of the remote sensing technology to active tectonics research.

THE DEVELOPMENT OF OPTICAL REMOTE SENSING TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION TO THE ACTIVE TECTONICS RESEARCH

SUN Xin-zhe1)TANG Sheng-quan2)

1)KeyLabofActiveTectonics&Volcano、InstituteofGeology、ChinaEarthquakeAdministration，Beijing100029、China2)BeijingAerospaceInstituteforMetrologyandMeasurementTechnology、Beijing100076、China

active tectonics、optical remote sensing、spatial resolution、optical imaging correlation、Landsat、SPOT、QuickBird

10.3969/j.issn.0253-4967.2016.01.016

2015-01-12收稿、2015-05-22改回。

國家自然科學基金重大研究計劃項目(91214201)與中國地震局地質研究所基本科研業(yè)務專項(IGCEA1303)共同資助。

P315.2

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0253-4967(2016)01-0211-10

孫鑫喆、男、1984年生、2008年畢業(yè)于中國地質大學地質學專業(yè)、現(xiàn)為中國地震局地質研究所在讀博士研究生、主要研究方向為活動構造、E-mail: sunxinzhe1023@126.com。