断裂构造是地壳应力作用的产物，在空间上以线、条带的形式出现。由于应力状态不同，岩性改变导致的差异侵蚀和差异风化，使得断裂构造在遥感影像上形成独特的色调和纹理特征。遥感影像能够大范围、快速、周期性地探测地表的各种现象，为从宏观到微观分析获取断裂构造的几何展布、构造地貌特征、区域环境响应、活动习性以及相关的定量化参数提供了一个崭新的视野^[1]。最初研究主要利用航片或者卫片通过目视解译分析断裂构造所表现出来的影像特征，从而对断裂构造的活动性进行研究^[2]。随着计算机技术和遥感技术的发展，基于遥感影像的数字图像增强技术被引入到断裂构造解译分析中来^[3]。由于不同类型传感器获取遥感数据中所含的信息具有优势性或互补性，将不同遥感数据源获取的信息有机结合，能减少或抑制被感知对象或环境解释中可能存在的多义性、不完全性和不确定性^[4]。近年来，利用多源遥感数据的互补性探测断裂构造引起了不少学者的关注。李利波等^[5]利用DEM提取地形地貌参数，并分析了渭河上游流域的构造活动程度。颜蕊^[6]等利用雷达影像与光学影像融合进行断裂构造提取实验。洪顺英等^[7]利用Landsat ETM和SAR影像对南京市活动断裂进行解译。王雷等^[8]利用多源遥感数据对北京市平原区的活动断裂进行解译。

南水北调中线工程是改善我国水资源配置的重大工程，可有效缓解北方缺水状况，调节生态环境。但由于坝高增高、库容增大，淹没区域面积扩大，水源区可能会诱发构造地震、水库诱发地震，以及库岸再造和地质灾害等一系列环境问题。本文以南水北调中线核心水源区为例，提出一种多源遥感数据融合解译方法，利用中、高分辨率光学影像、雷达影像和DEM数据对研究区内的3条主要断裂进行多源融合解译，提取断裂构造的几何分布信息，为核心水源区地震危险性评价提供基础数据支持。

1 研究区概述

南水北调中线工程核心水源区涉及的行政区域包括湖北省境内十堰市的张湾区及茅箭区、丹江口市、郧阳区和郧西县等5个区县(市、区)。该区位于华北断块和华南断块交汇部位，北部为秦岭山脉东段，西南部为大巴山东段，中部为武当山。这些山脉多由变质岩和石灰岩构成，山大谷狭，高差大、坡度大、切割深。从地形地貌上看，核心水源区可分为丘陵、低山、中山3种主地貌类型和河谷平地、山间盆地2种负地貌类型。全区地势南北高、中间低，自西南向东北倾斜。本文研究的目标区范围如图 1所示。

目标区断裂发育、地质构造复杂，具备发生中强破坏性地震的地质构造条件和背景。历史上目标区周边区域曾多次发生中强地震：公元前143-06-07竹山西南5级地震，788-03-12竹山6.5地震，1633-02-03竹溪5级地震，1742年房县5级地震，1868-07-21陕西白河、洵阳间5.5级地震，1887年武当山4.75级地震，1948-02-05郧西4.9级地震和1973-11-29河南淅川4.7级地震等，均造成较严重的损失。目标区内发育有丹江断裂、两郧断裂和白河-谷城断裂3条主要断裂。

2 多源遥感断裂构造提取方法 2.1 多源遥感数据

开展断裂构造研究时，不同类型传感器获取的遥感数据各有优势。中分辨率光学影像适合从宏观上判断断裂构造的空间展布；高分辨率光学影像适合辨别断裂构造的地貌形态细节；雷达波对地表具有一定的穿透能力，可探测隐伏断裂构造的信息；而DEM数据可以提取地形参数，辅助上述遥感数据进行三维解译^[9]。本文利用多源遥感数据进行断裂构造研究。选用的中分辨率光学影像为Landsat影像，高分辨率光学影像为高分1号(GF-1)影像，雷达影像为ENVISAT-ASAR影像，DEM为ASTER GDEM V2数据。

2.2 断裂构造提取方法

利用多源遥感数据进行断裂构造提取的流程如图 2所示。首先对Landsat影像、GF-1影像和ENVISAT影像进行数据预处理，包括去噪、正射校正、几何校正等；对处理后的影像进行多光谱图像增强和影像融合，将遥感影像与DEM结合建立地貌三维场景，获取地貌参数指标；根据目标区已有的基础地震、地质和地理等资料，对上述分析结果进行综合解译，提取断裂构造的几何分布信息；最后通过实地调查验证，对分布信息进行验证和修正。下面将对方法中的关键技术进行详述。

