CN103698818A - 一种基于三维遥感判释技术的正断层产状要素量测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维遥感判释技术的正断层产状要素量测方法，该方法包括以下步骤：获取工程区遥感影像数据、数字高程数据及地质资料；构建三维遥感判释空间场景；建立判释标志提取断层信息；从断层信息中筛选正断层；提取正断层理想断层面上特征点；通过空间计算得到正断层产状要素。本发明的效果是能够准确量测正断层产状要素，全局性强，可靠性高，可为工程设计和建设提供准确的科学依据，提高工程的安全性。

Description

一种基于三维遥感判释技术的正断层产状要素量测方法

技术领域

本发明涉及一种工程地质勘察技术，特别是涉及一种基于三维遥感判释技术的正断层产状要素量测方法。

背景技术

在地壳运动中，岩体受力发生断裂，断裂两盘沿断裂面有明显的剪切滑动和位移，称为断层。其中上盘相对向下位移的断层称为正断层。断层对铁路、公路、电力、水利、大型厂房等工程建设的安全有很大影响，尤其是受水平张应力或重力作用而形成的正断层，工程地质条件更差。因此，查明正断层的位置、产状要素（走向、倾向和倾角）等形态特征，已成为长大线路工程地质勘察的重要内容之一。

正断层产状要素的量测，早期的方法是通过现场量测局部露头产状信息，通过大量地质点的量测后，展绘到地形图上再进行产状要素计算。这种方法存在容易出错、计算困难和全局性差等问题，而且当正断层产状只在分水岭上出露时，现场量测是很困难的。近些年，随着遥感探测技术的发展，出现了基于遥感图像处理和目视解译相结合的二维遥感判释方法，用于正断层的勘察。但是，这种方法只能对正断层进行定性的判释，无法对正断层产状要素进行定量分析，很难达到工程建设安全和灾害治理的要求。

发明内容

针对现有技术进行正断层产状要素量测中存在的问题，本发明推出一种基于三维遥感判释技术的正断层产状要素量测方法，其目的在于，利用获取的工程区遥感影像和数字高程数据构建三维遥感判释空间场景，进行断层的判释和正断层的筛选，提取理想断层面上的特征点，通过空间量测和计算得到正断层产状要素，用于工程方案的比选、优化和灾害防治。

本发明涉及的一种基于三维遥感判释技术的正断层产状要素量测方法，技术步骤包括：获取工程区遥感影像数据、数字高程数据及地质资料，构建三维遥感判释空间场景，建立判释标志提取断层信息，从断层信息中筛选正断层，提取正断层理想断层面上特征点，通过空间计算得到正断层产状要素。具体方法如下：

获取工程区遥感影像数据、数字高程数据及地质资料S1：获取工程区成像分辨率高于3m的遥感影像数据、高精度数字高程数据及地质图等地质资料；

构建三维遥感判释空间场景S2：对获取的遥感影像进行处理，利用获取的数字高程数据建立数字高程模型，对数字高程模型和处理后的遥感影像进行严格配准和三维渲染处理，构建三维遥感判释空间场景；

建立判释标志提取断层信息S3：基于三维遥感判释空间场景，建立断层判释标志，提取区域断层信息；

从断层信息中筛选正断层S4：基于三维遥感判释空间场景，沿提取的断层沿线寻找断层陡崖、断层三角面等地形地貌特征，从断层信息中筛选出正断层；

提取正断层理想断层面上特征点S5：选取正断层理想断层面，提取理想断层面上不同高度、不同位置、不在同一直线上，能够反映理想断层面形态特征的三个特征点；

通过空间计算得到正断层产状要素S6：基于三维遥感判释空间场景，获取三个特征点的坐标和高程信息，通过空间量测和计算获取正断层走向、倾向、倾角信息，得到正断层的产状要素。

