Seismic Damage Analysis of UAV Remote Sensing Images in the Extreme Seismic Zone of the MS6.0 Earthquake in Luxian, Sichuan
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摘要: 利用无人机平台及倾斜摄影系统对2021年9月16日四川泸县MS6.0地震极震区部分区域进行无人机倾斜摄影，构建了群体建筑物高分辨率三维模型，在此基础上，采用目视解译方法对典型建筑物震害和遇难人员周边环境进行解析，初步分析了本次房屋震害和人员遇难原因，为地震现场震害调查、地震烈度评定及灾情研判提供了参考依据。Abstract: In this paper, the technical process of seismic damage investigation and analysis based on unmanned aerial vehicle (UAV) oblique photography technology is proposed, and the UAV platform and oblique photography system are used to conduct UAV oblique photography in some areas of the MS6.0 earthquake meizoseismal area in Luxian County, Sichuan Province on September 16, 2021. The high-resolution three-dimensional models of group buildings are constructed. On this basis, the visual interpretation method is used to analyze the seismic damage of typical buildings and the surrounding environment of the victims, and the causes of the seismic damage of the buildings and the deaths of the victims are preliminarily analyzed, which provides a reference for the seismic damage investigation, seismic intensity evaluation, and seismic disaster evaluation.1)
1 2https://www.cea.gov.cn/cea/xwzx/fzjzyw/5609043/index.html -
引言
丽江-小金河断裂为青藏高原东南边界断裂, 构成了青藏高原与云贵高原之间的地形梯度带, 两侧地形高差达1000-1500m。该断裂是在中新生代龙门山-锦屏山-玉龙雪山推覆构造带南西段基础上形成的1条北东向活动断裂带(Burchfiel等, 1995, 2013;徐锡伟等, 2003;许志琴等, 2007), 其南西起自红河断裂带北段的剑川盆地, 向北东经旦读、丽江和木里等地, 东止于鲜水河断裂带东端, 总长近400km, 由多条斜列的次级断层组成, 整体走向NE45°-50°, 倾向NW, 倾角60°-80°(图 1)。已有研究认为, 丽江-小金河断裂第四纪活动以左旋走滑为主兼垂直分量, 晚第四纪断错地貌清楚(向宏发等, 2002;徐锡伟等, 2003);断裂中段全新世以来发生了多次地表破裂型古地震事件, 平均复发周期约3ka, 最新事件发生在距今1.8-1.5ka (丁锐等, 2018)。前人认为丽江-小金河断裂斜切南北向丽江盆地并将其左旋位错7.4-7.6km (向宏发等, 2002;Burchfiel, 2013), 据此估算其第四纪长期水平滑动速率为3.7-3.8mm/a, 并基于断层两侧夷平面高差估算第四纪长期垂直滑动速率不小于1.0-1.5mm/a (向宏发等, 2002);基于水系位错估算其晚第四纪左旋滑动速率为2.0-5.0mm/a (向宏发等, 2002)或(3.1±0.4) mm/a (徐锡伟等, 2003);基于断错T1阶地估算距今2ka以来的左旋滑动速率为(4.5±0.2) mm/a、垂直滑动速率为(0.65±0.14) mm/a(徐锡伟等, 2003)。
