基于地面LIDAR玉樹地震地表破裂的三維建模分析

袁小祥 王曉青 竇愛霞 董彥芳 王 龍 金鼎堅

(中國地震局地震預測研究所，北京 100036)

基于地面LIDAR玉樹地震地表破裂的三維建模分析

袁小祥 王曉青 竇愛霞 董彥芳 王 龍 金鼎堅

(中國地震局地震預測研究所，北京 100036)

2010年4月14日的玉樹MS7.1地震造成沿甘孜-玉樹斷裂的一系列NW向地表破裂。利用Trimble GX 3D地面激光三維掃描儀獲取了玉樹地震斷裂SE段禪古寺附近的典型地震地表破裂的精細點云數據。在對點云數據進行校正、分割、濾波等預處理基礎上，分析了地震地表破裂不同表面建模方式的原理和方法，選取了無投影的不規則三角網建模方式對該處地表破裂進行三維建模實驗，結合精配準高清晰現場紋理照片，制作了地震地表破裂的三維圖像;并從模型的多個角度選取剖面進行地震地表破裂精細三維量測分析，得到該處地表破裂的平均垂直位移為74cm，水平位移為10cm。在此基礎上進一步分析了玉樹地震斷裂的性質及其破裂特點。

玉樹地震 地面三維激光掃描(LIDAR) 地震地表破裂 建模

0 引言

2010年4月14日的玉樹MS7.1地震是中國繼2008年汶川大地震后發生的又一個災難性地震，導致了2200多人死亡或失蹤，12000多人受傷(郭華東等，2010)，給社會發展、人們的經濟生活造成了巨大的損失。為了給地震救援和決策提供及時有效的信息，在中國地震局地震預測研究所組織協調下，中國地震局地震應急協調小組(EERS)于地震發生當日迅速開展了玉樹地震遙感應急工作，主要包括基于遙感技術的建筑物震害識別、快速損失評估、地震次生災害判讀、地震地表破裂解譯等。震后眾多學者對此次地表破裂進行了調查和研究，得到了不同的認識(張軍龍等，2010;孫鑫哲等，2010)。

由地震引起的地表變形、破裂等極易受到自然動力及人類活動的破壞，加之高原地區地形復雜、條件惡劣，使用傳統的測量手段很難獲取全面真實的地表破裂信息。激光三維掃描技術(LIDAR)作為新型的遙感技術具有非接觸、高精度、快速等特點，能夠迅速有效地獲得并永久記錄地表破裂的三維信息，為進一步定量分析提供全面客觀的科學數據。作者采用Trimble GX 3D地面激光三維掃描儀，采集了玉樹斷裂SE段禪古寺附近的典型地震地表破裂的精細點云數據。本文主要介紹基于地面激光雷達三維掃描儀獲取的地震地表破裂點云數據，通過三維建模分析玉樹地震的地表破裂特點。

1 地面三維激光掃描儀及其應用

激光雷達(Light Detection and Ranging，LIDAR)，又稱為激光掃描(Laser Scanning)，具有非接觸、高精度、快速等特點。地面激光雷達是LIDAR系統中的一種，早期應用于文化遺產的3D虛擬現實(Beraldin et al.，2000)和工業的逆向工程中(Sequeira et al.，2003);隨著雷達掃描系統和數據后處理技術的快速發展，地面激光雷達作為一種強有力的工具在各種研究領域得到廣泛應用，如在地學領域被廣泛應用于火山活動監測、地質及其災害調查和活動構造調查等(Hunter et al.，2003;Bitelli et al.，2004;Abellán etal.，2006;Buckley etal.，2008;Baran etal.，2010;Wei et al.，2010)。

