LiDAR技術在地質環(huán)境中的主要應用與展望

馬曉雪,吳中海,李家存

LiDAR技術在地質環(huán)境中的主要應用與展望

馬曉雪1,2,3,,吳中海2,李家存1,3,

(1.首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院,北京100048；2.中國地質科學院地質力學研究所,北京100081；3.資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點實驗室,北京100048)

介紹了LiDAR激光探測與測距系統(tǒng)的組成和基本原理,并對LiDAR技術在地質災害、活動斷裂、冰川及海岸線測繪等地質環(huán)境領域的國內外應用現狀與進展進行了系統(tǒng)分析和總結,對該技術的應用前景進行了展望。LiDAR系統(tǒng)集激光、GPS和慣性導航系統(tǒng) (Inertial Navigation System,INS)三種技術于一身,能夠快速、精確地獲取地面目標的三維空間信息,是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項測繪技術新突破。LiDAR作為一種新型的遙感測量技術未來在自動、快速提取滑坡體、自動提取與斷裂相關的微地貌結構信息、海岸帶附近精細地物分類、海岸帶調查以及潮間帶生物多樣性研究等方面具有很大的發(fā)展空間。

LiDAR;地質環(huán)境;滑坡災害監(jiān)測;活動斷裂;冰川及海岸線測繪

隨著空間數據應用領域的不斷擴大,對獲取空間數據的要求也越來越高。傳統(tǒng)遙感技術獲取的數據點密度低,且效率低、費用高、生產周期長,已不能滿足當前對空間數據的需求。LiDAR(Light Detection and Ranging)發(fā)射的激光能部分地穿透樹林的遮擋,直接獲取高精度的地表三維地形數據,彌補了傳統(tǒng)遙感技術和大地測量方法在高程數據獲取及快速自動化處理方面的缺點和不足。LiDAR具有的高空間分辨率、強抗干擾能力以及高自動化等特點,使其不僅能夠快速獲取高程數據,而且在地形測繪、城市三維建模、環(huán)境監(jiān)測、工程建設、地球科學及行星科學等諸多領域具有極好的發(fā)展前景和很強的競爭力。近年來在滑坡[1～5]、活動斷裂[8～11]、冰川[12～15]和海岸線測繪[16～18]等地質環(huán)境領域得到了廣泛的應用,并取得了一系列的成果與新進展。

1　LiDAR技術簡介

LiDAR系統(tǒng)主要包括4部分:①激光掃描儀 (LiDAR的核心),測量激光發(fā)射點與地面激光腳點之間的距離；②動態(tài)差分GPS(DGPS),記錄瞬間激光和數碼相機開啟脈沖的時間并獲取LiDAR的三維坐標；③激光測量單元 (IMU),測定激光掃描裝置的主光軸的空間姿態(tài)參數；④數碼相機,獲取地面的地物地貌真彩或紅外數字影像信息。根據載荷平臺的不同,LiDAR可以分為地面、車載、機載和星載4種類型。地面LiDAR發(fā)展最為成熟,相比于其他幾種類型的LiDAR系統(tǒng)精度較高,平面精度和垂直精度可以達到毫米級甚至亞毫米級。車載、機載和星載LiDAR系統(tǒng)自2002年以后才開始從實驗室逐步走向實際應用,但是它們的應用領域相當廣泛。除了傳統(tǒng)的測繪領域外,在地球科學中的應用也日益廣泛和深入[1](見表1)。

表1 四種LiDAR系統(tǒng)的比較Table 1 Comparison of four LiDAR systems

LiDAR系統(tǒng)中的激光測距儀包括一個單束窄帶激光器和一個接收系統(tǒng)。激光器發(fā)射一束離散的激光脈沖,打在地面物體上并反射回來被接收器接收。接收器能夠準確地記錄激光脈沖從發(fā)射到被接收所用的時間,且已知激光脈沖以光速傳播,因此可以計算出激光器與地面點的距離。計算公式為:

式中R為傳感器到目標物體的距離,C為光速,t為激光脈沖從發(fā)射到被接收所用時間。

由DGPS獲得的數據可以得到激光發(fā)射器的位置坐標,IMU可以得到飛行器的姿態(tài)參數,然后再結合激光器的高度和激光掃描的角度等數據就可以準確計算出每一個地面激光腳點的三維坐標。