由于盆地、夷平面与冲沟断错起始时间难以精确约束, 且利用冲沟进行水平位错量恢复存在较大不确定性, 故上述利用盆地、夷平面与冲沟水平位错估算断层平均滑动速率存在较大误差; 上述T1阶地仅记录了距今1.8ka-1.5ka发生的最新1次地表位错事件, 其2ka的年龄小于3ka的地震复发周期, 利用T1阶地的年代与位错量估算的断层滑动速率将高于长期平均滑动速率值。因此, 该断裂晚第四纪滑动速率有待精确约束。
河流阶地与冲积扇是研究断层活动的理想标志(Burbank等, 2012)。可通过阶地陡坎准确地恢复断层的水平位移, 通过阶地面与冲积扇面准确地恢复断层的垂直位移, 而阶地或洪积扇的废弃年龄可通过沉积物测年或地貌面暴露年龄进行约束, 因此这2类地貌面经常用于约束活动断层滑动速率(Cowgill, 2007;Zhang等, 2007;张培震等, 2008;Behr等, 2010;Burbank等, 2012;Bai等, 2018;Hetzel等, 2019)。本文沿丽江-小金河断裂开展了高分辨率卫星影像解译, 选择典型的断错地貌开展了微地貌测量与野外调查, 利用冲沟阶地与冲积扇微地貌精确厘定了丽江-小金河断裂全新世不同时期的位错量, 并结合年代测试估算了其全新世以来的滑动速率。
1. 断层几何形态及地貌特征
根据几何形态可将丽江-小金河断裂划分为4个断裂段, 自西向东分别为汝南-南溪段、丽江-干塘子段、红星-尖山营段与响水河-和尚村段。除汝南-南溪段外, 丽江以东3段呈右阶雁列(图 2)。
图 2 丽江-小金河断裂平面图(Google Earth影像)Figure 2. Spatial distribution of Lijiang-Xiaojinhe fault (after Google Earth image)汝南-南溪断裂段西起剑川盆地东北侧, 东至丽江盆地西南侧, 在文笔水库附近进入隐伏状态。总体走向北东30°, 全长约40km。该断裂段处于丽江-小金河断裂左旋变形的尾段, 由于尾端拉张效应, 自东向西发生了帚状散开, 由1支逐渐分裂为2支乃至多支, 形成约2km宽的断层槽谷并发育了南溪、旦读、鹿子等数个小型拉分盆地。在升登村以南约750m处, 南支断裂在T2阶地面形成高约1m的断层陡坎, 阶地面上发育的小冲沟被左旋错断3m左右(图 3(a), 图中红线和箭头标识处为断层经过处)。在旦读村北东山前地带, 西支断裂左旋断错了第二级冲积扇(T2)及其上小冲沟, 其中小冲沟的左旋位移量约35m, 并在冲积扇上留下高约1.5m的断层陡坎(图 3(b))。
图 3 丽江-小金河断裂沿线冲沟位错Figure 3. Deflections of gullies across the Lijiang-Xiaojinhe fault丽江-干塘子断裂段西起丽江盆地东北侧, 沿山前展布东至拉姑马以东, 总体走向北东40°, 全长约26km。沿丽宁公路西侧可以清楚的看到高500-600m的基岩断层崖(图 3(c))。该断裂段与汝南-南溪段呈左阶雁列, 形成宽约7.5km的张性阶区; 其与东侧红星-尖山营断裂段呈右阶雁列, 形成了约8km宽、地势突起的压性阶区。前人认为丽江盆地的"S"形构造是由于丽江-小金河断裂左旋错动导致(图 3(d))(向宏发等, 2002)。在丽江市文运村一带断裂错断了村北的2条冲沟, 并在其间的山梁上形成坡中谷地貌(图 3(e))。
红星-尖山营断裂段西起金沙江东侧桃子村、东至大栗树村羊窝子一带, 总体走向北东40°, 全长约40km。该断裂段呈平直的线性特征, 与丽江-干塘子段、响水河-和尚村段均呈右阶雁列, 东北段发育柏杨、羊窝子等多个小型拉张盆地。在金棉乡冲沟和洪积扇被断裂左旋错断(图 3(f)), 在长平一带表现为断层槽谷、左旋断错冲沟与山脊(图 3(g))。
