第1章绪论
1.1研究背景及意义
活动构造是指晚更新世(距今10～12万年)以来，持续活动且将会继续活动的各类构造，如断裂、褶皱、盆地等(邓起东等，2002)。其中，活动断裂是地质研究最为关注的活动构造表现形式，因为其是控制地表地貌隆升变形演化、灾害发生、威胁人类生命安全的构造过程(姜文亮等，2018)。活动构造的研究可以追溯到19世纪80年代，而我国的活动构造研究，则是从20世纪50年代(吴鸣，1958)开始，经历了从定性到定量逐步过渡的活动构造工作。而之所以关注活动构造，是因为大地震的产生威胁着人类生命和财产的安全。单以我国为例，有邢台地震(1966年，7.2级)、海城地震(1975年，7.3级)、唐山地震(1976年，7.8级)、澜沧地震(1988年，7.6级)、南投地震(1999年，7.6级)、汶川地震(2008年，8.0级)、玉树地震(2010年，7.1级)、雅安地震(2013年，7.0级)、九寨沟地震(2017年，7.0级)等(吕晓健等，2010)。仅汶川地震，就造成了69227人死亡，374643人受伤，17923人失踪(数据统计截至2008年9月18日)。大地震对人类生命财产安全是极其重大的威胁，一次次的事实证明：研究地震的成因刻不容缓。单以鄂尔多斯地块黄土区为例(图1.1)，历史上7级以上大地震就发生过10次以上，造成了数以亿计的损失。而根据图1.1中地震的空间分布，不难发现，地震的位置主要集中在活动断裂的中部、交叉位置或活动断裂线的附近区域。因此，地震及其级数与活动断裂的产生和长度关系重大(Wells and Coppersmith，1994)，开展活动断裂研究至关重要，尤其是孕震诱震机制研究。在活动构造带，查明区域活动构造的基本产状等特征(走向、倾向、断距等)、活动性程度(隆升速率)、控灾机制，不仅对区域地貌形成和板块运动等地球动力学过程具有重要的科学意义，而且能对区域抗震救灾、合理防御提供科学的指导依据，是国家经济发展和战略规划的重要资料。那么，黄土覆盖区活动断裂的诱灾孕灾可能性是怎样的？
新生代以来(～50Ma)，受连续的板块运动作用影响(如印度板块持续向欧亚板块楔入)，我国青藏高原呈现出连续的快速隆升阶段(图1.1)(梁宽，2019)。也正是由于青藏高原东北缘的挤压与隆升，不仅极大地阻挡了来自印度洋的空气，也受到了来自鄂尔多斯地块的刚性阻挡(Zhang et al.，2004)。究其原因，板块的隆升与活动断裂的隆升有关。其结果是在地块周边发生断裂，形成一系列断陷盆地(张岳桥等，2006)。随着活动断裂的持续性隆升，在我国西北地区呈现出大面积荒漠。由于黄土自身质量及风力作用，不断在荒漠周围形成了大面积第四系黄土沉积物(樊双虎等，2016)，几乎覆盖了整个鄂尔多斯地块，对研究活动断裂及其孕震诱震机制带来了极大的困难。因此，活动构造的隆升不仅改变了地貌的隆升，同时反映了古气候演化。由于在第四纪沉积物蕴含着丰富的构造变形记录(程亚莉，2018)，在黄土覆盖区开展活动构造研究，将有助于分析两者之间的关系在地貌演化中的作用，同时对研究高原扩展和构造变形有重要的意义。而近年来，研究人员更多地关注邻近地块交接位置的活动断裂变形模式及活动特征等(郑文俊等，2009)，同时通过地貌的不断调整演化间接反映新构造运动程度，而忽视了在黄土这种特殊地貌区的活动构造研究(如快速识别定位及活动速率研究)。那么，地貌的差异性隆升是否通过板块内构造活动表现？如果是通过构造运动改变，板块间的差异性隆升如何改变板块间地貌的形成？黄土区特殊地貌区是否可以通过其他技术快速识别与定位？
