機載LIDAR技術在活動斷裂帶研究中的(de)應用(yòng)

發布日期：2018-06-21 00:00 浏覽量：8754

　　活動斷裂研究主要通(tōng)過精确測量第四紀地貌體的(de)位錯及确定其年代，來(lái)量化(huà)斷裂的(de)活動強度，重塑大(dà)地震的(de)重複規律。精細刻畫(huà)地貌形态是必不可(kě)少的(de)基礎環節，因此活動斷裂研究的(de)重大(dà)發現強烈依賴于高(gāo)精度和(hé)高(gāo)分(fēn)辨地形數據，數字地形和(hé)光(guāng)學影(yǐng)像數據分(fēn)辨率的(de)提高(gāo)往往引發活動斷裂研究的(de)跳躍式發展。傳統位移測量，如使用(yòng)皮尺、平闆繪圖儀或全站儀，可(kě)以得(de)到單點或小範圍的(de)、亞米級精度的(de)結果，但因受限于人(rén)工操作而效率明(míng)顯較低，難于獲取沿整條斷裂的(de)大(dà)範圍高(gāo)精度地形數據，特别是記錄古地震事件的(de)位移數據。

　　機載LiDAR測量系統是一種主動航空遙感裝置，是實現地面三維坐(zuò)标和(hé)影(yǐng)像數據同步、快(kuài)速、高(gāo)精确獲取，并快(kuài)速、智能化(huà)實現地物(wù)三維實時(shí)、變化(huà)、真實形态特性再現的(de)一種國際領先的(de)測繪高(gāo)新技術。該技術基于激光(guāng)測距、GPS定位、慣導測量、及航空攝影(yǐng)測量原理(lǐ)，可(kě)以快(kuài)速、低成本、高(gāo)精度地獲取三維地形地貌、航空數碼影(yǐng)像等空間地理(lǐ)信息數據。其中機載 LiDAR 設備在飛(fēi)行中以每秒 40 萬個(gè)點，側向60°的(de)掃描範圍，在短時(shí)間内實現大(dà)範圍三維地貌、地物(wù)和(hé)植被掃描，數據在水(shuǐ)平和(hé)垂直方向上可(kě)達到厘米級精度。機載激光(guāng)雷達掃描技術以其便利性、可(kě)重複性和(hé)絕對(duì)定位，以及數據的(de)真三維性和(hé)前所未有的(de)精度等優勢，在地學及相關領域中得(de)到日益廣泛應用(yòng)和(hé)快(kuài)速發展。

　　1 機載LiDAR測量技術

　　1.1 系統組成及工作原理(lǐ)

　　機載LiDAR系統主要由激光(guāng)掃面系統、GPS、IMU、數碼相機、監控和(hé)控制系統組成，其中LiDAR傳感器和(hé)IMU是系統的(de)核心部件，LiDAR傳感器是發射測量激光(guāng)脈沖和(hé)接受激光(guāng)脈沖遇到障礙物(wù)（目标）後所反射的(de)回波，IMU爲确定任一瞬間平台在空間中的(de)姿态，GPS爲LiDAR系統提供精确的(de)定時(shí)和(hé)定位數據。，數碼相機可(kě)以爲獲得(de)高(gāo)分(fēn)辨率的(de)影(yǐng)像數據，監控及控制系統在系統采集數據的(de)同時(shí)爲操作人(rén)員(yuán)提供有效的(de)實時(shí)監控信息。對(duì)以上數據進行處理(lǐ)，可(kě)以獲得(de)DOM、DEM、DSM、DLG、三維數字模型等産品。

　　1.2數據采集及數據處理(lǐ)

　　首先進行航空Lidar掃描，得(de)到地表的(de)點雲和(hé)彩色數字相片，根據首次回波信息的(de)激光(guāng)數據拟合生成DSM；

　　然後對(duì)點雲數據進行初分(fēn)類，并對(duì)該地面點結果進行人(rén)機交互檢查編輯，去除被錯分(fēn)的(de)地面點，形成真實的(de)地面點成果，再将地面點通(tōng)過不規則三角網或格網等構建DEM，同時(shí)将地面點成果進行抽稀處理(lǐ)，形成初步高(gāo)程點數據；