响水河-和尚村断裂段西起杨柏村、向北东延伸至干海子转为近南北向至小河边, 总体呈弧形展布, 全长约24km。断裂在和尚村一带沿山前发育, 沿线可见3-5m高的断层陡坎和高约500m的断层崖。在和尚村南1km处可见一系列被左旋错动的冲沟, 冲沟的一、二级阶地均被错断(图 3(h))。
2. 研究方法
2.1 断错地貌测量
为准确定位断层位置, 首先使用Google Earth影像结合前人研究资料对丽江-小金河断裂断错地貌进行详细的解译, 分析断裂展布位置。选择2处典型断错地貌进行无人机航拍(表 1)。航空摄影测量工作使用大疆精灵4 RTK版无人机。该型号无人机搭载RTK实时差分测量系统和4K高清相机, 飞行高度100m时地面采样距离(GSD)2.74cm, 启用RTK时无人机图像采集点定位误差分别为:水平误差±0.1m, 垂直误差±0.1m。航拍完成后使用Pix4D软件进行拼图, 最后生成地表DEM和3D地形图。
表 1 无人机现场作业参数Table 1. UAV field operation parameters编号 位置 飞行高度/m 照片数 图像面积/km2 点云密度/m3 图像分辨率/cm 航向重叠率/% 旁向重叠率/% 1 旦读 90 214 1.05 8.91 6.61 80 65 2 尖山营 70 50 0.21 20.3 5.13 80 65 基于高精度航测DSM与正射影像进行断错地貌解译与断错量测量。结合野外调查识别断层两盘同一级河流阶地陡坎, 将阶地陡坎沿近断层端走向与平均走向断层投影, 作为标志点, 得到最大位移量和最小位移量, 取其平均值作为位移量, 取其差值的1/2作为误差值(图 4)(Gold等, 2011;罗浩等, 2013)。
图 4 断错位移量测量误差示意(Gold等, 2011)Figure 4. Schematic diagram of measurement error of fault2.2 河流地貌断代
研究地区植被茂密, 在阶地、洪积扇地层中含有大量碳屑。同时, 参考前人研究成果(向宏发等, 2002;徐锡伟等, 2003), 该区域河流第一、二级阶地(T1、T2)、冲沟第一、二级洪积扇(P1、P2)形成于距今约20ka以来。在该时间范围内, 本文使用14C AMS测年技术约束地貌面形成年代。
3. 位移量测量
3.1 旦读村附近断错阶地
旦读村位于汝南-南溪断裂段北支(徐锡伟等, 2003), 在高分辨率卫星影像上可以清楚地看到断层陡坎和断层槽谷(图 5(a))。旦读村北侧山坡上冲沟在断层经过处发生左旋拐弯(图 5(b)), 并形成约2m高的跌水。用无人机对断错地貌进行微地貌测量(图 6(a)), 断层上盘二级阶地拔河高度约3m, 河床坡度较陡, 断层下盘二级阶地拔河高度约2m, 河床坡度稍缓。
图 5 旦读村被左旋错断的冲沟Figure 5. Left laterally gully offset across the fault near Dandu village(a) Google Earth影像(箭头为断层槽谷); (b)无人机航拍影像该冲沟右岸三级阶地均被左旋断错, 且阶地级数越高、位错量越大。根据生成的3D地形图测得T3阶地(洪积扇)前缘被左旋断错(23.5±1.5) m, T2阶地前缘被左旋断错(6.9±0.5) m。
在冲沟右岸接近T2阶地后缘处开挖人工剖面(图 6(b)), 其地层层序自上而下为:①灰黑色耕作土层, 含有大量次棱状砾石, 无层理, 植物根系发育; ②黄褐色砂砾石层, 无层理发育, 砾石大部分为次棱状, 发育粗砂透镜体; ③冲积相粗砂砾石层, 水平层理发育; ④冲积相粗砂层, 水平层理发育; ⑤冲积相粗砂砾石层, 水平层理发育; ⑥薄层灰岩基座。