機載LiDAR系統(tǒng)組成和基本原理示意圖見圖1、圖2。

2　LiDAR技術在地質環(huán)境領域的主要應用

LiDAR技術以其獨特的優(yōu)勢和高精度的成果,被廣泛應用于土地利用、地形測繪、森林調查、城市規(guī)劃及地質環(huán)境變化等多個領域,展示出了良好的應用前景。目前在地質環(huán)境領域主要應用于滑坡識別與監(jiān)測、活動斷裂調查研究、冰川研究和海岸帶測繪等方面。

圖1　機載LiDAR系統(tǒng)[2]Fig.1　Airborne LiDAR system

圖2　機載LiDAR的基本原理Fig.2　Basic principle of airborne LiDAR

2.1滑坡識別與監(jiān)測研究

滑坡是一種常見的地質災害類型,常給人類活動造成嚴重的損害,因此分析研究滑坡對滑坡災害預警以及減災防災具有重要意義。LiDAR技術不僅能為滑坡災害研究提供高精度的DEM,還可以利用不同時相的LiDAR數據對滑坡變形進行動態(tài)監(jiān)測,了解滑坡體在一定時間范圍內的變形趨勢和特征,并精確計算變形量,從而提高滑坡監(jiān)測的精度和效率。雖然地面LiDAR具有很高的觀測分辨率,但由于監(jiān)測距離和范圍的限制,只能針對單個滑坡進行；機載LiDAR相對于地面LiDAR監(jiān)測范圍廣,可針對大面積滑坡進行觀測[3],但觀測精度受到一定限制。

2.1.1滑坡識別及其主要參數的定量化分析

準確識別滑坡并確定其具體分布范圍和體積是科學評估滑坡災害危險性與危害性的重要前提。在從大空間尺度識別滑坡并確定其分布與體積方面,LiDAR技術與常規(guī)測量技術相比具有獨特優(yōu)勢。LiDAR技術能夠生成高精度的DEM,并基于此高精度的DEM對滑坡進行定性和定量分析,實現滑坡邊界的圈定。定性分析是利用LiDARDEM生成一系列不同視角下的山體陰影圖,它能夠很好地表達地形的立體形態(tài)。定量分析是利用LiDARDEM提取精細微地形地貌參數分析滑坡要素。借助于不同方位角的LiDAR山體陰影圖及坡度和粗糙度圖,能夠準確地識別滑坡滑動的范圍,并準確圈定出滑坡后緣、滑坡側緣、滑舌等滑坡要素。Schulz[4]利用機載LiDAR技術對西雅圖地區(qū)的滑坡進行了詳細填圖,由于LiDAR技術能夠透射植被,研究發(fā)現使用LiDAR數據圈定的滑坡個數是傳統(tǒng)航空攝影測量圈定的4倍之多,識別出很多以前利用航片解譯不能識別的滑坡,表明了LiDAR技術在滑坡識別中的巨大優(yōu)勢。沈永林等[5]以海地地震誘發(fā)的滑坡體為研究對象,對研究區(qū)的航空影像和機載LiDAR數據預處理后,利用面向對象的多尺度影像分割技術進行影像分割,并結合滑坡體及其他地物特點,選擇相應的特征組合,設定合適的特征參數閾值,進而構建規(guī)則,實現地物分類和滑坡識別。馬洪超等[6]對2008年汶川地震引起的都江堰—汶川公路滑坡進行機載LiDAR測量,并利用LiDAR點云生成了DEM數據,對滑坡的位置、體積和土石方等參數進行了估算 (見圖3),提高了效率,改進了勘察工作的安全性,表明LiDAR技術在滑坡災害應急響應中的重要性。

