0 引言

在活动构造研究中，各类第四纪地貌面(阶地、洪积扇等)往往作为构造变形的记录器，获取断层附近地貌的变形数据，是确定断层性质、位错量、活动速率、发震机理的重要基础(潘家伟等，2007；Hilley et al，2010)。随着活动构造学不断向定量化、精细化方向发展，如何精准地获取地貌面变形数据已成为推动活动构造学研究取得长足进步的重要突破口，从早期的皮尺、全站仪、高分辨率的航、卫片解译，到近些年来较为流行的差分GPS、机载LIDAR等测量技术的应用，为活动构造定量化研究提供了可靠的数据。

传统测量方法(皮尺、全站仪、航、卫片、差分GPS)存在自然条件限制、人工消耗大、效率低、分辨率差等缺点，已不能完全满足工作需要；虽然LIDAR技术也可以获取高精度地形数据，但其设备成本高昂，且比较笨重，开展野外工作易受地形条件制约(魏占玉等，2015；王朋涛等，2016；杨海波等，2016)。无人机摄影技术可以通过简易测量平台获取照片，利用高效的图像特征匹配算法，从多视角照片中提取研究区内高精度的地形数据，从而提高获取数据的效率，大幅降低工作成本，为活动构造的研究提供强大的技术支撑。目前，无人机摄影技术已广泛应用于活动构造研究中。魏占玉等(2015)首次利用SFM技术对北天山独山子背斜区进行高精度数据采集。杨海波等(2016)利用无人机对佛洞庙红崖子活动断裂在祁连山北缘的断层陡坎进行数据提取，得到洪水坝河东岸断裂最新一次的构造活动垂直位移量在1m左右。高帅坡(2017)对巴里坤盆地南缘冲洪积扇面进行构造信息提取，明确了冲积扇面在发育过程中经历了2.5m的垂直变形量。

经过前期的填图工作，已基本掌握博-阿断裂在吐鲁番盆地西南山前的几何分布和活动规律，但仍存在一些仅通过一般的地质调查和影像解译难以解决的问题，如受外力作用的影响，部分断错地貌破坏严重，导致对一些构造现象认识不清，难以准确地获取相应的活动参数，但这些数据是进行地震危险性分析以及研究其相应构造意义的基础。因此，本文以博-阿断裂乌苏通沟段为研究对象，针对填图中遇到的问题，以走滑构造环境下的地貌为研究案例，利用小型无人机对研究区进行航空摄影，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，为断裂的科学研究以及防震减灾的实际应用提供更为可靠的数据基础。

1 研究区概况

博-阿断裂是斜切天山的大型右旋走滑活动断裂带，从哈萨克斯坦境内阿拉湖西南岸穿过阿拉山口进入中国，向SE向延伸，最后终止于鄯善以南的觉罗塔格山(杨晓平等，2000)。本文研究区位于吐鲁番盆地西南缘，断裂主要展布于山前的冲洪积扇上，通过前期的野外地质调查，发现了大量断裂活动的证据，如冲沟右旋错动、断错洪积扇、挤压隆起等构造地貌，这表明该段断裂自晚第四纪以来经历了强烈的构造活动。

本文研究区位于乌苏通沟一带(图 1)，断裂在这一地区横跨多期冲洪积扇，在地表形成了多条断层陡坎，由于频繁的水流侵蚀以及人为因素的影响，部分构造地貌保留极不完整，导致对一些构造现象认识不清，很难确定断裂准确的位错量。因此，笔者在总结前期工作的基础上，选取乌苏通沟东岸的研究区域，开展针对性的无人机摄影工作。此外，乌苏通沟一带地形相对平坦，气候干旱，地表几乎没有植被覆盖，是无人机进行数据采集的理想场所。