　　利用(yòng)制作好的(de)DEM模型，對(duì)原始的(de)單幅影(yǐng)像進行微分(fēn)糾正，生成正射影(yǐng)像，同時(shí)利用(yòng)DEM生成等高(gāo)線；将等高(gāo)線以及正射影(yǐng)像圖進行疊加，在此基礎上繪制建築物(wù)、水(shuǐ)系、植被、道路等，形成初步的(de)地形圖；

　　利用(yòng)初步的(de)地形圖到實地進行調繪，調查并編輯建築物(wù)、水(shuǐ)系、植被、道路、等的(de)屬性及相關數據和(hé)名稱，同時(shí)對(duì)機載激光(guāng)采集而生成的(de)等高(gāo)線和(hé)初步高(gāo)程點進行檢測，以保證高(gāo)程精度，最後形成最終的(de)地形圖。

　　2 機載LiDAR測量的(de)産品

　　2.1 三維激光(guāng)點雲數據

　　激光(guāng)點雲數據不僅僅包含X、Y、Z坐(zuò)标信息，還(hái)包括如反射強度等其它多(duō)種信息。根據具體需求，激光(guāng)點雲數據密度可(kě)達到100點/平方米以上，高(gāo)密度的(de)激光(guāng)點雲數據能精确反映地形地貌細節。

　　2.2 數字高(gāo)程模型（DEM）

　　基于激光(guāng)點雲數據能夠快(kuài)速高(gāo)質地生成高(gāo)精度DEM成果，DEM高(gāo)程可(kě)達到優于10厘米精度。

　　2.3 數字表面模型（DSM）

　　DSM是用(yòng)含有首次回波信息的(de)激光(guāng)數據拟合生成的(de)地表模型，DSM模型對(duì)地表的(de)房(fáng)屋和(hé)樹木(mù)有很好的(de)表現，DSM反映了(le)區(qū)域表面的(de)高(gāo)低起伏，DSM=DTM+非地形要素，由于LiDAR原始數據爲三維點數據，因此生成DSM，需要進行插值算(suàn)法。

　　2.4 數字正射影(yǐng)像（DOM）

　　DOM具有精度高(gāo)、信息豐富、直觀逼真、獲取快(kuài)捷等優點，可(kě)作爲地圖分(fēn)析背景控制信息，也(yě)可(kě)從中提取自然資源和(hé)社會經濟發展的(de)曆史信息或最新信息，爲防治災害和(hé)公共設施建設規劃等應用(yòng)提供可(kě)靠依據；還(hái)可(kě)從中提取和(hé)派生新的(de)信息。

　　2.5 大(dà)比例尺地形圖（DLG）

　　利用(yòng)激光(guāng)點雲和(hé)DOM影(yǐng)像可(kě)快(kuài)速生産大(dà)比例尺（1：500至1：2000）DLG産品。

　　2.6 三維模型

　　在三維建模軟件支持下(xià)，以對(duì)應的(de)數碼影(yǐng)像數據爲參考，可(kě)以建立大(dà)範圍的(de)三維場(chǎng)景浏覽，進行360度的(de)觀察。

　　3 機載LiDAR技術在活動斷裂帶研究的(de)應用(yòng)