1) 滤波去噪。滤波去噪主要针对雷达影像。由于雷达影像噪声为乘性噪声，雷达回波信号中，相邻像素点的灰度值会由于相干性而产生一些随机变化，在图像中产生斑点噪声。滤波器是用不同模板对影像进行平滑，可以抑制噪声，但也会减弱雷达影像的边缘信息。本文采用平滑指数(SI)对不同滤波器的滤波结果进行衡量。选取平滑指数适中的滤波器对目标区雷达影像进行滤波去噪，既充分抑制噪声，又尽量保持有用的边缘信息。平滑指数计算公式为：

(1)

其中，μ_F、σ_F表示滤波后影像的均值和标准差，μ_O、σ_O表示原始影像的均值和标准差。

2) 光学影像增强。光学影像增强是断裂构造提取中最常用的遥感图像处理方法，通过对光学遥感影像进行假彩色合成、主成分变换、方向滤波和视反射增强等处理，突出线性构造的影像特征^[6]。

3) 雷达与光学影像融合。雷达影像与光学影像具有不同的成像原理，本文采用彩色空间变换法对雷达影像与光学影像进行融合。对光学影像进行IHS正变换，将I分量(明度)与经过预处理后的SAR影像进行直方图匹配，以增大两影像之间的某种相关性并抑制光斑效应。将匹配后的SAR影像替换I分量，再进行IHS反变换，获得的融合影像既能表现断裂构造的地貌信息，又能表现其光谱信息。

4) DEM增强。本文使用三维场景分析、坡度分析和地貌晕渲3种DEM增强处理方法提高断裂构造的识别能力。三维场景分析是将遥感影像与DEM进行叠加，生成三维场景，以此对断层崖、断层三角面等独特构造地貌进行解译。坡度分析是利用DEM提取坡度信息，在一定条件下可以反映构造运动的强弱。地貌晕渲是通过模拟光源方向对地面照射所产生的阴影，使地貌分布、起伏和形态特征显示具有一定的立体感，直观表达地面起伏变化，辅助断裂构造解译。

上述多源遥感数据及其对应处理方法的应用都是为了突显断裂构造在影像上的解译标志。山区断裂构造的影像解译标志主要包括断裂形成的平直沟谷切割一系列山脊和谷地, 显现出山脊、山谷的错动；两种不同的地貌单元线性相接, 侵入体、串珠状湖泊、叠垒式山麓洪积扇等形成线性特征；水系流向异常、扭曲成直线, 一系列冲沟形成有规则的分布。平原区断裂构造的影像解译标志主要包括断裂带色调不同、沉积物疏松程度不同等。

3 实验结果与分析 3.1 影像增强

本文采用假彩色合成方法对目标区Landsat影像进行处理。由于波段间具有相关性，信息量最大的几个波段组合后的影像蕴含的信息不一定最大，因此，需要计算不同波段组合的最佳指数(OIF)。经计算，目标区Landsat8影像6-5-1波段组合所含信息量最大，目标区Landsat7影像5-4-1波段组合所含信息量最大。对比Landsat7与Landsat8影像可见，Landsat8色彩层次更丰富，地物区分度更高，地形特征更明显，易于判读。

继续对目标区Landsat8影像进行增强处理，主要包括视反射增强、主成分变换和方向滤波等。视反射增强在对地形因子抑制的同时强化了地物的反射光谱信息，使不同类型的地物更易于识别。主成分变换后第一主分量影像包含了Landsat8多光谱影像90%以上的信息量，地物可区分程度高，可辅助断裂构造解译。由于目标区主要断裂走向多为北西向，本文采用300°方向滤波模板，增强影像在该方向的线性特征。

3.2 影像融合

SAR影像与光学影像是由不同的传感器所获得的图像，SAR图像对地形起伏反映敏感，能较好地表现出构造地貌信息，而多光谱光学影像对地物色度敏感，两者融合能充分表现出活动断裂的综合影响特征。由于影像获取时间以及空间分辨率相近，本文采用滤波去噪后的ENVISAT-ASAR雷达影像与Landsat7多光谱影像进行融合，辅助断裂构造解译提取。本文根据式(1)计算了目标区SAR影像经Lee滤波、Gamma滤波和Frost滤波后影像的平滑指数，结果如表 1所示。由表可见，Gamma滤波和Frost滤波的平滑效果较好，但容易丢失边缘信息，因此，本文选择Lee滤波的结果与Landsat7多光谱影像进行融合处理。

3.3 三维分析

三维分析是将遥感影像与DEM进行叠加，将平面二维图像进行三维立体化、可视化，以便能够更加形象直观地对断裂构造进行分析提取，使图像上地形地貌差异更明显，便于对区域构造构架的整体把握，同时能够自行调整遥感三维立体图像的飞行高度、方位，以便对断裂构造进行全方位观测，增强解译能力，提高解译精度。

