機(jī)載激光雷達(dá)技術(shù)在構(gòu)造地貌定量化研究中的應(yīng)用

陳 濤

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京 100029）

在過去的10年，激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging，簡寫為LiDAR）技術(shù)憑借其能夠精確、快速地獲取地面三維數(shù)據(jù)的技術(shù)特點(diǎn)已在眾多行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。該技術(shù)集成了GPS、IMU、激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備，其中主動傳感系統(tǒng)（激光掃描儀）利用返回的脈沖可獲取探測目標(biāo)高精度的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被動光電成像設(shè)備（航空攝影相機(jī)）則可獲取探測目標(biāo)的數(shù)字成像信息。上述數(shù)據(jù)經(jīng)后續(xù)處理可生成三維激光點(diǎn)云，并最終得到沿整個掃描條帶的地面點(diǎn)三維空間坐標(biāo)與真彩色圖像。相對于傳統(tǒng)的攝影測量技術(shù)，激光雷達(dá)技術(shù)是遙感技術(shù)領(lǐng)域的一場革命，它不僅能夠提供高分辨率、高精度的地形地貌，還可以通過濾波算法有效祛除地表植被的影響，得到真實(shí)地表，目前已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測繪、城市三維建模和林業(yè)應(yīng)用、鐵路、電力勘察等領(lǐng)域。按照載體的不同，激光雷達(dá)系統(tǒng)可以分為星載、機(jī)載、車載以及地基測量系統(tǒng)。其中，機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)相對于其他搭載方式，具有作業(yè)周期短、數(shù)據(jù)精度高且不受天氣因素影響等優(yōu)點(diǎn)，是一種方便高效的主動遙感測量技術(shù)。

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)工作原理與傳統(tǒng)大地測量和攝影測量并不完全一樣，因此本文首先介紹了機(jī)載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)組成及工作原理、LiDAR數(shù)據(jù)產(chǎn)品及其誤差來源和數(shù)據(jù)后處理算法。在此基礎(chǔ)上，回顧了近年來機(jī)載LiDAR技術(shù)在地球科學(xué)領(lǐng)域，尤其是地震地質(zhì)研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展和項(xiàng)目實(shí)例。然后，結(jié)合海原斷裂帶機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目，以海原斷裂帶哨馬飲流域階地上被左旋錯斷的沖溝為例，闡明了基于高分辨率地形數(shù)據(jù)精確測量單條沖溝的同震位移和累計位移的方法。接著，運(yùn)用同樣的方法，沿海原斷裂帶老虎山斷層測量得到250多個沖溝小位移值，并基于位移分布討論了1888年景泰地震的地表破裂范圍和震級大小，展示了高分辨率地形數(shù)據(jù)在斷裂活動性研究中的應(yīng)用。最后，以1999年美國Hector Mine地震發(fā)生后采集的LiDAR數(shù)據(jù)為研究對象，系統(tǒng)比較了基于LiDAR測量得到的同震位移數(shù)據(jù)與野外實(shí)地測量得到的同震位移數(shù)據(jù)之間的異同，初步討論了機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)和局限性。

第一章介紹了機(jī)載LiDAR測量系統(tǒng)的組成及工作原理。首先回顧了自1970年美國阿波羅計劃使用激光測距系統(tǒng)以來LiDAR技術(shù)的發(fā)展歷程，闡明了LiDAR測量的基本原理和技術(shù)特點(diǎn)。并以經(jīng)典的機(jī)載LiDAR應(yīng)用系統(tǒng)，如水下地形測量系統(tǒng)（SHOALS）、植被成像傳感系統(tǒng)（LVIS）和大氣探測與極地激光測高系統(tǒng)（ICESat）為例，總結(jié)了機(jī)載LiDAR技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和主要應(yīng)用領(lǐng)域。接下來，從工作機(jī)制、技術(shù)指標(biāo)等方面，分別對機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的主要組成單元，如激光測距系統(tǒng)、動態(tài)GPS定位單元、姿態(tài)測量單元、多天線陣列姿態(tài)測量系統(tǒng)和飛行搭載平臺等進(jìn)行了簡要介紹。隨后，基于激光測距原理和掃描方式完成了機(jī)載LiDAR測量的幾何模型推導(dǎo)。最后，通過與傳統(tǒng)的攝影測量和合成孔徑雷達(dá)測量技術(shù)（Interferometric Synthetic Aperture Radar，簡寫為InSAR）的比較，歸納了機(jī)載LiDAR技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，簡述了LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程，并收集了目前主流商用機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。