2.1.2滑坡變形動態(tài)監(jiān)測

滑坡變形動態(tài)監(jiān)測主要包括地表位移監(jiān)測和地下位移監(jiān)測?；麦w地表變形監(jiān)測是對滑坡體地表進行絕對位移和相對位移監(jiān)測。對滑坡表面位移進行監(jiān)測能夠反映滑坡的真實動態(tài)、總體變形趨勢等特點,通過監(jiān)測結果的分析與研究,掌握滑坡的變形規(guī)律,以更好地進行滑坡災害預報,減少滑坡帶來的巨大損失?；贚iDAR技術的滑坡地表位移監(jiān)測主要對LiDAR獲得的滑坡體表面的點云數據進行預處理,構建滑坡體表面的DEM,通過不同時期DEM的整體對比,分析監(jiān)測點的變形信息和特定區(qū)域的土方量變化,進而預測坡體的變形趨勢和未來滑坡量的大小。Roering等[7]利用差分干涉測量 (DInSAR)、機載LiDAR和歷史航空影像對加利福尼亞北部鰻魚河流域大型的滑動緩慢的滑坡進行了分析研究,從獲取的干涉圖中確定了2007年2月到2008年2月期間活動的5個大型 (長度大于1 km)滑坡,并對滑坡表面的位移進行分析,精確得到了滑坡的平均下滑速率、最小輸沙量以及侵蝕速率。徐進軍等[8]應用地面LiDAR技術監(jiān)測滑坡變形,采用 “重心法”對三峽庫區(qū)某滑坡的局部進行監(jiān)測與分析,獲得了較滿意的結果,但該方法對于處理大型滑坡仍有不足。劉圣偉等[9]以長江三峽工程庫區(qū)的樹坪滑坡為研究對象,利用2006年和2009年兩期機載LiDAR數據對滑坡的變形情況進行了初步分析,主要通過比較不同特征點之間的坐標差在兩期機載LiDAR測量結果中的變化進行滑坡變形監(jiān)測,研究得到的樹坪滑坡的變形特征與前人研究結果一致,表明機載LiDAR在滑坡變形監(jiān)測方面有較好發(fā)展前景。

圖3　基于Leica ALS50II機載激光雷達獲取的都江堰—汶川公路高分辨率DEM立體影像的滑坡解譯結果[6]Fig.3　Results of the landslide interpretation of high resolution DEM stereo images obtained from the airborne LiDAR based on ALS50II Leica airborne LiDAR

2.2活動斷裂研究

活動構造研究是地震危險性評價的重要基礎性地質工作[10],其重點是活動斷裂的調查與研究?；顒訑嗔蜒芯康闹饕獌热菔峭ㄟ^精確測量第四紀地貌體的位錯并確定其年代,量化斷裂的活動強度,重塑大地震的重復規(guī)律。因此精細刻畫地貌形態(tài)是活動斷裂研究的重要環(huán)節(jié),這需要高精度、高分辨率地形數據的支撐。LiDAR技術能夠對地貌進行高精度、全方位、三維直接測量,可以為活動斷裂提供沿整條斷裂帶的高精度地貌高程基礎數據,近年來已成為活動斷裂研究的一種重要技術手段。

2.2.1高精度斷層微地貌形態(tài)獲取

斷層微地貌研究是評價斷裂活動性的關鍵,也是預測斷裂在未來一段時間地震危險性需要解決的基本問題。斷層微地貌的研究主要包括2個方面,一是活斷層控制之下形成的微地貌的地形特點、影響因素及演變方式等；二是與控制微地貌形成相關的活動斷層上的古地震研究,尋找可識別出古地震的各種變形和沉積標志,最終弄清古地震的具體期次,估算出斷層活動的復發(fā)周期以及斷層活動速率等定量參數[11]。斷層微地貌研究還能為斷層填圖提供基礎數據,通過斷層詳細填圖可以使研究人員清楚地認識斷層的空間展布和運動學特征,為地震危險性評價和防震減災工作提供科學參考。LiDAR數據能夠實現地形細小差異的高精度描述和真三維成像,從而比光學影像更有效地揭示斷裂活動印跡。利用LiDAR數據,可以從各個不同的光照角度暈渲地形以突出和增強斷裂微地貌特征。Chan等[12]利用機載LiDAR數據生成的1 m分辯率DEM、航攝相片和地形圖對臺灣北部的活動斷裂——新城斷層進行了深入研究。激光雷達DEM對于發(fā)現研究區(qū)域微小的高程變化也非常有效,這對于評估和測定斷層微地貌特征有很重要的意義。如劉靜等[13]利用機載LiDAR技術對海原斷裂帶的微地貌進行了詳細描述,根據獲取的高密度點云數據生成了0.5 m分辨率的DEM,實現了海原斷裂帶微地貌形態(tài)和斷層幾何的高清晰度三維再現 (見圖4),對斷裂活動性和古地震復發(fā)規(guī)律的精細化研究起到了很大的促進作用。