断错阶地位于冲沟右岸, 下游阶地错入河道, 在低一级阶地废弃前, 高一级阶地前缘陡坎会遭受侵蚀, 因此宜用下阶地废弃年龄近似作为阶地陡坎位错积累的起始时间(Zhang等, 2007)。该处T2阶地年龄参考此处北约1km冲沟中T2阶地的废弃年龄(9910±210) Cal BP (徐锡伟等, 2003), 结合T3阶地前缘陡坎走滑位移量(23.5±1.5) m, 可得到断裂全新世以来平均水平滑动速率为(2.37±0.20) mm/a。
3.2 尖山营附近断错洪积扇
在红星-尖山营断裂段中部的尖山营村附近, 一系列山前次级冲沟汇入主流, 广泛发育P2、P1两级洪积扇和T1阶地(图 7(a))。红星村以西1km处断层在山前分为2支, 其中F1穿过P1洪积扇中部, 形成明显的线性陡坎; F2从基岩山山前通过, 可见基岩断面和阶步(图 8(b))。在断层经过处冲沟沟床和P1、T1之间的陡坎均被左旋断错。
图 7 尖山营左旋错断的冲沟Figure 7. Left laterally gully offset across the fault near Jianshanying village
图 8 尖山营错断河流阶地与冲积扇Figure 8. Offsets of river terraces and fans near Janshanying village无人机微地貌测量表明, 在冲沟左岸, 断层F1将P1、T1阶地陡坎左旋断错(6.9±0.5) m, 断层F2将P1、T1阶地陡坎左旋断错(17.8±1.0) m (图 8(a))。在冲沟左岸P2洪积扇上, 断层F1陡坎高1.2m (图 8(c)), 断层F2陡坎高1.3m (图 8(d))。在冲沟右岸, P1洪积扇上F1断层陡坎高0.7m, 断层F2陡坎高2.0m (图 8(e)), 故认为在P1形成以来, 该点垂直移量为(2.6±0.1) m。
在冲沟左岸T1阶地后缘开挖人工剖面(图 9(a)), 揭示地层自上而下为:①灰色耕作土层, 含大量次棱状砾石, 无层理, 植物根系发育; ②灰褐色河流相砾石层, 水平层理发育, 由T1后缘向前缘逐渐变厚; ③灰褐色粉细砂层, 水平层理发育; ④河流相砾石层, 水平层理发育, 砾石分选较差, 由T1后缘向前缘逐渐变厚; ⑤洪积相黑色砾石层, 富含大量碳粒; ⑥红色粘土层, 夹大量棱角状砾石, 砾石破碎严重。在层②和层④中取2个14C样品LK-11、LK-10, 校正年龄为分别为(2580±160) Cal BP、(3170±120) Cal BP。
在冲沟左岸P1前缘开挖人工剖面(图 9(b)), 揭示地层自上而下为:①灰色耕作土层, 含大量次棱状砾石, 无层理, 植物根系发育; ②洪积相黑色砾石层, 富含大量碳粒; ③粘土夹棱角状砾石层, 砾石破碎严重; ④灰岩基座。为限定P1洪积扇形成年龄, 采集了2个碳粒样品。层①下部取14C样品LK-3校正年龄为(7360±80) Cal BP, 在层②中部取14C样品LK-2校正年龄为(7460±60) Cal BP (图 9(b))。
在冲沟左岸P1后缘开挖剖面(图 9(c)), 其沉积特征自上而下为:①洪积相砾石层, 棱角状砾石中夹杂大量碳粒; ②红色粘土层, 夹大量棱角状砾石, 砾石破碎严重; ③灰岩基座。
综上所述, 在尖山营一带, T1、P1阶地陡坎左旋位错量累计为(24.7±1.5) m, P1洪积扇上的垂直位错量累计为(2.6±0.1) m。T1阶地形成于3170-2580Cal BP, P1洪积扇形成于(7460±60) Cal BP。该冲沟出山口处坡度较陡, 水流速度较快, 对下游河岸错离一侧的侧蚀能力较弱, 故认为该冲沟T1、P1陡坎位错量在P1洪积扇形成后即开始积累, 位错起始时间宜采用上阶地模式(Cowgill, 2007), 可得到断裂全新世以来水平滑动速率为(3.32±0.22) mm/a, 垂直滑动速率为(0.35±0.02) mm/a。
4. 讨论与结论