2 数据采集及处理 2.1 基本原理

摄影测量的基本原理是根据2张像片上同名像点的坐标，求出它们对应的三维空间坐标。目前流行的无人机航空摄影测量技术一般基于SFM(Structure from Motion)算法，利用二维图像恢复三维场景信息，由无序的图像数据集生成三维模型，其优点在于仅需要从不同角度拍摄的目标物体的照片就可以快速获取高精度的地形地貌数据，对相机拍摄位置、图像尺度及拍摄距离没有严格要求，因此，基于简单的飞行平台(如无人机、氦气球等)就可以实现目标数据的获取，甚至是在地面利用手持相机拍摄的方式采集多张具有较高重叠度的照片就可以得到高质量的地形数据，极大地方便了没有相关专业知识的使用者(James et al，2014；毕海芸等，2017)。

2.2 数据采集

采用搭载Zenmuse X3云台(像素1276万)的微型无人机对乌苏通沟东岸发育断层陡坎的冲洪积扇进行图像采集。为实现数据从图像空间坐标系转换为现实空间坐标系，预先在研究区布设了10个地面控制点，并用差分GPS获取其坐标信息；作业过程中无人机的飞行高度控制在80m左右，相邻照片间的重叠率达75%以上；云台对地面垂直摄影，无人机飞行航向与断层方向平行，确保目标陡坎位于飞行区域的中央；为提高构造地貌信息的辨识度，在数据采集过程中，将陡坎部位照片覆盖率提高到9个以上；在整个拍摄期间，阳光强度均匀，照片没有明显的阴影变化，共拍摄有效航片276张，覆盖面积0.448km²。

2.3 数据处理

数据的处理过程一般分为5步：①导入并对齐照片，剔除色彩异常的照片；②匹配相片特征，恢复相机的相对位置，生成稀疏点云数据；③依据上一步解算出的相机位置和姿态，重构整个场景的三维景观，生成密集点云数据；④输入地面控制点，实现从图像空间坐标到实际空间坐标系的转换；⑤生成带有地理坐标信息的正射影像和DEM数字高程模型(Johnson et al，2014；魏占玉等，2015；杨海波等，2016)。每一步处理均包括高、中、低3种精度的处理方式，为保证数据精度，每一步均选取高精度的处理方式。

图 2为最终生成的DOM和DEM数据图，生成点云171331个，正射影像分辨率达3.84cm/pix，DEM分辨率达0.15m，此数据精度和分辨率完全可以表现出冲积扇面真实地貌特征，能够满足在冲洪积扇面上获取断裂构造参数的要求。

3 地貌面构造信息获取 3.1 水平位错量提取

通常而言，获取断裂的走滑位移量，主要依赖横跨断裂的标志物，其中，冲沟对于走滑断裂的新活动反应最为灵敏，当断裂发生左旋或右旋位移时，横穿断裂的各冲沟必然会沿断裂发生错动(邓起东等，1990)。但在自然状况下，即使没有断裂活动的区域，冲沟的弯转也是正常现象。因此，在量取冲沟的位错量时，要遵守2点：①冲沟的弯曲一定是沿断裂发生；②要有多条横跨断裂的冲沟发生同步位错，并且在断裂两侧能一一对应，以确保冲沟的位错是断裂活动形成的。

基于以上原则和前期生成的高精度地形数据，开展相应的构造信息提取工作。由于陡坎展布于活跃的冲洪积扇面上，受断层活动和不同时期水系的侵蚀作用，非构造地貌和残余构造地貌相互交织，研究区内微地貌十分复杂，仅通过影像解译很可能得出与实际地貌不符或遗漏部分标志性地貌现象。我们对生成的DEM数据进行山体阴影处理，去除色彩的干扰，增强扇体表面形态的可视化程度，重点突出包含有重要构造信息的地貌，如扇体表面冲沟的变化、陡坎形态展布(图 3(a))。

获取生成的DEM数据具有较高分辨率，断层的几何形态及断层附近一些微小的地貌特征均清晰可见。由于后期水流的横向侵蚀作用，研究区内绝大部分冲沟的右旋位错特征未被保存。仔细观察沿断层陡坎两侧冲沟流向的变化，发现有4条相邻的冲沟在穿过陡坎时发生同步右旋位错，为了显示得更加清楚，将发生位错区域内的数据进行放大观察(图 3(b))，发现每条冲沟在断裂两侧均一一对应，结合野外实地考察的结果，确定这4条冲沟的位错是由断层活动形成的。对这4条发生明显位错的冲沟进行测量时，以冲沟流水线切线与断裂交点之间的距离作为冲沟的水平位移量，虽然这4条冲沟均位于同一期冲洪积扇上，但测量结果表明这4条冲沟右旋位错量均不一致，分别为19.7、27.5、31.1、19.3m，冲沟1、4的位错量大致在20m左右，冲沟2、3的位错达30m左右。