图1.1鄂尔多斯活动构造与地震分布图（Rao et al.，2018，有删改）
a-鄂尔多斯地块周缘活动构造分布图；b-青藏高原东北缘大地构造分布图；c-千河流域周缘
21世纪以来，研究人员基于地质学、地貌学、年代学、测绘学等，针对鄂尔多斯地块周缘晚新生代活动断裂的构造运动特征、几何特征、变形模式、构造地貌、形成年代等开展了一系列研究(施炜，2006；王双绪等，2017；Dong et al.，2017)。如施炜(2006)利用年代测量和沉积物发现六盘山两侧的多期隆升事件导致其地貌格局由东高西低向西高东低转变，而这种转变主要体现在区域地貌形态上，与构造过程、强度和应力场有关；王双绪等(2017)利用GPS数据发现鄂尔多斯西侧地块垂直形变速率差异，六盘山山区上升速率达4～5mm/a，渭河盆地下降速率达-4mm/a；Chen等(2018)利用阶地年代测量得出渭河支流千河流域的5级阶地的年代从T5到T1分别为1.2Ma、0.8Ma、0.5Ma、0.13Ma、和0.01Ma；李小强等(2015)利用古地磁等研究表明六盘山西侧活动速率强于六盘山东侧，且北段活动性更强。这些结果的基础是大量野外实测剖面定点的结果。而事实上，黄土的厚度远远超出了研究人员的预期。尤其是盆地与山脉交接的地区(图1.1c)，因其所处地理位置复杂，蕴含着地块运动和气候、岩性等多种因素综合作用的结果，加之第四纪沉积物覆盖深度过大(部分区域厚度可达上千米)(程亚莉，2018)，导致断裂露头极少，难以单一说明其运动成因。因此，关于地块连接部位的活动断裂行迹及隆升程度鲜有人研究。鄂尔多斯西南缘的黄土区为探讨活动断裂变形及隆升程度提供了更为理想的场所，为在黄土区开展“揭盖子、探基岩”等区域填图工作提供了重要的指导依据。
大量的实例证明活动断层的行迹、出露和滑动量等，往往是地质人员通过野外实地勘测所得的结果，是非常耗时耗力的。事实上，地质客体的时空变化往往可以通过地表景观特征和地物辐射特征反映在遥感数据上(王润生和杨文立，1992)。而遥感地质学，正是研究深部地质结构与浅表地质现象在遥感数据上的客观反映，并结合电磁波谱理论、图像处理及空间分析技术，解译识别分析地质体物理性质及其运动状态的一门科学。遥感技术在活动构造领域的研究，主要是利用多源遥感数据及图像增强处理技术，解译识别活动构造的地理位置及其活动性程度，从而突破传统野外构造地质调查的局限，力求在*短的时间获取*新的地质体特征。
从地质构造的地理位置而言，主要通过遥感数据上的线性体表征。具体来说，地质线性体是遥感数据上与背景像素相比更亮或更暗的线条或线状结构，可以按照有无断裂位移区分，如断层、节理、劈理、裂隙和破碎带等，同时也包括一些地壳断裂、深大断裂、隐伏断裂等(余敏，2014)，微地貌呈现出线状排列也可视为线性体，或一些在遥感影像上显示出的明显色调异常也同样是线性体。地质线性体是地质构造在地表的体现，反映地壳中的重要构造格局和异常以及矿产形成的有利地带(陈娟等，2017)，控制着地下水、地质灾害、地热、地震、地貌形态等的分布，所以对线性体的深入研究具有一定的理论意义和实用价值。因此，开展地质线性体自动提取研究，将深化区域板块演化及构造运动，同时可提供地貌形态的演变原因、地质要素的变化趋势和分布规律。