圖4　海原斷裂微地貌形態(tài)和斷層幾何的高清晰度三維再現[13]Fig.4　High resolution three-dimensional reconstruction of the Haiyuan fault and the fault geometry of the micro topography

2.2.2斷裂變形測量

斷裂位移主要指斷裂不同時期的錯動量大小,包括垂直位移和水平位移。斷裂的垂直位移通過提取斷層崖和斷層陡坎的垂直錯動量獲取,斷裂上不同級別的水平位移通過提取不同時代水系、沖溝、洪積扇和階地等地貌體的水平錯動量獲取,進而為定量評估斷裂活動性提供重要依據。斷裂帶滑動速率的限定需要2個參數,一個是高精度的斷裂錯斷典型地貌的位移量,另一個是被錯斷地貌的年齡。利用遙感衛(wèi)星影像圖進行斷裂帶錯斷地貌水平位移量的測量已被廣泛應用于各種大型活動走滑斷裂的研究,但是利用高分辨率衛(wèi)星影像無法獲得準確的垂直位移量,而LiDAR能夠快速獲取高精度的地貌位錯量,因此在斷裂位移及滑動速率測量方面凸顯出了巨大優(yōu)勢。如:Karabacak等[14]在2006—2009年間利用地面LiDAR對北安納托利安斷層上的固定建筑進行了6次重復觀測,生成了點云數據,計算得到的位移量和其年化震間變形速率與其他遙感技術如InSAR和GPS所觀測的結果一致,說明利用地基LiDAR進行震間變形觀測是可行而且有效的；徐錫偉等[15]利用富蘊斷裂的地面LiDAR掃描DEM、野外考察數據和高分辨率衛(wèi)星影像等數據,結合多級地貌面宇宙成因核素 (10Be)系統(tǒng)測年數據,精確限定了該斷裂晚更新世以來的右旋走滑速率 (見圖5)以及大地震的復發(fā)間隔,并推導出低滑動速率和長周期特征地震復發(fā)模型,為分析板塊間相互作用產生的遠程應變效應的基本特征提供了重要依據。

圖5　富蘊地震地表破裂帶及走滑位移分布圖[15]Fig.5　The 1931 Fuyun earthquake surface rupture zone and distribution of cumulative slips

2.3現代冰川變化研究

極地冰雪動態(tài)變化研究是極地科學研究的重要內容之一,在很大程度上影響著全球氣候和海平面的變化。目前星載LiDAR成為研究兩極冰雪變化的最有效手段之一[16],2003年1月美國NASA發(fā)射的ICESat衛(wèi)星上所攜帶的激光測距系統(tǒng)GLAS可用于冰川屬性與參數的提取,并可對參數變化趨勢進行定量分析。由于GLAS可以獲取高精度的高程數據,因此可用于估計冰川表面地形的高程變化率。Yamamoto等[17]將每一周期記錄的激光數據內插為高分辨率的規(guī)則格網DEM,將每一周期的DEM數據與前一周期比較,得出每個格網點的變化趨勢,再將分辨率降低以求得較大格網單元內變化趨勢的平均值,由此來估算極地的物質運移。星載LiDAR數據還可以結合其他數據源,進行冰川地形測繪與變化監(jiān)測。Weche等[18]利用GLAS數據,結合地面GPS量測數據、機載雷達測高儀以及無線電聲吶等數據進行聯(lián)合平差,獲取了EKsstromisen地區(qū)高精度的DEM,滿足冰川變化狀態(tài)的動態(tài)模擬和物質平衡狀態(tài)研究的需求。Janke[19]將科羅拉多州的安德魯斯和泰勒冰川1 m分辨率的LiDAR DEM與美國地質調查局 (USGS)10 m分辨率的DEM在高程、坡度和曲率 (見圖6)等方面進行了比較,結果表明LiDAR DEM能夠更清晰地呈現巖石冰川的微地貌特征。李光輝等[20]對西藏那曲縣境內的 “中習一號”冰川進行研究,利用獲取的機載LiDAR數據提取研究區(qū)的DEM,并根據DEM對機載高光譜數據的分類結果進行正射糾正,獲取了冰川的數字正射影像圖 (DOM),最后融合研究區(qū)的DOM和激光點云數據提取冰川雪線,為綜合分析該區(qū)氣候、地勢和地形等因素對冰川發(fā)育的影響提供重要依據。