根據測量距離的遠近，地面激光雷達系統可分為長距離、中距離和近距離(Schulz et al.，2004;Buckley et al.，2008)。測量精度通常與掃描距離有關，掃描距離越長，測量精度越低。對于中距離的激光掃描儀，其測量距離通常通過基于時間漂移(time-of-flight)的激光返回時間測量確定(Wehr et al.，1999)。本文使用的Trimble GX 3D激光掃描儀(圖1a)是一款中等距離的掃描儀，其在距離和精度方面比較適中，最大掃描距離為350m，單點位置精度為12mm@100m，距離精度為7mm@100m，而且噪聲更少(Jones et al.，2009)，完全適合本研究的需要。另外，該儀器掃描速度最高達5000點/s，為野外構造信息的快速獲取提供了保證。

圖1 掃描玉樹地震地表破裂點位置分布圖Fig.1 The scanned location of surface rupture caused by Yushu earthquake using Trimble GX 3D.

2 研究思路

本文的基本研究思路是，分析地面三維激光掃描儀獲取測量目標高精度和高密度空間位置信息的能力和數據分析處理的特點，建立利用地面激光三維掃描儀進行地震地表破裂建模和分析的基本流程:通過野外實地測量獲取玉樹地震產生的同震地表破裂SE段典型破裂點的三維精細點云數據，并進行數據去噪、配準等預處理，在此基礎上利用Trimble的數據后處理軟件，選擇不規則的三角網建模方法建立地震地表破裂的三維模型;結合地物電磁輻射紋理信息(地物照片)，重建地表破裂的精細三維圖像，從而為地震地表破裂分布及其運動學和動力學分析提供定量依據;最后，利用三維重建模型對地震地表破裂進行分析，估計該處地表破裂的垂直和水平位錯，并在此基礎上討論玉樹-甘孜斷裂的性質及其在這次地震中的破裂特點。

3 玉樹地震地表破裂現場測量

本文選擇的玉樹地震地表破裂測量點位于玉樹縣城以南約6km的禪古寺附近，該測量點位于甘孜-玉樹斷裂的SE段，現場掃描點位置見圖1b。玉樹地震地表破裂帶在本測量點的走向為N34°W，破裂面傾向SW。在進行地表破裂三維激光掃描的同時，采用手持GPS儀獲取掃描點已知站點和后視點的地理坐標，利用Nikon相機獲取地表破裂的表面紋理信息(高清照片)。

在現場測量過程中，掃描精度和覆蓋范圍是需要注意的兩個主要問題。LIDAR是在特定系統中獲取物體表面多點的三維坐標(x，y，z)。因此，所獲取的點越多(即掃描密度越高)，越能表現地表破裂的細節，但由于所獲取的點云數據呈指數增長，掃描以及后處理的時間也越長。因此，綜合考慮掃描儀的單點掃描精度、GPS的定位精度以及掃描的時間，設置光斑大小為8mm@25m大小進行掃描。

為了獲取相對全面的地表破裂測量數據，盡量減少由起伏地面阻擋形成的數據漏洞(data gap)，同時考慮到河流在測量點NW側經過，選擇在測量點的SE、NE以及E側共架設3站來獲取破裂的點云數據(圖1是SE邊一站)。

4 數據預處理

激光雷達點云數據的預處理步驟主要包括:點云匹配、噪聲消除、分割、坐標變換、圖像匹配。從不同站點掃描獲得的點云需要進行正確的匹配，統一到一個坐標系中，以便對目標進行建模和定量化分析。通常采用以下2種匹配方法(Buckley et al.，2008;Jones et al.，2009):1)將掃描的同一個規則形狀目標作為匹配的公共點坐標，將多站點的點云統一到特定的相對坐標系中;2)通過GPS提供各個掃描站點的精確地理坐標，從而使所有點云轉換到固定的地理坐標系中，這種方法能獲得所有點云的真實地理位置，便于后期與其他遙感數據進行協同分析。本文采用后一種方法，對于掃描過程中出現的點云不匹配主要基于Trimble的后處理軟件Realworks Survey進行手動配準。

在配準基礎上，采用基于地形的重采樣和基于手工的點云選擇進行植被、噪聲等的消除。對處理的點云進行分割，以便對感興趣的目標進行建模處理。同時，為了便于提取剖面線進行分析，需要對點云的坐標進行旋轉，使得斷裂的走向平行于x軸。最后對獲取的高清晰紋理照片與點云進行配準，為三維模型提供紋理信息。