从地质构造的活动量上而言，主要关注断裂活动性程度。而黄土区的断裂面出露对于研究人员而言是极为棘手的，上覆黄土的厚度致使难以实测到更为准确的活动速率。因此，研究人员将目光转移到构造地貌研究上，即构造隆升对地貌的调整及其在遥感数据上的差异性变化，从而间接地分析区域隆升程度。这是因为区域地貌的形成是构造、气候、侵蚀等因素综合作用的结果(Willett et al.，2006)。如图1.2所示，构造隆升致使流域面积、侵蚀和地形起伏等增大，而河流侵蚀又同样反作用于构造，缩短了造山的高度和面积，导致应力场发生变化。此外，正是由于断裂的隆升，阻挡了印度洋的气流，而黄土又随着风力的作用不断在地块周缘沉积，才形成了鄂尔多斯西南缘黄土区的特殊地貌形态。特别是随着遥感数据的多样性及其快速发展，使得获取多期地貌形态变化差异成为可能。因此，黄土区构造地貌演化成为一种新的研究断裂隆升速率的手段。
图1.2区域地貌成因(Willett et al.，2006；有删改）
综上所述，基于多源遥感数据及图像处理技术，开展千河流域黄土区活动构造研究，具有如下重要意义：
(1)将深化区域板块运动等地球动力学意义，对探索晚新生代以来新构造运动活动规律和构造变形模式提供参考；
(2)对区域抗震救灾、合理防御提供科学的指导依据和现实意义，为区域发展与规划起到重要支撑的作用；
(3)丰富构造对地貌的塑造和高原扩展等理论研究，对覆盖区活动构造提取和资源勘探有重要的借鉴意义。
1.2国内外研究现状
1.2.1基于遥感影像提取地质线性体
从活动构造位置识别的角度来看，主要是研究线性体的识别与提取。传统线性体提取方法则主要以人工目视的方式提取，精度难以保证且耗时耗力。为了更高效地识别线性体，遥感地质人员主要利用地质线性体在遥感影像上往往反映为沟壑纵横的山脊线与山谷线的特征，结合地质知识识别提取。近年来，大量研究人员针对遥感影像和数字高程模型（digital elevation model，DEM）获取方式便利、可视化表达丰富、受时间和人为因素少等特点，设计并实现了一系列计算机自动解译算法，如线索追踪(segment tracing algorithm，STA)法(Koike et al.，1995)、霍夫变换(hough transform，HT)法、水文分析法等。
以STA法为例，*先，对图像进行滤波，使得图像光滑和除去大部分噪声；其次，在给定的搜索窗口中，以搜索中心像素为原点，等间隔放射性搜索一定方位角(θ)、一定距离(h)的像素，并通过求得连续性函数ε(x)*小值表达同一直线上两点的连续性：
(1.1)
式中，w(x)为权重；a为距离范围；z(x)为像素灰度。
再设置一定的像素变化率阈值（T）计算同一直线上两点的像素变化率λ［式(1.2)］，根据变化率判定像素是否为线性体的组成部分，予以保留或舍弃。再根据方向进行山谷线和山脊线判定，保留山谷像素并连接成线，从而实现遥感影像线性构造识别。基于此，Koike等(1995)使用STA法提取了日本西南山区TM影像上的线性体，同样在DEM数据上得到了验证；Haeruddin等(2016)利用该法提取印度尼西亚西爪哇省的ALOS PALSAR数据上的线性体，用于分析其和地热资源的空间关系；Ni等(2016)利用该法提取了Gaosong矿区ETM+影像上的线性体，用于线性体长度和密度对成矿的影响。这些实例证明这种算法的优点是连续性更好、可靠性更强、与实测断层的吻合程度更高；缺点是提取线性体时自动连接不强，这与设置的方向间隔及搜索窗口的大小有关。
(1.2)
