機(jī)載LIDAR技術(shù)在活動(dòng)斷裂帶研究中的應(yīng)用

發(fā)布日期：2018-06-21 00:00 瀏覽量：10450

　　活動(dòng)斷裂研究主要通過(guò)精確測(cè)量第四紀(jì)地貌體的位錯(cuò)及確定其年代，來(lái)量化斷裂的活動(dòng)強(qiáng)度，重塑大地震的重復(fù)規(guī)律。精細(xì)刻畫(huà)地貌形態(tài)是必不可少的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，因此活動(dòng)斷裂研究的重大發(fā)現(xiàn)強(qiáng)烈依賴于高精度和高分辨地形數(shù)據(jù)，數(shù)字地形和光學(xué)影像數(shù)據(jù)分辨率的提高往往引發(fā)活動(dòng)斷裂研究的跳躍式發(fā)展。傳統(tǒng)位移測(cè)量，如使用皮尺、平板繪圖儀或全站儀，可以得到單點(diǎn)或小范圍的、亞米級(jí)精度的結(jié)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(shù)據(jù)，特別是記錄古地震事件的位移數(shù)據(jù)。

　　機(jī)載LiDAR測(cè)量系統(tǒng)是一種主動(dòng)航空遙感裝置，是實(shí)現(xiàn)地面三維坐標(biāo)和影像數(shù)據(jù)同步、快速、高精確獲取，并快速、智能化實(shí)現(xiàn)地物三維實(shí)時(shí)、變化、真實(shí)形態(tài)特性再現(xiàn)的一種國(guó)際領(lǐng)先的測(cè)繪高新技術(shù)。該技術(shù)基于激光測(cè)距、GPS定位、慣導(dǎo)測(cè)量、及航空攝影測(cè)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(shù)碼影像等空間地理信息數(shù)據(jù)。其中機(jī)載 LiDAR 設(shè)備在飛行中以每秒 40 萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，側(cè)向60°的掃描范圍，在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大范圍三維地貌、地物和植被掃描，數(shù)據(jù)在水平和垂直方向上可達(dá)到厘米級(jí)精度。機(jī)載激光雷達(dá)掃描技術(shù)以其便利性、可重復(fù)性和絕對(duì)定位，以及數(shù)據(jù)的真三維性和前所未有的精度等優(yōu)勢(shì)，在地學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域中得到日益廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展。

　　1 機(jī)載LiDAR測(cè)量技術(shù)

　　1.1 系統(tǒng)組成及工作原理

　　機(jī)載LiDAR系統(tǒng)主要由激光掃面系統(tǒng)、GPS、IMU、數(shù)碼相機(jī)、監(jiān)控和控制系統(tǒng)組成，其中LiDAR傳感器和IMU是系統(tǒng)的核心部件，LiDAR傳感器是發(fā)射測(cè)量激光脈沖和接受激光脈沖遇到障礙物（目標(biāo)）后所反射的回波，IMU為確定任一瞬間平臺(tái)在空間中的姿態(tài)，GPS為L(zhǎng)iDAR系統(tǒng)提供精確的定時(shí)和定位數(shù)據(jù)。，數(shù)碼相機(jī)可以為獲得高分辨率的影像數(shù)據(jù)，監(jiān)控及控制系統(tǒng)在系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的同時(shí)為操作人員提供有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息。對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以獲得DOM、DEM、DSM、DLG、三維數(shù)字模型等產(chǎn)品。

　　1.2數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理

　　首先進(jìn)行航空Lidar掃描，得到地表的點(diǎn)云和彩色數(shù)字相片，根據(jù)首次回波信息的激光數(shù)據(jù)擬合生成DSM；

　　然后對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初分類，并對(duì)該地面點(diǎn)結(jié)果進(jìn)行人機(jī)交互檢查編輯，去除被錯(cuò)分的地面點(diǎn)，形成真實(shí)的地面點(diǎn)成果，再將地面點(diǎn)通過(guò)不規(guī)則三角網(wǎng)或格網(wǎng)等構(gòu)建DEM，同時(shí)將地面點(diǎn)成果進(jìn)行抽稀處理，形成初步高程點(diǎn)數(shù)據(jù)；

　　利用制作好的DEM模型，對(duì)原始的單幅影像進(jìn)行微分糾正，生成正射影像，同時(shí)利用DEM生成等高線；將等高線以及正射影像圖進(jìn)行疊加，在此基礎(chǔ)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(shí)地進(jìn)行調(diào)繪，調(diào)查并編輯建筑物、水系、植被、道路、等的屬性及相關(guān)數(shù)據(jù)和名稱，同時(shí)對(duì)機(jī)載激光采集而生成的等高線和初步高程點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，以保證高程精度，最后形成最終的地形圖。

　　2 機(jī)載LiDAR測(cè)量的產(chǎn)品

　　2.1 三維激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)

　　激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)不僅僅包含X、Y、Z坐標(biāo)信息，還包括如反射強(qiáng)度等其它多種信息。根據(jù)具體需求，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度可達(dá)到100點(diǎn)/平方米以上，高密度的激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)能精確反映地形地貌細(xì)節(jié)。

