機載LIDAR技術在活動斷裂帶研究中的應用

發布日期：2018-06-21 00:00 瀏覽量：12427

　　活動斷裂研究主要通過精確測量第四紀地貌體的位錯及確定其年代，來量化斷裂的活動強度，重塑大地震的重復規律。精細刻畫地貌形態是必不可少的基礎環節，因此活動斷裂研究的重大發現強烈依賴于高精度和高分辨地形數據，數字地形和光學影像數據分辨率的提高往往引發活動斷裂研究的跳躍式發展。傳統位移測量，如使用皮尺、平板繪圖儀或全站儀，可以得到單點或小范圍的、亞米級精度的結果，但因受限于人工操作而效率明顯較低，難于獲取沿整條斷裂的大范圍高精度地形數據，特別是記錄古地震事件的位移數據。

　　機載LiDAR測量系統是一種主動航空遙感裝置，是實現地面三維坐標和影像數據同步、快速、高精確獲取，并快速、智能化實現地物三維實時、變化、真實形態特性再現的一種國際領先的測繪高新技術。該技術基于激光測距、GPS定位、慣導測量、及航空攝影測量原理，可以快速、低成本、高精度地獲取三維地形地貌、航空數碼影像等空間地理信息數據。其中機載 LiDAR 設備在飛行中以每秒 40 萬個點，側向60°的掃描范圍，在短時間內實現大范圍三維地貌、地物和植被掃描，數據在水平和垂直方向上可達到厘米級精度。機載激光雷達掃描技術以其便利性、可重復性和絕對定位，以及數據的真三維性和前所未有的精度等優勢，在地學及相關領域中得到日益廣泛應用和快速發展。

　　1 機載LiDAR測量技術

　　1.1 系統組成及工作原理

　　機載LiDAR系統主要由激光掃面系統、GPS、IMU、數碼相機、監控和控制系統組成，其中LiDAR傳感器和IMU是系統的核心部件，LiDAR傳感器是發射測量激光脈沖和接受激光脈沖遇到障礙物（目標）后所反射的回波，IMU為確定任一瞬間平臺在空間中的姿態，GPS為LiDAR系統提供精確的定時和定位數據。，數碼相機可以為獲得高分辨率的影像數據，監控及控制系統在系統采集數據的同時為操作人員提供有效的實時監控信息。對以上數據進行處理，可以獲得DOM、DEM、DSM、DLG、三維數字模型等產品。

　　1.2數據采集及數據處理

　　首先進行航空Lidar掃描，得到地表的點云和彩色數字相片，根據首次回波信息的激光數據擬合生成DSM；

　　然后對點云數據進行初分類，并對該地面點結果進行人機交互檢查編輯，去除被錯分的地面點，形成真實的地面點成果，再將地面點通過不規則三角網或格網等構建DEM，同時將地面點成果進行抽稀處理，形成初步高程點數據；

　　利用制作好的DEM模型，對原始的單幅影像進行微分糾正，生成正射影像，同時利用DEM生成等高線；將等高線以及正射影像圖進行疊加，在此基礎上繪制建筑物、水系、植被、道路等，形成初步的地形圖；

　　利用初步的地形圖到實地進行調繪，調查并編輯建筑物、水系、植被、道路、等的屬性及相關數據和名稱，同時對機載激光采集而生成的等高線和初步高程點進行檢測，以保證高程精度，最后形成最終的地形圖。

　　2 機載LiDAR測量的產品

　　2.1 三維激光點云數據

　　激光點云數據不僅僅包含X、Y、Z坐標信息，還包括如反射強度等其它多種信息。根據具體需求，激光點云數據密度可達到100點/平方米以上，高密度的激光點云數據能精確反映地形地貌細節。

