引言

随着现代高精度地貌测量技术与方法的发展，活动构造进入了定量研究阶段（邓起东等，2008），地震形成的地表破裂带和断错地貌是定量研究的基础。强震通常会在地表产生数公里至数百公里长的地表破裂和类型丰富的断错地貌（铁瑞等，2016）。其中，地表破裂能够指示发震构造的活动性质，而断错地貌能够记录同震位移等定量参数（高帅坡，2017；徐锡伟等，2018）。因此，震后地表破裂带的数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）和正射影像的快速获取，地表破裂精细化的研究、发震断层定量参数的提取，对分析发震断层性质、研究地震复发模式具有重要意义。

传统上基于航空平台和卫星遥感平台获取的影像数据（李云等，2011）分辨率低，难以识别地表破裂的精细结构，并且无法获得垂直位移，只能根据影像中的线性地貌标志物提取大尺度水平方向的断错位移（Zhou等，2015）。随着机载激光雷达（LiDAR）技术的发展，实现了大范围、高分辨率的地形地貌测量，从而获得更接近真实的地形资料（Oskin等，2012；Lin等，2013；刘静等，2013），但该方法成本高、专业性强，并且在测量过程中容易受到大气条件的影响，因此应用范围有限。

近年来出现一种结合运动重建模型（Structure from Motion，SfM）的小型无人机（sUAV，small Unmanned Aerial Vehicle）低空航测技术，并应用于获取DEM数据（Klinger等，2011）和微构造地貌解译（Johnson等，2014；孙稳等，2019）等多个研究领域。目前无人机摄影测量技术在地震应急中的应用研究主要集中于获取灾情信息，如灾区建筑物、道路的受损情况和滑坡监测等方面（荆帅军等，2019；李金香等，2019）。

本文以2021年5月22日青海玛多地震在黄河乡野马滩大桥南东侧产生的一段长约1 km的地表破裂带为例（图1），利用大疆Phantom 4 RTK无人机快速采集影像数据，基于集成SfM算法的PhotoScan软件平台生成高精度、高分辨率的DEM和正射影像，探讨无人机摄影测量技术在走滑断裂同震位移的提取和地表破裂精细结构解译方面的实际应用与应用前景。

图 1  2021年玛多M_S7.4地震区域地震构造图

Figure 1.  Regional seismotectonic map of 2021 Maduo M_S7.4 earthquake

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1.   区域构造背景

张培震等（2003）将中国大陆及其邻区划分为6个I级活动地块区，即：青藏地块区、西域地块区、南华地块区、滇缅地块区、华北地块区和东北亚地块区，其中青藏地块区由于受到印度板块和欧亚大陆板块的强烈挤压变形作用，是新构造时期以来构造活动最为强烈、区域隆升与逃逸最为显著的地块区之一。青藏地块区内部以大型走滑边界断层为界，细分为拉萨地块、羌塘地块、巴颜喀拉地块、柴达木地块、祁连地块、川滇地块6个Ⅱ级活动地块。

巴颜喀拉地块是青藏高原内部现今构造和地震活动极为强烈的次级地块，作为青藏高原地壳运动方向转变的枢纽地区之一，该地块以南地区主要表现为向东挤出，以北地区表现为挤压隆升（程佳等，2012），且周缘断裂带活动强烈。巴颜喀拉地块北部边界为东昆仑断裂带，东南边界为龙门山断裂带，西南边界由玛尔盖查卡-风火山-玉树-甘孜-鲜水河断裂带和阿尔金断裂带西段构成，它们是现今青藏高原大地震活动的强烈地带（Wang等，2008；邓起东等，2010，2014；闻学泽，2018）。近些年来，我国大陆地区7级以上强震都发生在巴颜喀拉地块周缘断裂上，其中不仅包括发生在昆仑山口断裂的2001年昆仑山口西8.1级地震（徐锡伟等，2002）和发生在东南边界龙门山断裂的2008年汶川8.0级地震等（张培震等，2008），还包括发生在巴颜喀拉东北角挤压与走滑变形带上的2017年九寨沟7.0级地震（姚鑫等，2017）。2010年青海玉树7.1级地震则发生在甘孜-玉树断裂上（陈立春等，2010）。