　　機載LiDAR技術不僅可(kě)以得(de)到常規的(de)DOM、地形圖等數據，還(hái)可(kě)以得(de)到三維點雲、DEM、DSM和(hé)三維模型等數據。高(gāo)分(fēn)辨率 LiDAR 數據及其與航空影(yǐng)像的(de)疊加，提高(gāo)了(le)地貌體錯位的(de)識别度和(hé)量測的(de)準确性，促進斷裂活動性和(hé)古地震複發規律的(de)精細化(huà)研究。斷裂活動往往造成斷裂兩側的(de)地形差異，形成斷裂陡坎等微小地貌特征。傳統活動斷裂研究依賴于航衛片等光(guāng)學影(yǐng)像的(de)解譯，利用(yòng)影(yǐng)像的(de)色調差異或光(guāng)照(zhào)陰影(yǐng)來(lái)識别斷裂陡坎。LiDAR數據的(de)優點是對(duì)地形凹凸細小差異的(de)高(gāo)精度描述和(hé)真三維成像，因此比光(guāng)學影(yǐng)像能更有效地揭示斷裂活動的(de)印迹。

　　我們對(duì)國内某個(gè)活動斷裂帶進行了(le)機載lidar航攝，獲取的(de)高(gāo)清晰度LiDAR 數據爲拓展活動斷裂的(de)深入細緻研究提供了(le)一個(gè)新的(de)數據平台和(hé)契機。利用(yòng)該數據，我們進行了(le)如下(xià)研究：
　　（1）活動斷裂精細填圖，以及斷裂展布的(de)幾何粗糙度、複雜(zá)性和(hé)分(fēn)段性分(fēn)析，有望對(duì)斷裂帶的(de)演化(huà)提供新線索。
　　（2）獲取了(le)大(dà)量新的(de)累積位移量值，大(dà)大(dà)地豐富了(le)位移數據，可(kě)用(yòng)于量化(huà)斷裂的(de)晚第四紀滑動速率及其沿斷裂的(de)橫向變化(huà)，進行斷裂的(de)地質速率與現今應變累積速率比較的(de)機理(lǐ)性研究。
　　（3）對(duì)該區(qū)域大(dà)地震的(de)同震位移分(fēn)布進行系統量測和(hé)不确定性分(fēn)析，并與前人(rén)工作進行比較和(hé)評價，爲揭示強震次數與梯級位移量的(de)對(duì)應關系，分(fēn)析古地震事件同震位移的(de)時(shí)空疊加效應提供了(le)直接數據基礎。
　　（4）識别出一些以往由于影(yǐng)像分(fēn)辨率較低而被忽視的(de)古地震保存較完整的(de)點位，彰顯了(le)地形數據在分(fēn)辨率上的(de)提高(gāo)對(duì)古地震複發規律研究的(de)重要性。

　　（5）研究沖溝水(shuǐ)系等河(hé)流和(hé)邊坡地貌過程對(duì)構造位錯的(de)響應，形成時(shí)代不同的(de)新老沖洪積扇地貌特征量化(huà)等構造地貌學分(fēn)析。此外，由于獲取的(de)地形數據構成海原斷裂地貌的(de)瞬時(shí)照(zhào)相，且有絕對(duì)位置的(de)标定，将作爲震間期的(de)參照(zhào)地貌，如果将來(lái)該地區(qū)發生強震或蠕滑事件，在震後通(tōng)過對(duì)同一地區(qū)進行二次掃描，與之前地貌的(de)差分(fēn) 對(duì)比将能夠捕捉到強震的(de)近斷層全息變形場(chǎng)。

　　4 結束語

　　激光(guāng)雷達技術作爲近年來(lái)航空遙感技術發展的(de)一個(gè)重要裏程碑，無疑代表著(zhe)航空遙感技術未來(lái)的(de)發展方向。機載雷達測量可(kě)以獲得(de)高(gāo)密度、高(gāo)精度的(de)點雲數據和(hé)影(yǐng)像數據，由于激光(guāng)對(duì)于植被覆蓋具有一定的(de)穿透性，可(kě)獲取到植被下(xià)面地表的(de)激光(guāng)點雲數據，因此通(tōng)過這(zhè)些地表激光(guāng)點雲可(kě)生成獲得(de)高(gāo)精度的(de)等高(gāo)線地形矢量數據。因此該技術可(kě)以在地學方面有著(zhe)很大(dà)的(de)優勢，尤其在活動斷裂帶研究中必将具有很好的(de)應用(yòng)前景。