决定断裂滑动速率精度的2个因素分别为位错量恢复精度与位错积累起始时间的约束精度。前人对该断裂全新世滑动速率的研究(向宏发等, 2002;徐锡伟等, 2003)认为, 水平位移量来自冲沟位移恢复, 存在较大不确定性; 位错起始年代用冲沟所在地貌面年代, 可能比实际年代偏大。本文利用无人机航测获得0.1m分辨率DSM, 通过横跨断裂的河流阶地陡坎恢复水平位移量, 通过阶地面断代约束位错起始时间, 获得了更精确的断层滑动速率。GPS观测得到该断裂中段以左旋走滑为主, 滑动速率约为3mm/a (Shen等, 2005;程佳等, 2012), 与本文获得的全新世平均滑动速率相当。古地震研究(丁锐等, 2018)揭示, 丽江-小金河断裂中段最新事件发生在1830-1540 a BP, 以每年约3mm/a滑动速率累计, 目前已积累4.6-5.5m的位移量, 大致相当于7.1-7.2级地震的同震位移量(Wells等, 1994)。因此, 尽管最新地震事件的离逝时间刚过复发周期的一半, 该断裂已具有发生7级地震的潜在能力。
本文利用无人机对丽江-小金河断裂2处典型断错地貌进行了精细测量, 厘定了不同级河流阶地与洪积扇的水平位移量与垂直位移量, 并通过14C AMS测年技术限定了T1阶地与T2阶地的年代, 得到丽江-小金河断裂中段(尖山营附近)全新世以来的左旋走滑速率为(3.32±0.22) mm/a, 垂直滑动速率为(0.35±0.02) mm/a; 断裂南段北支(旦读村附近)左旋走滑速率为(2.37±0.20) mm/a。
致谢: 感谢审稿专家对本文提出宝贵的修改意见。 -
图 2 倾斜摄影震害调查分析技术流程
Figure 2. Workflow of seismic damage investigation and analysis using oblique photography
图 3 福集镇大田社区震后三维模型
Figure 3. Three-dimensional model of Datian community in Fuji town after earthquake
图 4 福集镇大田社区典型建筑物震害提取
Figure 4. Seismic damage extraction of typical buildings in Datian community of Fuji town
图 5 典型钢筋混凝土框架结构房屋震害
Figure 5. Typical seismic damage of reinforced concrete frame structure building
图 8 福集镇草坝村典型人员伤亡周边环境
Figure 8. Surrounding environment of typical casualties in Caoba village, Fuji town
表 1 无人机系统性能参数
Table 1. Specifications of UAV system
无人机平台性能名称 M300 RTK技术参数 质量/kg 6.3（含2块电池） 最大载重/kg 2.7 最大飞行海拔高度/m 5000（2110桨叶，起飞质量≤7 kg） 悬停精度/m 垂直精度：±0.1；水平精度：±0.1（RTK定位正常工作时） 最大旋转角速度/（°·s−1） 俯仰轴：300；航向轴：100 最大上升速度/（m·s−1） S模式：6；P模式：5 最大下降速度/（m·s−1） S模式：5；P模式：4 最大可承受风速/（m·s−1） 15（7级风） 防护等级 IP45 
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表 2 无人机倾斜摄影系统性能参数
Table 2. Specifications of UAV photography system
无人机荷载性能名称 MS Smart2技术参数 禅思P1技术参数 质量/g 580 约800 镜头数量/个 5 1 传感器尺寸/mm 22.3×14.9 35.9×24.0 照片尺寸/Pix 6 000×4 000 8 192×5 460 最小拍照间隔/s 0.2 0.7 有效像素 2 430万（总像素＞1.2亿） 4 500万 防护等级 IP54 IP4 X 搭载续航 /min 约45 约45
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