第二章討論了機(jī)載LiDAR的數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型，數(shù)據(jù)誤差來源以及數(shù)據(jù)后處理方法。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品可以是激光點(diǎn)云、全波形文件和數(shù)碼航空影像，也可以是經(jīng)過規(guī)則格網(wǎng)內(nèi)插后的數(shù)字地表模型（DSM）或數(shù)字高程模型（DEM）。對于其中最原始，也是最為重要的激光點(diǎn)云而言，其誤差來源非常復(fù)雜，僅通過數(shù)學(xué)建模的方法難以消除，因此實(shí)際工作中一般采用系統(tǒng)檢校并建立誤差模型的方法來減弱系統(tǒng)誤差影響。同時，由于點(diǎn)云的空間離散特征，導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量與精度評定都與傳統(tǒng)的攝影測量大不相同。尤其是水平精度評價，往往還需要借助于事先敷設(shè)的規(guī)則形狀人工強(qiáng)反射地物。激光點(diǎn)云的濾波和分類算法是近年來LiDAR技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)，但目前無論哪種方法都距離全自動化處理還有一定差距。在工程實(shí)踐中，一般采用人工輔助計算機(jī)進(jìn)行半自動分類，往往耗費(fèi)較多的人力和時間。

第三章綜述了近年來機(jī)載LiDAR在地球科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，并列舉了數(shù)個項(xiàng)目實(shí)例。首先介紹機(jī)載LiDAR在地球科學(xué)各個領(lǐng)域中的應(yīng)用。如利用ICESat衛(wèi)星開展極地冰蓋厚度與全球氣候變化，結(jié)合機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)和潮汐數(shù)據(jù)研究海岸線變化，基于LiDAR數(shù)據(jù)的滑坡物質(zhì)運(yùn)移規(guī)律研究，通過高精度地形數(shù)據(jù)推斷局部活動斷裂特征，以及LiDAR數(shù)據(jù)在定量地貌學(xué)地貌過程模擬和變化趨勢預(yù)測等應(yīng)用實(shí)例。接下來，總結(jié)了近年來國內(nèi)外比較具有典型意義的LiDAR工程實(shí)例，包括美國San Andreas斷裂帶機(jī)載LiDAR掃描項(xiàng)目（B4），海地太子港7.0級地震、新西蘭Darfield 7.1級地震和汶川8.0級地震震后LiDAR數(shù)據(jù)采集情況，以及黑河流域生態(tài)－水文過程綜合遙感觀測聯(lián)合試驗(yàn)項(xiàng)目（HiWATER）。

第四章以海原斷裂帶LiDAR數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目為例，從項(xiàng)目概況、技術(shù)設(shè)計與質(zhì)量評價等方面介紹了機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程。利用這樣的大范圍、高精度的地形數(shù)據(jù)，斷裂的空間位置和沿斷層的位移分布可以精確到亞米級誤差范圍，從而使1：1000比例尺的活動斷裂填圖成為可能。這對于活動斷裂研究，尤其是城市活斷層填圖來說具有重要意義。毫無疑問，前所未有的高精度三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)將帶來活動構(gòu)造領(lǐng)域研究方法的革新。

第五章通過研究海原斷裂帶哨馬飲流域階地上沿斷層走向左旋錯斷沖溝，展示了基于LiDAR數(shù)據(jù)的沖溝同震位移和累計位移的精密測量方法。基于海原斷裂帶機(jī)載LiDAR掃描項(xiàng)目所獲得的地形數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)1920年海原地震在哨馬飲區(qū)段的同震位移，并測量得到水平同震位移約為8.6m，垂直同震位移約為0.8m。另外，還得到哨馬飲沖溝累積位移量精確值，結(jié)合前人測定的階地年齡，估算海原斷層全新世以來的水平方向滑動速率為（4.0±1.0）mm／a，抬升的垂向速率下限為（0.4±0.1）mm／a。海原斷裂帶機(jī)載LiDAR實(shí)驗(yàn)表明，基于LiDAR數(shù)據(jù)的精細(xì)地貌定量化研究可以準(zhǔn)確獲取同震位移和累計位移，減少滑動速率的不確定性，得到之前難以計算的垂直運(yùn)動速率，從而加深對斷裂帶地震活動性和復(fù)發(fā)周期的認(rèn)識，理解全新世以來的斷層活動特性。

第六章選取海原斷裂帶老虎山斷裂為研究區(qū)域，展示了基于LiDAR數(shù)據(jù)的位移分布在斷裂活動性研究中的應(yīng)用。老虎山斷裂緊鄰1920年海原地震地表破裂帶的西端，20世紀(jì)90年代曾開展過1：50000活斷層填圖。在前人的工作基礎(chǔ)上，基于老虎山斷裂沿線的高分辨率LiDAR數(shù)據(jù)，在確定老虎山斷層地表破裂準(zhǔn)確位置的基礎(chǔ)上，沿斷裂選取了203處多錯斷的河溝、山脊、階地和邊坡，測量得到225個水平位移。通過分析小于20m的位移測量，重建了相對可靠的1888年景泰地震的地表破裂范圍和同震位移分布，并按照矩震級與地震矩之間的換算公式，修正景泰地震的震級為6.9級。此外，對早于1888年景泰地震的歷史地震，參考此前的松山古地震探槽記錄，大致估計了破裂范圍和地震震級，推測天祝地震空區(qū)的地震復(fù)發(fā)模式可能是“分段補(bǔ)丁”的方式。最后，以千年地震復(fù)發(fā)周期計，大致估算老虎山斷層的長期平均左旋走滑速率約為6～7mm／a。