5 地震地表破裂的三維建模和分析

利用激光三維掃描儀獲取的三維原始點云信息是不連續的，對地表破裂的顯示不夠直觀。利用點云進行三維建模可解決這一問題。最常用的建模軟件為AutoCAD。這種方法在工業上被廣泛應用于逆向工程中以建立規則形狀物體。但是地震所產生的地表破裂形狀不太規則，難以手工操作。而三角網建模方法對于處理斷裂線、構造線等具有高效、高精度等特點(譚仁春等，2006)。因此本文采用了不規則三角網方法建立地表破裂的三維模型。Realworks Survey Advanced軟件提供了5種生成三角網的方法:基于平面投影的方法、基于圓柱體投影的方法、基于屏幕視角投影的方法、基于測站投影的方法以及無投影的方法。前4種投影適合于規則幾何表面的建模。第5種方式適合非平面、不規則、復雜幾何體的建模。因此，選用最后一個模式來重建地表破裂的三維模型(圖2a，b)。再利用經過匹配的紋理信息(即照片)對建立的三維模型進行貼圖，得到地震地表破裂的三維顯示結果，較真實地再現了現場地表破裂的狀況(圖2c，d)。

圖2 地震地表破裂的三維建模Fig.2 3D modelling of surface rupture caused by Yushu earthquake.

重建的三維模型有助于理解和定量或半定量地分析地表破裂的幾何學、運動學和動力學特征，從而獲得地震斷裂的分布及其活動特征。如圖2c所示，斷層上盤A處地表形態相對較好，B處以及下盤D處(圖2d)相對破碎。該處破裂的走向為N34°W(其展布如圖3)，傾向SW。通過垂直于地表破裂帶走向的多條剖面量測，得到地表破裂的垂直位移平均值為74cm，最大值為97.8cm(圖4)，上盤顯著上升。同時，通過對三維建模圖上震前同一特征點在地震中錯斷的距離進行測量，測得其沿著斷層走向的水平位錯約為10cm。從地表破裂所反映的產狀、錯動方式和錯動幅度(圖2b，d)來看，此處地表破裂反映地震斷層為左旋逆斷層。

地表破裂的組合特征也反映了斷層的上述活動性質。如圖2c中，下盤產生的“人”字形擠壓鼓包走向與斷裂展布方向一致，高29cm，長約200cm，揭示了斷裂的SW盤(上盤)向NE盤(下盤)的擠壓運動。圖2c之C處松軟表層沉積物擠壓抬升后失穩，受重力作用形成一系列的拉張裂隙，其空間展布如圖3所示。由于斷裂左旋剪切作用形成2條與斷裂近于平行的裂隙(圖3中L1、L2)，其中L1將L錯斷15cm左右。同時，下盤的南側由于擠壓及重力作用出現滑塌(圖3d處)。圖5是圖4中剖面A處的精細點云的線性擬合，定量反映了地震斷層逆沖過程中上盤向上抬升、斷層附近擠壓變形的特征。

圖3 點云生成的地震地表破裂綜合特征Fig.3 Synthesized characters of surface rupture interpreted using point clouds.

圖4 地表破裂的垂直剖面分析Fig.4 Vertical profile analysis of surface rupture.

6 討論與結論

本文展示了利用Trimble GX 3D地面激光三維掃描儀，定量記錄玉樹禪古寺附近的地震地表破裂，并進行建模分析的流程，利用三角網建模和紋理貼圖等處理再現了地表破裂的野外場景，實現了該處地表破裂信息的永久保存，為其他科研人員進行進一步研究分析提供了可能。

圖5 剖面點云所顯示的地表垂直位錯及變形Fig.5 Vertical displacement and distortion of ground surface displayed by point cloud profile.斷層上盤表面由于遮擋作用，點云顯示不連續特征