2.4海岸線測繪

海岸線即陸地與海洋的分界線,一般指海潮時高潮所到達的界線。海岸線對于海岸帶的保護和管理意義重大,海岸線的變化直接影響了海岸帶的環(huán)境和沿海人民的生存發(fā)展。因此,實現海岸線變化的快速準確監(jiān)測,對海岸、灘涂的開發(fā)利用和海洋的災害評估具有十分重要的意義。相對于傳統(tǒng)的海岸線測繪方法,聯(lián)合LiDAR數據、影像數據和潮汐數據自動提取海岸線,所提取的海岸線精度高、自動化程度高且不易受海岸帶類型影像。Stockdon[21]等采用剖面分析方式結合機載LiDAR數據和潮汐數據自動提取海岸線,將LiDAR點云按一定的間隔劃分剖面,然后根據剖面上的離散點擬合曲線,將該曲線和潮汐面相交獲取臨界點,最后連接這些點自動提取海岸線。Robertson[22]等采取跟蹤特定高程單條等高線的方式,從LiDAR點云生成的海岸帶DEM中提取海岸線。倪紹起等[23]提出一種基于機載LiDAR與潮汐推算的自然岸線遙感提取方法,該方法基于LiDAR系統(tǒng)獲取的航空正射影像解譯瞬時水邊線,應用LiDAR系統(tǒng)提取的DEM和建立的高程系統(tǒng)轉換模型,通過潮汐數據推算了煙臺芝罘島與黃河口飛雁灘的海岸線,并將所得結果與 “908專項”航空遙感調查岸線進行疊加顯示,其中砂質岸線的提取精度最高 (見圖7),提高了海岸線提取的效率。

圖6　Taylor Rock及Andrews冰川LiDAR DEM與USGS DEM的比較[19]Fig.6　Curvature comparisons for LiDAR and USGS DEM sources for Taylor Rock Glacier and Andrews Glacier

3　存在問題及展望

3.1存在的主要問題

盡管LiDAR在地質環(huán)境中的應用取得了很大成功,但目前這一技術的應用仍存在一些局限,主要表現在以下幾個方面:

①在滑坡識別方面,雖然可以利用LiDAR生成的高精度DEM計算坡度、坡向、地表粗糙度等,利用小波分析、傅里葉變換等方法開展地形的精細參數特征研究,但是這些參數在同一研究區(qū)并沒有被系統(tǒng)地使用過,缺乏基于精細地表參數的滑坡識別方法規(guī)律性研究和不同成因類型滑坡識別研究。

②基于LiDAR技術對活動構造和地表形變的研究相對較弱,所獲取的數據和資料大都基于單個圖幅的有限范圍,目前可獲得的LiDAR數據還比較匱乏,難以滿足大區(qū)域活動構造研究的需要,且自動提取斷裂構造信息的算法還有待進一步改進。

圖7　基于機載LiDAR數據的自然岸線提取結果及推算岸線與 “908專項”航空遙感海岸線疊加效果圖[23]Fig.7　Natural coastline extracted based on airborne LiDAR data and estimated coastlines overlying with“908 coastline”

③基于LiDAR數據的淤泥質海岸線的提取是目前的一個技術難題。由于淤泥質海岸的地形平緩、坡度較小,因此垂直方向的微小差異可能導致水平方向數十米甚至上百米的距離偏差,這是精確提取淤泥質海岸的困難所在。