本发明具有的优点和积极效果是：

本发明能够准确量测正断层产状要素，全局性强，可靠性高，可为工程设计和建设提供准确的科学依据，以提高工程的安全性。

附图说明

图1为本发明的基于三维遥感判释技术的正断层产状要素量测方法的流程图。

图2为本发明所述的正断层产状要素空间关系示意图。

图中：

S1、获取工程区遥感影像数据、数字高程数据及地质资料

S2、构建三维遥感判释空间场景

S3、建立判释标志提取断层信息

S4、从断层信息中筛选正断层

S5、提取正断层理想断层面上特征点

S6、通过空间计算得到正断层产状要素。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的基于三维遥感判释技术的正断层产状要素量测方法做进一步说明。下述各实施例仅用于说明本发明而并非对本发明的限制。

图1为本发明的基于三维遥感判释技术的正断层产状要素量测方法的流程图。如图1所示，本发明所述的一种基于三维遥感判释技术的正断层产状要素量测方法，技术步骤包括：获取工程区遥感影像数据、数字高程数据及地质资料S1、构建三维遥感判释空间场景S2、建立判释标志提取断层信息S3、从断层信息中筛选正断层S4、提取正断层理想断层面上特征点S5、通过空间计算得到正断层产状要素S6。具体实施方式如下：

S1、获取工程区遥感影像数据、数字高程数据及地质资料

获取工程区成像分辨率高于3m的遥感影像数据，如分辨率为2.5m的SPOT5和ALOS卫星影像、分辨率为2.1m的资源三号卫星影像以及分辨率更高的数码航摄影像。遥感影像应带有有理函数传感器模型（RPC）参数。

高精度数字高程数据主要有大比例尺地形图上等高线数据、高分辨率卫星影像立体像对数据、机载激光雷达（LIDAR）获取的高程数据。LIDAR数据应带有全球定位（GPS）、惯性测量单元（IMU）等姿态定位参数。

获取工程区地质资料，主要包括地质图和构造纲要图。

S2、构建三维遥感判释空间场景

对获取的遥感影像进行处理，利用获取的数字高程数据建立数字高程模型，对数字高程模型和处理后的遥感影像进行严格配准和三维渲染处理，构建三维遥感判释空间场景。

遥感影像处理

利用遥感图像处理软件进行遥感影像的波段组合、几何精校正、分辨率融合和无缝镶嵌处理。

数字高程模型的建立

数字高程模型是构建三维遥感判释空间场景的重要基础。数字高程模型建立途径主要有以下几种：一是通过大比例尺地形图上等高线数据建立数字高程模型；二是利用高分辨率卫星影像立体像对提取的高程数据建立数字高程模型；三是利用LIDAR获取的高程数据建立数字高程模型。

通过大比例尺地形图上等高线数据建立数字高程模型，其数据处理包括矢量化等高线数据和将矢量化结果进行空间插值运算，一般的GIS软件都可实现此操作。

利用高分辨率卫星影像立体像对提取的高程数据建立数字高程模型，其数据处理包括图像裁剪、斑点压缩、图像配准，利用遥感图像处理软件完成数据处理。

利用LIDAR获取的高程数据建立数字高程模型，其数据处理包括GPS/IMU联合平差计算、点云滤波、坐标转换处理，利用雷达数据处理软件完成数据处理。

对数字高程模型和处理后的遥感影像进行严格配准，进行三维渲染处理，构建三维遥感判释空间场景。该操作可在遥感图像处理软件中完成。

S3、建立判释标志提取断层信息

基于三维遥感判释空间场景，建立断层判释标志。依据判释标志提取断层信息，结合现场验证对判释结果进行修改和完善，得到区域断层信息。

建立断层判释标志

将获取的地质图和构造纲要图按图上坐标进行几何校正和坐标转换处理，使地质图和构造纲要图与三维遥感判释空间场景坐标系统一致。

将地质图和构造纲要图叠加到三维遥感判释空间场景中，根据地质图上典型断层的分布信息，在三维遥感空间判释空间场景中，识别典型断层对应的遥感影像特征，建立断层遥感判释标志。