北京时间2021年5月22日2时4分，青海省果洛藏族自治州玛多县发生了M_S7.4地震，此次地震发生在青藏高原的中东部，震中位于巴颜喀拉地块内部，距地块北边界东昆仑断裂带约70 km，震中附近分布多条大规模的断裂带（图1），地震活动性较强（邓起东，2007）。震后不同研究机构和学者给出的震中位置、震级大小、震源参数显示此次地震震中位于玛多县黄河乡附近，矩震级介于7.2～7.4，震源深度为8～17 km，是由走向NW、倾角较大、以左旋走滑运动为主的带有正断分量的断裂活动所引发的地震事件（USGS，2021；中国地震局地球物理研究所，2021）。震后8 d的余震序列重定位研究结果显示余震呈北西西向的狭长条带状分布在玛多-甘德断裂、甘德南缘断裂之间。野外调查表明，地震在玛多-甘德断裂、甘德南缘断裂之间形成长约160 km的地表破裂带。已有研究表明（李智敏等，2021；潘家伟等，2021），玛多地震产生的地表破裂带主要由线性剪裂隙、斜列张裂隙和张剪裂隙、挤压鼓包、地震陷坑、喷砂冒水、砂土液化和重力滑坡等多种构造类型组合而成，同时由于断层两盘突发的快速错动在地貌上形成断错公路、断错水系、断错阶地等走滑型断错地貌，表现为显著的左旋走滑运动性质。这些类型丰富的地震地貌记录着发震断层的活动性质、地表破裂力学机制及同震位移等断层活动的重要信息（徐锡伟等，2018）。综合判断，此次地震发震断裂为巴颜喀拉块体内部的江错断裂，该断裂向西北延伸可与2001年东昆仑M_S8.1地震的发震断层昆仑山口断裂相接，表明昆仑山口-江错断裂带与北部东昆仑断裂带共同构成了巴颜喀拉地块北部的宽阔边缘断裂带，并与南部的玉树-甘孜-鲜水河断裂带、东南部的龙门山断裂带协同运动，共同协调着巴颜喀拉地块向东的运动和形变（潘家伟等，2021）。

2.   影像数据的获取与处理

2.1   影像数据的获取

地震发生后，应急管理部国家自然灾害防治研究院玛多地震科考队迅速开展野外调查工作，同时基于无人机摄影技术与集成SfM算法的PhotoScan软件，获取高分辨率的DSM数据、正射影像，进行断错位移提取和地表破裂精细结构研究。

本次使用的大疆Phantom 4 RTK无人机（图2（a））是一款面向低空摄影测量的小型多旋翼高精度航测无人机，具有体积小、质量轻、携带方便等特点。采用RTK（Real Time Kinematic，实时差分定位技术）为无人机提供厘米级定位，同时支持PPK（Post Processed Kinematic，后差分定位技术后）处理，使作业更加灵活高效。同时配备有效像素为2000万的1英寸CMOS影像传感器和8.8 mm焦距的广角镜头，可承受的最低工作环境温度为0 ℃，最大可承受10 m/s的风速，再加上障碍物感知系统，使该无人机能够满足高原、山地上的正常作业。

图 2  无人机系统及研究区地貌特征

Figure 2.  UAV system and geomorphic characteristics of the study area

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大疆Phantom 4 RTK无人机配备的遥控器最多可同时控制5台飞行器，最远控制距离可达7 km，采用OcuSync 2.0高清数字图传系统，可在2.4 G和5.8 G链路之间切换，传输过程稳定可靠。在RTK模式下通过内置 GS RTK APP可对航线、飞行高度、相机参数等进行规划设置，并且能实现自动起飞降落、自动完成飞行任务等，提升了野外地形地貌数据采集的效率，为室外长时间作业提供全面保障（图2（b））。