事实上，线性体的提取都是基于边缘检测算法。传统方式的边缘检测算子(Roberts、Sobel、Prewitt、LOG和Canny)，则主要根据导数、*优化等算子可表征线性体边缘灰度变化大的特点进行识别。如Roberts、Sobel和Prewitt是基于一阶导数等梯度变化算法，是根据像素邻近区域的梯度值来计算某个像素的梯度和线性边缘的强度决定了边缘梯度的大小。因此，通过寻找线性边缘的梯度极大值来提取边缘，而边缘噪声的出现会导致边缘梯度的变化，从而影响*终边缘提取的正确性(Gonzalez et al.，2011)。如Roberts算子［式(1.3)］定位比较精确，但边界不平滑，因此对噪声比较敏感。事实上，如果不提前处理噪声，那么当进行Roberts运算时，这些基于导数运算的算子会将噪声放大，从而增加虚假边缘。
(1.3)
式中，f(x，y)、f(x+1，y)、f(x，y+1)和f(x+1，y+1)分别是Roberts算法像素4个邻域的坐标。
而Sobel和Prewitt算子也是利用一阶导数的变化提取线性边缘(式1.4)，区别在于滤波方式不一样，Sob
目录
前言
第1章绪论1
1.1研究背景及意义1
1.2国内外研究现状5
1.2.1基于遥感影像提取地质线性体5
1.2.2基于遥感数据的构造地貌分析8
1.2.3存在的问题14
1.3研究内容与技术路线15
1.3.1研究内容15
1.3.2技术路线17
1.4拟解决的关键科学问题18
第2章区域地质背景19
2.1千河流域地质背景19
2.2千河流域地貌背景22
2.2.1基于数字高程模型的剖面线提取23
2.2.2基于遥感数据的阶地地貌提取24
2.2.3水系地貌分析26
本章小结28
第3章基于多源遥感数据的千河流域地质线性体提取与分析29
3.1基于张量投票耦合霍夫变换的地质线性体提取算法29
3.1.1遥感数据预处理30
3.1.2图像边缘检测38
3.1.3线性体提取42
3.1.4精度评价47
3.2千河流域线性体分析51
3.2.1长度分析51
3.2.2密度分析53
3.2.3方位分析55
3.3地质线性体分形特征揭示构造意义59
3.3.1线性体分形特征59
3.3.2多重分形61
3.3.3千河流域分形特征揭示区域构造控灾67
本章小结67
第4章千河流域瞬时河道地貌响应活动构造隆升过程69
4.1分析方法70
4.1.1河流瞬时地貌70
4.1.2河流纵剖面76
4.2数据源及预处理77
4.2.1基于资源三号立体像对的DEM提取78
4.2.2多源DEM垂直精度评价84
4.3主要结果87
4.3.1河道裂点与ksn识别提取87
4.3.2归一化陡度指数ksn的空间分布99
4.4千河流域裂点成因及构造地貌瞬时响应104
4.4.1千河流域裂点产生的原因104
4.4.2活动构造的流域地貌瞬时响应105
4.4.3地貌响应时间108
4.4.4断层连接引发裂点111
4.5千河流域活动构造加剧地质灾害的发生频率114
4.6DEM数据揭示千河流域河道下切115
4.7千河流域活动构造控制地貌演化119
本章小结120
第5章千河流域河流横截面对于活动构造隆升的响应及程度121
5.1河流横截面121
5.2研究方法与数据源123
5.2.1河道宽度指数123
5.2.2基于遥感影像和DEM河道宽度提取算法125
5.2.3遥感数据源131
5.3主要结果132
5.3.1基于遥感影像和DEM河道宽度提取结果132
5.3.2归一化河宽指数kwn提取139
5.4千河流域河流横截面响应构造隆升141
5.4.1千河流域河流宽度变化的成因141
5.4.2千河流域河流宽度揭示的构造意义143
5.4.3单位河道功率145
5.4.4河道边界剪切应力150
本章小结155
第6章结论157
参考文献160