断层遥感判释标志包括直接判释标志和间接判释标志：直接判释标志包括断层破碎带的直接出露、地质体被切割以及沉积岩地区地层的重复或缺失等；间接判释标志包括断层三角面、断层垭口、断层沟谷等线性负地形，不同地貌单元的截然相接，水系变化的异常或突然拐弯等。

在三维遥感判释空间场景中，将这些典型断层遥感影像特征信息提取出来，得到区域断层的判释标志。

提取断层信息

依据建立的断层判释标志，在三维遥感判释空间场景中，通过目视解译对工程区断层进行详细判释，得到断层分布信息。将提取的断层分布信息与地质图、构造纲要图上断层分布信息进行对比分析，对于存在明显差异的断层，进行现场验证。通过现场验证对判释结果进行修改和完善，得到工程区断层信息。

S4、从断层信息中筛选正断层

基于三维遥感判释空间场景，沿提取的断层沿线寻找断层陡崖、断层三角面等地形地貌特征，从断层信息中筛选出正断层。

正断层沿线容易形成断层陡崖、断层三角面及断陷盆地等地貌。在三维遥感判释空间场景中，沿提取的断层线寻找这些地貌类型，并将存在这些地貌类型的断层标记为正断层。进而从提取的断层信息中筛选出正断层。

S5、提取正断层理想断层面上特征点

选取正断层理想断层面，提取理想断层面上不同高度、不同位置、不在同一直线上，能够反映理想断层面基本形态特征的三个特征点。

选取理想断层面

理想断层面即为正断层沿线分布的产状稳定、表面平整、无小褶皱或断层干扰的断层陡崖、断层三角面或断陷盆地等。

在三维遥感判释空间场景中，定位正断层沿线产状稳定、无小褶皱或断层干扰的断层陡崖、断层三角面等，标记为理想断层面。

提取特征点

提取理想断层面上不同高度、不同位置、不在同一直线上，能够反映理想断层面形态特征的三个特征点。对于断层陡崖，提取有一定高程落差和平面距离的特征点；对于断层三角面，提取三个顶点附近的点作为特征点；对于断陷盆地，提取盆地边缘能反映断层面形态特征的三个特征点。

S6、通过空间计算得到正断层产状要素

基于三维遥感判释空间场景，获取三个特征点的坐标和高程信息，通过空间量测和计算获取正断层走向、倾向、倾角信息，得到正断层的产状要素。

获取三个特征点的坐标和高程信息

在三维遥感判释空间场景中，读取三个特征点的坐标和高程数据。最高点定义为A点，其坐标和高程表示为（

）；次高点定义为B点，其坐标和高程表示为（

）；最低点定义为C点，其坐标和高程表示为（

）。

建立空间几何关系，计算断层产状要素

图2为本发明所述的正断层产状要素空间关系示意图。如图2所示，从A点到C点做一直线，从B点做一水平线交线段AC于D点，B点与D点等高。线段BD的方向即为正断层的走向。在三维遥感判释空间场景中，以北方向为起始方向，量测出线段BD的方向，得到正断层的走向。

图2中，B₁、D₁和F₁分别为B点、D点和F点在以C点高程为基准的水平面上的投影点。过C点做平行于线段BD的水平射线CO。在线段BD上任选一点F，从F点向射线CO做垂线，交射线CO于点E，则线段F₁E所指方向为正断层倾向（箭头所指方向，与走向垂直）。在三维遥感判释空间场景中，以北方向为起始方向，量测出线段FE的方位角，即为线段F₁E所指方向，得到正断层的倾向。