笔者认为产生这种差异的主要原因在于这4条冲沟的形成时间不一致。一般而言，走滑运动会使走滑开始之前形成的地质体发生断错和位移，由于断裂活动并非一蹴而就，而是具有多期次活动的特点，形成时间越早的冲沟所积累位移量也越大(马建等，2019)。在研究区内，冲沟2、3的长度及深度均大于冲沟1、4，这说明它们形成时代也较早，因此所积累的位移量也就越大。

3.2 垂直位错量提取

研究区内断裂不仅具有显著的右旋走滑特征，同时也具有一定的倾滑分量，在地表形成醒目的反向陡坎地貌。目前主要通过差分GPS徒步测量来获取断裂的垂直位移量，虽然该方法的精度较高，但测量位置的选取主要依赖个人的主观判断，而野外实际情况相对复杂，由于个人视野的局限，难免造成测量数据不能反映断裂的实际位错量的现象，高精度DEM数据则可以有效地避免这一问题。分别使用野外获取的差分GPS数据和DEM数据对研究内的同一条剖面进行测量，其结果表明两者的结果仅相差0.14m(图 4)，这表明DEM数据的处理结果能够满足本次工作的需要，在选取测量位置时，可以依据高精度的地形数据对研究区内的地貌特征进行分析，对构造地貌和非构造地貌加以区别，使得测量的数据最终能突出构造因素的影响。此外，在获取陡坎高程信息时，剖面线要有一定的长度，能够反映出断层陡坎两侧地貌的趋势性变化。

我们选取了5条与陡坎走向近于垂直的剖面，利用DEM数据直接进行陡坎高度提取，结果表明陡坎的高度基本在0.6~1.3m之间，其中，P₁、P₂剖面的高度在0.7m左右，其余3个剖面的高度在1m左右(图 5)。笔者认为这主要是陡坎形成之后由于水系的侵蚀程度存在差异造成的。断裂在地表形成反向陡坎，局部区域阻塞了来自上游的水系，但水流并未漫过陡坎，而是顺着陡坎方向流动一定距离后汇入较大的冲沟，使得陡坎上游的地貌侵蚀加剧，导致现存的陡坎高度并非全部由断裂活动形成，还包括一定量的水流侵蚀作用，在一定程度上放大了断层的垂直高度。从图 6(a)中也可以看出，P₃、P₄、P₅剖面线沿陡坎两侧的冲洪积扇面存在显著的差异，陡坎北侧原始地貌保存较好，陡坎南侧的冲洪积扇面明显受到后期水系的侵蚀，降低了冲洪积扇面的原始高度，因此，这3条剖面的测量结果不能反映断裂真实的位错量。而P₁、P₂剖面线所在位置的陡坎两侧无较大差异(图 6(b))，原始地貌保留基本一致，因此，我们认为P₁、P₂的陡坎高度更能代表断裂的实际垂直位错量。

4 结论

无人机摄影技术是一种快速、高效、经济的测量方法，可为活动构造研究提供高精度的地形数据，在微构造信息提取中十分有效。

利用无人机获取的高精度地形数据，获得了乌苏通沟东岸冲洪积扇上断裂19.3~31.1m的水平位错，并且分析产生这种差异的原因是4条冲沟的形成时间不一致，形成时间越早的冲沟所积累的位错量也越大。

通过DEM数据获取了5条陡坎剖面，对比陡坎两侧的地貌变化，认为P₃、P₄、P₅剖面线所获取的陡坎高度，在一定程度上放大了断裂的垂直位错，而P₁、P₂剖面所获取的陡坎高度(0.7m)更能代表断裂的实际垂直位错。