用户可选择网络RTK或自行架设基站，实现实时差分定位。Phantom 4 RTK无人机适配了D-RTK 2高精度GNSS移动站，如图2（c）所示。移动站正常工作时，水平误差为1 cm+1 ppm，垂直误差为1.5 cm+1 ppm (1 ppm指飞行器每移动1 km误差增加1 mm)，相比传统作业过程中的像控点布设，简化了作业流程，降低了时间成本，在震后的恶劣环境下，实现快速获取地表破裂带高精度、高分辨率的影像数据。

基于无人机摄影测量技术生成的DEM和正射影像的分辨率与照片重叠度、无人机飞行高度与航线、环境等条件有关（陆博迪等，2011）。此次采集的地表破裂带地处高原草甸地区，如图2（c）所示，因此现场提取的DSM数据基本相当于反映真实地形情况的DEM数据。经过野外地质调查，最终选取野马滩大桥南东侧一段展布较好的长约1 km的地表破裂进行摄影测量，位置如图1所示。调查区地形起伏不大，视野开阔，作业时天气晴朗，风速不大，在遥控器内置的GS RTK 软件应用2D摄影测量模式下，规划好航线，设置飞行高度为50 m、纵向重叠度为80 %，旁向重叠度为70 %，既保障飞行的安全性，又能确保最终的成像效果。

2.2   影像数据的处理

本文选取野马滩大桥南东侧一段展布较好，破裂现象丰富，断错地貌发育的地表破裂带进行摄影测量，共获取1100张摄影照片，覆盖面积为0.353 km²。利用集成SfM算法的PhotoScan软件，通过添加照片、加载相机位置、检查相机校准、对齐照片、优化相机对齐、构建密集点云、生成网格、构建纹理、构建DEM和构建正射影像等10个步骤完成数据处理，其中对齐照片、生成密集点云、生成网格参数设置直接决定了生成的DEM和正射影像的分辨率。

研究表明，在生成密集点云时需要耗费大量的时间，密集点云的质量越高，其生成的DEM分辨率越高，但是生成超高质量密集点云较生成高质量密集点云耗时增加80 %，而基于高质量密集点云生成的DEM的分辨率较超高质量密集点云生成的DEM的分辨率最大可降低50%，但分辨率也可达到厘米级，故从处理效率和分辨率两方面综合考虑选择生成高质量密集点云（刘超等，2021）。对齐照片和生成网格对计算机性能要求不高，因此处理过程迅速。为了处理得到厘米级高分辨率的DEM和正射影像，在对齐照片时，精度设置为高，直接对原始影像进行处理。在生成网格时，其对内存的要求低，选择高度场表面类型模式进行处理。

基于上述步骤和关键参数的设置，生成的分辨率为1.77 cm/pix的正射影像和DEM如图3所示。

图 3  影像数据处理生成的效果图

Figure 3.  Results of image data processing

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3.   地表破裂带定量参数提取与精细结构

利用大疆Phantom 4 RTK无人机航拍获得的照片经PhotoScan软件处理得到研究区厘米级高分辨率的DEM和正射影像，影像上清晰地显示出地表破裂细节特征，结合野外实地考察对研究区的地表破裂分布及断错地貌类型进行解译，进而提取同震位移，进行地表破裂精细结构研究（图3）。

3.1   位错量恢复测量

走滑断裂两侧的地块在水平运动过程中导致被断裂切过的第四纪地质体、地貌形迹与线性人工构筑物如山脊、冲沟、河流阶地、冲积扇、马路、车辙等发生水平错断，其位错距离即为断裂的水平位错量，这些特殊的地貌形态是野外识别同震位移的主要标志。野外调查发现，从国道G214通向黄河乡的县道X732及其东侧冲沟发生同步左旋位错，为获取此次地震同震位错提供了良好的线性标志。