如图2所示，线段EF与线段EF₁之间的夹角a为正断层的倾角。夹角a可由下列公式计算得到：

                      （1）

                           （2）

根据反三角函数计算夹角a的值，得到正断层倾角。

通过上述过程，基于三维遥感判释空间场景的量测和计算，获得正断层走向、倾向和倾角信息，从而得到正断层产状要素。

该方法能够准确量测正断层产状要素，用于工程方案的比选、优化和灾害防治。全局性强，可靠性高，可为工程设计和建设提供准确的科学依据，以提高工程的安全性。  

Claims (4)

1.一种基于三维遥感判释技术的正断层产状要素量测方法，该方法用于对正断层产状要素的量测，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、获取工程区遥感影像数据、数字高程数据及地质资料

获取工程区成像分辨率高于3m的遥感影像数据、高精度数字高程数据及地质资料；

S2、构建三维遥感判释空间场景

对获取的遥感影像数据进行处理，利用获取的数字高程数据建立数字高程模型，对数字高程模型和处理后的遥感影像数据进行严格配准和三维渲染处理，构建三维遥感判释空间场景；

S3、建立判释标志提取断层信息

基于三维遥感判释空间场景，建立断层判释标志，提取区域断层信息；

S4、从断层信息中筛选正断层

基于三维遥感判释空间场景，沿提取的断层沿线寻找断层陡崖、断层三角面的地形地貌特征，从断层信息中筛选出正断层；

S5、提取正断层理想断层面上特征点

选取正断层理想断层面，提取理想断层面上不同高度、不同位置、不在同一直线上，能够反映理想断层面形态特征的三个特征点；

S6、通过空间计算得到正断层产状要素

基于三维遥感判释空间场景，获取三个特征点的坐标和高程信息，通过空间量测和计算获取正断层走向、倾向、倾角信息，得到正断层的产状要素。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维遥感判释技术的正断层产状要素量测方法，其特征在于：步骤S3中建立断层判释标志的方法为：将获取的地质图和构造纲要图按图上坐标进行几何校正和坐标转换处理，使地质图和构造纲要图与三维遥感判释空间场景坐标系统一致；将地质图和构造纲要图叠加到三维遥感判释空间场景中，根据地质图上典型断层的分布信息，在三维遥感空间判释空间场景中，识别典型断层对应的遥感影像特征，建立断层遥感判释标志。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维遥感判释技术的正断层产状要素量测方法，其特征在于：步骤S5中提取特征点的方法为：提取理想断层面上不同高度、不同位置、不在同一直线上，能够反映理想断层面形态特征的三个特征点；对于断层陡崖，提取有一定高程落差和平面距离的特征点；对于断层三角面，提取三个顶点附近的点作为特征点；对于断陷盆地，提取盆地边缘能反映断层面形态特征的三个特征点。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维遥感判释技术的正断层产状要素量测方法，其特征在于：步骤S6正断层产状要素的计算方法为：

获取三个特征点的坐标和高程信息

在三维遥感判释空间场景中，读取三个特征点的坐标和高程数据；最高点定义为A点，其坐标和高程表示为（

）；次高点定义为B点，其坐标和高程表示为（

）；最低点定义为C点，其坐标和高程表示为（）；

建立空间几何关系，计算断层产状要素

从最高点A到最低点C做一直线，从次高点B做一水平线交线段AC于D点，B点与D点等高；线段BD的方向即为正断层的走向；在三维遥感判释空间场景中，以北方向为起始方向，量测出线段BD的方向，得到正断层的走向；

B₁、D₁和F₁定义为B点、D点和F点在以C点高程为基准的水平面上的投影点；过C点做平行于线段BD的水平射线CO；在线段BD上任选一点F，从F点向射线CO做垂线，交射线CO于点E，则线段F₁E所指方向为正断层倾向；在三维遥感判释空间场景中，以北方向为起始方向，量测出线段FE的方位角，即为线段F₁E所指方向，得到正断层的倾向；

线段EF与线段EF₁之间的夹角a为正断层的倾角；夹角a可由下列公式计算得到：

                      （1）

                           （2）

根据反三角函数计算夹角a的值，得到正断层倾角。

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