④利用LiDAR進行海水測深存在很多問題。由于海面經常產生白浪和大量氣泡,使得激光產生更多的折射,傳播路徑更加復雜。此外,海水的潮汐、風浪、洋流運動也會影響到LiDAR測深的精度。由于激光在海水中的傳播速度很快,對于水深小于2 m的海域來說,海面和海底兩次回波的時間差極短 (不足10 ns),使得兩次回波很難區(qū)分。

3.2展望

LiDAR技術發(fā)展至今,已逐漸成為一種重要的信息獲取技術。作為一種年輕的技術, LiDAR還有很多發(fā)展空間,特別是在數據處理算法以及軟件和系統(tǒng)的開發(fā)等方面,包括光學遙感、微波遙感、多光譜遙感在內的遙感技術所獲取的數據都具有各自的特點,因此如果將LiDAR數據與測區(qū)的地形圖、規(guī)劃圖等GIS數據、影像數據和多光譜數據等相結合就能充分發(fā)揮多源遙感數據的優(yōu)勢。隨著LiDAR技術的不斷發(fā)展,高精度、高密度、高分辨率及大數據量將是激光點云的主要特點,因此,要發(fā)展能夠處理大數據量的數據處理技術,目前分布式并行化數據處理技術已得到廣泛的應用,將該技術用于激光點云數據的處理可能是今后的一種趨勢。

LiDAR技術在地質環(huán)境中的應用凸顯了其巨大的潛力,但是,LiDAR技術在以下幾方面還有很大的發(fā)展空間:利用獲取的LiDAR點云數據自動、快速提取滑坡體并對有關參數進行計算；自動提取與斷裂相關的微地貌結構信息；將LiDAR影像與高分辨率光學影像相結合進行海岸帶附近精細地物分類,為海岸帶調查、潮間帶生物多樣性研究等提供直接觀測數據等。這些都是今后需要研究的方向,將會極大地推動LiDAR技術在地質環(huán)境研究中的發(fā)展。另外,由于LiDAR測量精度的限制,目前只能應用于較大變形的測量,隨著LiDAR精度的提高,其應用范圍將會越來越廣。以后可能同InSAR一樣用于監(jiān)測地表微小形變,如地面沉降的監(jiān)測、跨斷層的地表變形等。

總體而言,LiDAR作為一種全新的遙感技術,已經躋身先進的集成測量技術方法之列,具有極好的發(fā)展前景和很強的競爭力。

致謝 對地質力學研究所黃小龍博士和首都師范大學黃小巾碩士在成文過程中提供的資料和幫助,審稿專家提出的寶貴意見與建議,在此一致表示衷心感謝。

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LiDAR TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION AND PROSPECT IN GEOLOGICAL ENVIRONMENT

MA Xiao-xue1,2,3,WU Zhong-hai2,LI Jia-cun1,3
(1.College of Resource Environment and Tourism,Capital Normal University,Beijing 100048,China；2.Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,China；3.Key Laboratory of 3-Dimensional Information Acquisition and Application,Ministry of Education,Beijing 100048,China)

Based on the composition and fundamental of LiDAR,we summarize its application status and progress in the field of geology,such as geological disasters,active faults,glaciers and coastline mapping,and prospect its application in the future.LiDAR system includes three technologies:laser,GPS and inertial navigation systems,which make a breakthrough in spatial mapping technology following GPS,it obtains three-dimensional information on ground targets quickly and accurately.As a new remote sensing technology,LiDAR will have great development in automatically extracting the landslides and the micro geomorphology structure information of faults. In addition,LiDAR will be widely used in terrain classification,coastal zone investigation and the study on biological diversity in intertidal coastal zone in the future.

LiDAR；geological environment；monitoring of landslide hazard；active faults；glacier and coastline mapping

P627

A

1006-6616(2016)01-0093-11

2015-07-30

中國地質調查局地質調查項目 (1212011120163,12120114002101)；國家自然科學基金項目(41171009)；中國地質科學院地質力學研究所基本科研業(yè)務費項目 (DZLXJK201410)

馬曉雪 (1991-),女,碩士研究生,主要從事3S技術與地學應用研究。E-mail:534611080@qq.com

吳中海 (1974-),男,博士,研究員,主要從事第四紀地質和活動構造研究。E-mail:wzhh4488@sina.com