第七章展示了基于1999年Hector Mine地震后所采集的LiDAR數(shù)據(jù)測量的同震位移，并與野外實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對分析。在基于LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的0.5m分辨率DEM支持下，測量得到255個水平位移點(diǎn)和85個垂直位移點(diǎn)，最大的水平位移值為（6.6±1.1）m，在野外最大測量值以南700m。使用積分法計算的LiDAR測量值的平均值為（1.72±0.46）m，包絡(luò)線法計算值為（2.37±0.5）m。最大的垂直位移為（1.22±0.02）m，同野外實(shí)測數(shù)據(jù)相似，并沒有明顯的分布趨勢。研究結(jié)果表明，除非地震發(fā)生在有密集人工地物的區(qū)域（例如Darfield地震），僅依靠震后LiDAR數(shù)據(jù)（或者高分辨率遙感影像）就可以得到可靠的高質(zhì)量同震位移分布。否則，只有將震前和震后的數(shù)據(jù)聯(lián)合起來解譯，才能夠保證提供斷層附近精確的三維形變信息，理解地震地表破裂幾何分布特征和傳播機(jī)制。

綜上所述，本論文的主要工作是以機(jī)載LiDAR所提供的新技術(shù)、新方法為切入點(diǎn)，對機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)組成、數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型、解算模型和誤差來源等進(jìn)行了簡要介紹，并以海原斷裂帶機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)為例，闡明了基于高分辨率、高精度的地形數(shù)據(jù)精確測量單點(diǎn)沖溝位移的方法，重點(diǎn)展示了基于單點(diǎn)沖溝位移測量得到的沿斷層走線的密集位移分布測量結(jié)果，最后通過與前人的熱年代學(xué)測年數(shù)據(jù)和地質(zhì)填圖數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，得到的歷史地震事件的位移分布、斷層的平均滑動速率等有關(guān)斷層活動性和地貌演化過程的新認(rèn)識。

本論文的創(chuàng)新點(diǎn)可歸納為以下4點(diǎn)：①探索新技術(shù)，機(jī)載LiDAR技術(shù)是一種低成本、高效率的新型數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，該技術(shù)在地震地質(zhì)研究領(lǐng)域已有近20年的成功使用經(jīng)驗(yàn)，而在我國的應(yīng)用還處于起步階段，海原斷裂帶機(jī)載LiDAR掃描項(xiàng)目的實(shí)施，從技術(shù)設(shè)計到數(shù)據(jù)質(zhì)量評價，從外業(yè)采集到內(nèi)業(yè)分析，完整的執(zhí)行了LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)采集的全過程，為推動Li－DAR技術(shù)在地震地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)儲備；②發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，沖溝（或其他線狀地物）沿斷層發(fā)生斷錯的現(xiàn)象，一直都被看作為活動斷層的地貌表征，1920年海原地震在哨馬飲區(qū)段的同震位移在之前的野外考察中從未發(fā)現(xiàn)，而在高分辨率地形數(shù)據(jù)的支持下，精確測得哨馬飲流域階地上所發(fā)育沖溝的水平和垂直同震位移，繼而得到了左旋滑動速率和垂直抬升速率；③獲得新認(rèn)識，傳統(tǒng)的野外測量受限于地形或者經(jīng)費(fèi)等因素，所開展的斷裂研究局限于個別區(qū)段或者局部點(diǎn)位，在機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的支持下，沿老虎山斷層測量得到200余處位移值，密集分布的位移測量結(jié)果能夠盡可能準(zhǔn)確地描繪出導(dǎo)致歷史地震地表破裂范圍和位移分布，基于上述測量結(jié)果修正得到1888年景泰地震的震級約為6.8級，而不是之前認(rèn)為的61/4級；④拓展新應(yīng)用，機(jī)載LiDAR的條帶掃描技術(shù)在快速準(zhǔn)確獲取斷裂帶沿線地形方面具有獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢，但是受限于航空管制、設(shè)備昂貴以及數(shù)據(jù)處理自動化程度不高等原因，LiDAR技術(shù)在活動斷裂研究中的應(yīng)用才剛剛開展，海原斷裂帶機(jī)載LiDAR掃描項(xiàng)目和Hector Mine震后LiDAR數(shù)據(jù)分析，可視為LiDAR技術(shù)在活動斷裂研究中的初步探索，后續(xù)基于LiDAR數(shù)據(jù)的活動斷層填圖、地質(zhì)填圖乃至斷裂活動性研究等方面的應(yīng)用仍有待展開。

機(jī)載LiDAR；數(shù)據(jù)精度；幾何模型；濾波；分類；定量構(gòu)造地貌；同震位移