县道X732基本沿直线展布位置如图4（a）所示，被多条次级小破裂左旋断错，经粗略测量可知公路被左旋断错形成的左旋位错量约50 cm，位置如图4（b）所示。为了提高测量的精度和准确度，本研究引入Zielke等（2010，2012）基于MATLAB语言开发的位移测量软件LaDiCaoz，已有研究表明该软件应用于冲沟、阶地、冰碛垄等准线性地貌体断错量的测量能取得较好的结果（康文君等，2020）。

图 4  公路左旋断错位移提取

Figure 4.  Extraction of left-lateral strike-slip displacement of highway

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在位错量测量时，以公路自然延伸的方向及西侧陡坎为断错标志(图4（a）中黑色虚线)，通过对比断层两侧公路的形态剖面(图4（a）中红色线段和蓝色线段)及横向和垂向恢复滑动，从而获取最佳匹配的位置，进而恢复原始地形，并最终确定水平方向和垂直方向的位错量。在位错量测量过程中，最重要的是确定断层的位置(图4（a）中浅蓝色线段)，并在断层两侧确定地形剖面的位置（图4（a））。通过恢复原始地形获取马路最佳左旋位错量0.35 m、最大左旋位错量0.5 m、最小左旋位错量0.2 m、最佳垂直位错量0.05 m，由此将马路的左旋位错量限定为(0.35±0.15) m，垂直位错量限定为0.05 m（图4（c））。

在县道东侧约300 m处还发现一处干涸冲沟，如图5（a）所示，地表破裂横穿冲沟如图5（c）所示，同样利用位移测量软件LaDiCaoz，以冲沟整体形态剖面为识别标志（图5（b），通过横向和纵向移动获取最佳匹配位置从而恢复原始地形，最终获得冲沟水平位错量为(0.3±0.1) m，垂直位错量为0.1 m，示意曲线如图5（d）所示。在测量冲沟位错量时不仅在操作过程中会造成测量误差，而且由于冲沟流水对错入沟道下游台地的冲刷侵蚀作用也会对测量结果产生影响。但研究地区雨、旱季分明，雨季常发生在7～9月，而此次地震发生于5月中下旬，且调查迅速，同时发现沟谷干涸，沟壁未见明显侵蚀迹象；本次野外调查中发现冲沟规模较小，对下游台地产生的侵蚀影响较小。因此，基于位移测量软件LaDiCaoz恢复得到的冲沟位错量是合理的。

图 5  冲沟左旋断错位移提取

Figure 5.  Extraction of left-lateral strike-slip displacement of gully

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结合野外调查和基于无人机影像生成的DEM测量得到的马路和冲沟左旋位移量可以限定此次地震在研究区产生的同震左旋位移为0.4 m，而0.05～0.1 m的垂直位移量基本符合地形起伏趋势，因此认为在此段基本没有垂直位移，主要表现为左旋走滑运动。该结果与李智敏等（2021）和潘家伟等（2021）的野外调查结果基本一致。

李智敏等（2021）根据冲沟、道路和拉张阶区裂隙宽度认为此次地震地表同震位移为1～2 m，同时，在本研究调查区域西侧一测量点测得的位错量为0.7～0.9 m，与本研究结果相差不大，从侧面反映本研究测量结果的可靠性。潘家伟等（2021）根据同震地表破裂带的走向变化和阶区特征将地表破裂带分为西段、中西段、中东段和东段，经测量，西段最大左行位移约为2.9 m，中西段位移普遍在1 m以上，最大位移约1.9 m，中东段左行走滑位移小于1 m，东段位移介于几十厘米至近2 m，最大位移为1.8 m。本研究调查区位于中西段东端，已有研究（Fossen，2010）表明，越接近地表破裂末端同震位移越小，此外，由于研究区地处湿地和沙丘，可能会造成部分能量的分散消减，这为本研究测得的位移明显小于最大位移提供了合理的解释。