　　2.2 數(shù)字高程模型（DEM）

　　基于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)能夠快速高質(zhì)地生成高精度DEM成果，DEM高程可達(dá)到優(yōu)于10厘米精度。

　　2.3 數(shù)字表面模型（DSM）

　　DSM是用含有首次回波信息的激光數(shù)據(jù)擬合生成的地表模型，DSM模型對(duì)地表的房屋和樹(shù)木有很好的表現(xiàn)，DSM反映了區(qū)域表面的高低起伏，DSM=DTM+非地形要素，由于LiDAR原始數(shù)據(jù)為三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此生成DSM，需要進(jìn)行插值算法。

　　2.4 數(shù)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(yōu)點(diǎn)，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(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的歷史信息或最新信息，為防治災(zāi)害和公共設(shè)施建設(shè)規(guī)劃等應(yīng)用提供可靠依據(jù)；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(diǎn)云和DOM影像可快速生產(chǎn)大比例尺（1：500至1：2000）DLG產(chǎn)品。

　　2.6 三維模型

　　在三維建模軟件支持下，以對(duì)應(yīng)的數(shù)碼影像數(shù)據(jù)為參考，可以建立大范圍的三維場(chǎng)景瀏覽，進(jìn)行360度的觀察。

　　3 機(jī)載LiDAR技術(shù)在活動(dòng)斷裂帶研究的應(yīng)用

　　機(jī)載LiDAR技術(shù)不僅可以得到常規(guī)的DOM、地形圖等數(shù)據(jù)，還可以得到三維點(diǎn)云、DEM、DSM和三維模型等數(shù)據(jù)。高分辨率 LiDAR 數(shù)據(jù)及其與航空影像的疊加，提高了地貌體錯(cuò)位的識(shí)別度和量測(cè)的準(zhǔn)確性，促進(jìn)斷裂活動(dòng)性和古地震復(fù)發(fā)規(guī)律的精細(xì)化研究。斷裂活動(dòng)往往造成斷裂兩側(cè)的地形差異，形成斷裂陡坎等微小地貌特征。傳統(tǒng)活動(dòng)斷裂研究依賴于航衛(wèi)片等光學(xué)影像的解譯，利用影像的色調(diào)差異或光照陰影來(lái)識(shí)別斷裂陡坎。LiDAR數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)地形凹凸細(xì)小差異的高精度描述和真三維成像，因此比光學(xué)影像能更有效地揭示斷裂活動(dòng)的印跡。

　　我們對(duì)國(guó)內(nèi)某個(gè)活動(dòng)斷裂帶進(jìn)行了機(jī)載lidar航攝，獲取的高清晰度LiDAR 數(shù)據(jù)為拓展活動(dòng)斷裂的深入細(xì)致研究提供了一個(gè)新的數(shù)據(jù)平臺(tái)和契機(jī)。利用該數(shù)據(jù)，我們進(jìn)行了如下研究：
　?。?）活動(dòng)斷裂精細(xì)填圖，以及斷裂展布的幾何粗糙度、復(fù)雜性和分段性分析，有望對(duì)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(shù)據(jù)，可用于量化斷裂的晚第四紀(jì)滑動(dòng)速率及其沿?cái)嗔训臋M向變化，進(jìn)行斷裂的地質(zhì)速率與現(xiàn)今應(yīng)變累積速率比較的機(jī)理性研究。
　?。?）對(duì)該區(qū)域大地震的同震位移分布進(jìn)行系統(tǒng)量測(cè)和不確定性分析，并與前人工作進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)，為揭示強(qiáng)震次數(shù)與梯級(jí)位移量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析古地震事件同震位移的時(shí)空疊加效應(yīng)提供了直接數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
　　（4）識(shí)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(diǎn)位，彰顯了地形數(shù)據(jù)在分辨率上的提高對(duì)古地震復(fù)發(fā)規(guī)律研究的重要性。

　?。?）研究沖溝水系等河流和邊坡地貌過(guò)程對(duì)構(gòu)造位錯(cuò)的響應(yīng)，形成時(shí)代不同的新老沖洪積扇地貌特征量化等構(gòu)造地貌學(xué)分析。此外，由于獲取的地形數(shù)據(jù)構(gòu)成海原斷裂地貌的瞬時(shí)照相，且有絕對(duì)位置的標(biāo)定，將作為震間期的參照地貌，如果將來(lái)該地區(qū)發(fā)生強(qiáng)震或蠕滑事件，在震后通過(guò)對(duì)同一地區(qū)進(jìn)行二次掃描，與之前地貌的差分對(duì)比將能夠捕捉到強(qiáng)震的近斷層全息變形場(chǎng)。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　激光雷達(dá)技術(shù)作為近年來(lái)航空遙感技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，無(wú)疑代表著航空遙感技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。機(jī)載雷達(dá)測(cè)量可以獲得高密度、高精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)，由于激光對(duì)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(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此通過(guò)這些地表激光點(diǎn)云可生成獲得高精度的等高線地形矢量數(shù)據(jù)。因此該技術(shù)可以在地學(xué)方面有著很大的優(yōu)勢(shì)，尤其在活動(dòng)斷裂帶研究中必將具有很好的應(yīng)用前景。