本文以30 m分辨率的Landsat影像与同分辨率的ASTER GDEM数据进行三维叠加显示，通过调整合适的地形尺度指数和观测方位，突出断裂构造两侧的地形地貌差异，利于对目标区断裂构造信息进行解译提取。

3.4 地形参数分析

坡度是局部地表倾斜程度指标，在一定条件下可以反映构造运动的强弱，如断层崖和断层三角面往往近乎直立，可直接作为断裂解译标志。本文利用目标区ASTER GDEM数据计算获取了坡度影像，其中丹江断裂和白河-谷城断裂两侧的坡度差异较明显，指示了断裂的大致分布和走向。

地貌晕渲需要确定合适的光源方向角和高度角，高度角太大则对于高差较小的断裂形成的阴影较小，不便分析；高度角太小，会产生很多线性阴影，遮盖有用信息。通常，光源高度角以45°设定为宜。不同的方向角可以凸显断裂的线性地貌，已有研究表明人眼较习惯西北光源，因此，本文以315°方位角生成了地形阴影影像。

3.5 解译与野外验证

综合中分辨率光学影像、高分辨率光学影像、雷达影像和DEM数据处理结果，发挥多源遥感数据的优势，本文对目标区主要断裂构造的影像标志进行解译，对断裂构造展布的几何形态进行提取，并对解译结果进行野外调查验证。图 3为多源遥感数据对丹江断裂东段的解译和野外调查结果，箭头所示为丹江断裂走向及通过区域。由图 3(a)~图 3(j)可见，不同遥感数据源处理的结果在影像上都显示出有明显的北西向线性构造存在，界线平直、清晰，综合区域地质背景资料解译判断此线性构造为丹江断裂主断裂。对该段断裂沿线追索调查发现，D8340处(图 3(j))有断层剖面露头，图 3(k)为剖面照片，图 3(l)为整理后的剖面示意图。断层剖面显示，在金家棚村北林茂山水库大坝西肩，断裂出露清晰，断裂走向300°，倾向NE，陡倾角。北盘为上白垩统浅灰、灰紫、浅褐黄色泥质灰岩、泥灰质粘土岩，产状SW∠40°，近断面处产状变为NWW∠30°；南盘为新近系浅褐黄色砂砾岩，产状NW∠15°。断裂构造带呈楔形，上部宽度大于6 m，向下收敛至60 cm。野外调查结果与多源遥感解译结果基本一致。目标区主要断裂野外调查共记录调查点884处，经野外验证、修正后的目标区3条主要断裂及其分支断裂多源遥感解译结果如图 4所示。

经多源遥感解译发现：丹江断裂西起十堰市郧阳区东部，东至丹江口市金家棚村，总体走向为290°，影像解译断裂长约80 km。丹江断裂东段庄子坡、朝阳坡、金家棚村一带线性影像特征明显；金家棚村以东，线性影像特征逐渐模糊，隐灭于残丘、岗地地貌。丹江断裂西段(丹江以西)从凉水河镇、习家店镇南部经过，自东向西在唐扒、老房沟、黄土垭、赵家院一带山前陡坎、线性地貌界线等影像特征明显，且被数条北东向、北北东向线性构造切割。习家店镇至郧县东部，主断裂线性影像特征逐渐模糊，难以分辨。

两郧断裂由郧西县西北进入目标区，经郧西县、郧阳区、土台镇延伸出目标区，总体走向为290°，影像解译断裂长约120 km。两郧断裂在郧西县西北部的线性影像特征显著，郧西盆地内断裂形迹隐伏，盆地东部断裂形迹复现，经火车岭延伸至郧阳盆地。柳陂镇至土台镇，两郧断裂表现为多条北西向平行的线性影像特征，主断裂形迹不明显。

白河-谷城断裂具有清晰的线性影像特征，经鲍峡镇、柏林镇、十堰市茅箭区、六里坪镇、武当山镇、丁家营镇、浪河镇至石花街镇，总体走向为290°~300°，影像解译断裂长约135 km。断裂南侧为武当山低中山区，北侧为两郧低山丘陵区，断裂沿线山前陡坎、三角面山发育显著，线性地貌界线清晰可见。

4 结语

本文在综合分析多源遥感数据的基础上提出多源遥感数据断裂构造提取方法，并以南水北调中线核心水源区为例开展断裂构造提取实验。利用中、高分辨率光学遥感数据、雷达遥感数据和DEM数据对目标区内主要断裂构造进行解译，提取断裂构造的几何展布信息。野外调查结果验证了多源遥感数据断裂构造提取方法的有效性。实验结果显示，多源遥感数据可以发挥不同数据源的信息互补优势，突出断裂构造地貌的宏观和微观特征。结合野外调查获取的断裂构造活动性特征，可对目标区地震危险性评价提供有效、可靠的数据支持。