3.2   同震破裂精细结构

地表破裂的几何展布和沿地表破裂发育的次级构造类型均能够表明地表破裂形成的力学机制，直接反映发震断裂的活动性质（Deng等，1986）。走滑断裂由于剪切作用可产生收缩及拉伸效应，其中收缩区一般产生逆转断层和褶皱，拉张区则形成正断层和地堑。在微观上表现为收缩变形区形成挤压鼓包，拉伸变形区形成拉张裂缝，同时，断裂的剪切作用也会产生合成剪切和共轭剪切。基于无人机摄影测量技术得到的高分辨率DEM和正射影像的应用，能够在宏观上清晰地反映活动断裂的几何形态与空间展布特征，也可对同震地表破裂的精细结构进行观测和研究。

野外调查和高分辨率影像解译发现，在长约1 km、宽约300 m的调查区域内地表破裂清晰展布，由一系列近东西向张剪裂缝雁列或羽列状组成，并在右阶不连续斜列阶区发育小规模挤压鼓包和走向N65°～80°E的剪裂缝，在左阶不连续斜列阶区发育走向N40°～50°E张裂缝等地表破裂现象，单个裂缝长度可达数米。右阶不连续阶区的挤压鼓包规模较小，可能与研究区土质疏松有关。例如，在县道X732左旋断错点东侧约200 m的一个观测点上如图6所示，可见若干条走向大致为90°E的剪切破裂左阶斜列排列，阶区内部发育着多条拉开状张裂缝，走向大致为N50°E，部分裂缝张开量可达数十厘米，组成典型的局部拉分构造区。

图 6  左旋左阶阶区张裂缝精细结构与形成机制

Figure 6.  The detailed structure and kinematic mechanism of tensioning fracture in sinistral left-stepping zone

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需要指出的是，地表宏观破裂带常常是由次级张裂缝、剪裂缝和张剪裂缝等基本破裂单元混合组成，这些次级破裂常呈羽列状排列。从高分辨率正射影像上可在冲沟处地表破裂带形迹中分辨出2组共轭剪切破裂，其中1组破裂的夹角与剪切方向的夹角为12° ～16°，应为R剪裂隙，即低角度里德尔裂隙；同时由于冲沟干涸，周围土质松散且含水量低（Wallace，1998），还形成1组与剪切方向夹角稍大的破裂，即高角度里德尔裂隙R′，上述结果反映了发震断裂的左旋走滑性质，共轭剪切破裂精细结构如图7所示。

图 7  左旋右阶阶区共轭剪切裂缝精细结构与形成机制

Figure 7.  The detailed structure and kinematic mechanism of conjugate shear cracks in the left-lateral right-stepping zone

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4.   结论与讨论

1）无人机摄影测量技术应用于地形地貌测量，具有成本低、操作简易、安全性高、数据获取速度快且处理效率高的特点。采集到的照片通过集成SfM算法的PhotoScan软件处理能够快速生成厘米级分辨率的DEM和正射影像，能够满足地震应急中同震地表破裂定量参数提取与精细结构研究的需求。

2）基于无人机摄影测量技术获取2021年玛多M_S7.4级地震在黄河乡野马滩大桥南东侧一段长约1 km的地表破裂的高精度、高分辨率DEM和正射影像，利用位移测量软件LaDiCaoz，根据断错公路和断错冲沟，限定此次地震在该段产生的同震左旋位移为0.4 m，而基本没有垂直位移，表明该段断裂表现为左旋走滑运动。该方法的应用有助于提高同震位移的测量精度，也证实了该方法在震后同震地表破裂调查中的可行性和科学性。

利用无人机航拍影像生成的高分辨率 DEM 和正射影像提取同震位移并进行地表破裂精细结构研究具有巨大潜力，但该技术目前还存在一定的局限性，如易受大风和多云等天气条件影响，同时受限于电池容量，不能进行长时间大范围的测量，难以去除植被覆盖的影响，不适用于植被覆盖好的地区。