Trimble GX 3D掃描儀在掃描距離為100m時，位置分辨率為12mm，距離分辨率為7mm，建模精度為±2m。本文設置掃描位置和距離分辨率為8mm@25m，現場目測掃描地表破裂的最遠距離在25m之內，因此實際獲取的目標點云的精度理應優于8mm@25m。同時在數據獲取時，前視和后視標靶之間的誤差控制在1mm以內。因此認為，利用激光三維掃描儀得到的水平和垂直位移參數能達到cm級精度。

地面激光三維掃描技術改變了傳統的地震斷層的調查及分析方法。本文在三維建模以及精細點云的定量分析基礎上分析了地震地表破裂的分布和產狀、破裂錯動方式和幅度等。并從理論上說明，可從任意角度觀測地表破裂的特征與定量量測，可定量確定地震斷層的幾何要素、錯動特征和動力作用特點。

定量研究確定了玉樹地震地表斷裂在禪古寺附近表現為左旋逆斷層性質。這與孫鑫哲等(2010)調查的地表破裂中段甘達村西以及果慶益榮松多兩處典型地表斷裂所表現出來的右旋走滑為主而未見顯著垂直運動的特征有所差別。可能是由于本文測量點接近玉樹地震地表破裂的西南終止端，斷裂SW盤向SE運動時受阻，水平運動分量減弱，垂直分量增大，使斷層錯動性質發生改變。由于禪古寺附近地表破裂存在顯著的垂直運動分量，導致其附近的禪古寺和禪古村建筑物損壞嚴重。

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TERRESTRIAL LIDAR-BASED 3D MODELING ANALYSIS OF SURFACE RUPTURE CAUSED BY YUSHU EARTHUAKE

YUAN Xiao-xiang WANG Xiao-qing DOU Ai-xia DONG Yan-fang WANG Long JIN Ding-jian

(Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China)

Yushu MS7.1 earthquake，occurring on April14，2010，has caused a series of co-seismic surface ruptures.The surface deformation and ruptures caused by earthquake can easily be changed due to natural environment changes and from human activities.Moreover，the complex topography and severe natural environment in the Tibet Plateaumake it difficult to acquire original features of surface rupture wholly via traditional surveyingmethods.However，as a new type of remote sensing technique，due to its characteristics of non-touching，high-resolution，rapid acquisition，terrestrial LIDAR technique can obtain the 3D information of surface rupture quickly and effectively，and provide the comprehensive scientific data for the further quantitative analysis.This paper introduces the characteristic of terrestrial laser scanner-Trimble GX 3D，and based on which the finite point clouds of the typical co-seismic surface rupture located on the southeast segment of Ganzi-Yushu Fault zone near Changu Temple were acquired.Based on the point cloud data prepossessing of registration，segmentation，smoothing and so on，the different principles and methods for surfacemodelling of co-seismic surface rupture were analysed，and themodelling experimentwas conducted on surface rupture.After that，combining with the high resolution texture photos obtained on site，which had been preciselymatched with point cloud data，the surface rupture 3Dmodelwas created based on the non projectionmode.Also，the profiles from different perspectiveswere chosen tomeasure and analyse the displacement of the rupture exactly in the 3D view.The result shows that the average vertical displacement is about 74cm and the average left-lateral strike-slip displacement is about 10cm.Finally，the characteristics of Ganzi-Yushu Fault and characteristic of its rupture were analyzed and discussed.

Yushu earthquake，terrestrial LIDAR，surface rupture，3D modelling

P316

A

0253-4967(2012)01-0039-08

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.01.005

2011-05-03收稿，2011-07-26改回。

地震應急遙感關鍵技術研究(2009DFA21610)課題和2010年中國地震局玉樹地震現場科學考察項目震害遙感比對專題共同資助。

袁小祥，男，1983年出生，2006年畢業于西北農林科技大學地理信息系統專業，現為中國地震局地震預測研究所在讀碩士研究生，主要從事遙感與GIS在地震中的應用研究，E-mail:yuan--xiaoxiang@163.com。