　　2.2 數字高程模型（DEM）

　　基于激光點云數據能夠快速高質地生成高精度DEM成果，DEM高程可達到優于10厘米精度。

　　2.3 數字表面模型（DSM）

　　DSM是用含有首次回波信息的激光數據擬合生成的地表模型，DSM模型對地表的房屋和樹木有很好的表現，DSM反映了區域表面的高低起伏，DSM=DTM+非地形要素，由于LiDAR原始數據為三維點數據，因此生成DSM，需要進行插值算法。

　　2.4 數字正射影像（DOM）

　　DOM具有精度高、信息豐富、直觀逼真、獲取快捷等優點，可作為地圖分析背景控制信息，也可從中提取自然資源和社會經濟發展的歷史信息或最新信息，為防治災害和公共設施建設規劃等應用提供可靠依據；還可從中提取和派生新的信息。

　　2.5 大比例尺地形圖（DLG）

　　利用激光點云和DOM影像可快速生產大比例尺（1：500至1：2000）DLG產品。

　　2.6 三維模型

　　在三維建模軟件支持下，以對應的數碼影像數據為參考，可以建立大范圍的三維場景瀏覽，進行360度的觀察。

　　3 機載LiDAR技術在活動斷裂帶研究的應用

　　機載LiDAR技術不僅可以得到常規的DOM、地形圖等數據，還可以得到三維點云、DEM、DSM和三維模型等數據。高分辨率 LiDAR 數據及其與航空影像的疊加，提高了地貌體錯位的識別度和量測的準確性，促進斷裂活動性和古地震復發規律的精細化研究。斷裂活動往往造成斷裂兩側的地形差異，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學影像的解譯，利用影像的色調差異或光照陰影來識別斷裂陡坎。LiDAR數據的優點是對地形凹凸細小差異的高精度描述和真三維成像，因此比光學影像能更有效地揭示斷裂活動的印跡。

　　我們對國內某個活動斷裂帶進行了機載lidar航攝，獲取的高清晰度LiDAR 數據為拓展活動斷裂的深入細致研究提供了一個新的數據平臺和契機。利用該數據，我們進行了如下研究：
　　（1）活動斷裂精細填圖，以及斷裂展布的幾何粗糙度、復雜性和分段性分析，有望對斷裂帶的演化提供新線索。
　　（2）獲取了大量新的累積位移量值，大大地豐富了位移數據，可用于量化斷裂的晚第四紀滑動速率及其沿斷裂的橫向變化，進行斷裂的地質速率與現今應變累積速率比較的機理性研究。
　　（3）對該區域大地震的同震位移分布進行系統量測和不確定性分析，并與前人工作進行比較和評價，為揭示強震次數與梯級位移量的對應關系，分析古地震事件同震位移的時空疊加效應提供了直接數據基礎。
　　（4）識別出一些以往由于影像分辨率較低而被忽視的古地震保存較完整的點位，彰顯了地形數據在分辨率上的提高對古地震復發規律研究的重要性。

　　（5）研究沖溝水系等河流和邊坡地貌過程對構造位錯的響應，形成時代不同的新老沖洪積扇地貌特征量化等構造地貌學分析。此外，由于獲取的地形數據構成海原斷裂地貌的瞬時照相，且有絕對位置的標定，將作為震間期的參照地貌，如果將來該地區發生強震或蠕滑事件，在震后通過對同一地區進行二次掃描，與之前地貌的差分對比將能夠捕捉到強震的近斷層全息變形場。

　　4 結束語

　　激光雷達技術作為近年來航空遙感技術發展的一個重要里程碑，無疑代表著航空遙感技術未來的發展方向。機載雷達測量可以獲得高密度、高精度的點云數據和影像數據，由于激光對于植被覆蓋具有一定的穿透性，可獲取到植被下面地表的激光點云數據，因此通過這些地表激光點云可生成獲得高精度的等高線地形矢量數據。因此該技術可以在地學方面有著很大的優勢，尤其在活動斷裂帶研究中必將具有很好的應用前景。