機載激光雷達技術在構造地貌定量化研究中的應用

陳 濤

（中國地震局地質研究所，北京 100029）

在過去的10年，激光雷達（Light Detection and Ranging，簡寫為LiDAR）技術憑借其能夠精確、快速地獲取地面三維數據的技術特點已在眾多行業領域得到廣泛運用。該技術集成了GPS、IMU、激光掃描儀、數碼相機等設備，其中主動傳感系統（激光掃描儀）利用返回的脈沖可獲取探測目標高精度的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被動光電成像設備（航空攝影相機）則可獲取探測目標的數字成像信息。上述數據經后續處理可生成三維激光點云，并最終得到沿整個掃描條帶的地面點三維空間坐標與真彩色圖像。相對于傳統的攝影測量技術，激光雷達技術是遙感技術領域的一場革命，它不僅能夠提供高分辨率、高精度的地形地貌，還可以通過濾波算法有效祛除地表植被的影響，得到真實地表，目前已廣泛應用于基礎測繪、城市三維建模和林業應用、鐵路、電力勘察等領域。按照載體的不同，激光雷達系統可以分為星載、機載、車載以及地基測量系統。其中，機載激光雷達測量系統相對于其他搭載方式，具有作業周期短、數據精度高且不受天氣因素影響等優點，是一種方便高效的主動遙感測量技術。

機載激光雷達系統工作原理與傳統大地測量和攝影測量并不完全一樣，因此本文首先介紹了機載激光雷達測量系統組成及工作原理、LiDAR數據產品及其誤差來源和數據后處理算法。在此基礎上，回顧了近年來機載LiDAR技術在地球科學領域，尤其是地震地質研究領域的最新進展和項目實例。然后，結合海原斷裂帶機載LiDAR數據采集項目，以海原斷裂帶哨馬飲流域階地上被左旋錯斷的沖溝為例，闡明了基于高分辨率地形數據精確測量單條沖溝的同震位移和累計位移的方法。接著，運用同樣的方法，沿海原斷裂帶老虎山斷層測量得到250多個沖溝小位移值，并基于位移分布討論了1888年景泰地震的地表破裂范圍和震級大小，展示了高分辨率地形數據在斷裂活動性研究中的應用。最后，以1999年美國Hector Mine地震發生后采集的LiDAR數據為研究對象，系統比較了基于LiDAR測量得到的同震位移數據與野外實地測量得到的同震位移數據之間的異同，初步討論了機載LiDAR數據的優點和局限性。

第一章介紹了機載LiDAR測量系統的組成及工作原理。首先回顧了自1970年美國阿波羅計劃使用激光測距系統以來LiDAR技術的發展歷程，闡明了LiDAR測量的基本原理和技術特點。并以經典的機載LiDAR應用系統，如水下地形測量系統（SHOALS）、植被成像傳感系統（LVIS）和大氣探測與極地激光測高系統（ICESat）為例，總結了機載LiDAR技術的國內外發展現狀和主要應用領域。接下來，從工作機制、技術指標等方面，分別對機載LiDAR系統的主要組成單元，如激光測距系統、動態GPS定位單元、姿態測量單元、多天線陣列姿態測量系統和飛行搭載平臺等進行了簡要介紹。隨后，基于激光測距原理和掃描方式完成了機載LiDAR測量的幾何模型推導。最后，通過與傳統的攝影測量和合成孔徑雷達測量技術（Interferometric Synthetic Aperture Radar，簡寫為InSAR）的比較，歸納了機載LiDAR技術的優缺點，簡述了LiDAR數據生產流程，并收集了目前主流商用機載LiDAR系統的技術指標。

第二章討論了機載LiDAR的數據產品類型，數據誤差來源以及數據后處理方法。機載LiDAR系統的數據產品可以是激光點云、全波形文件和數碼航空影像，也可以是經過規則格網內插后的數字地表模型（DSM）或數字高程模型（DEM）。對于其中最原始，也是最為重要的激光點云而言，其誤差來源非常復雜，僅通過數學建模的方法難以消除，因此實際工作中一般采用系統檢校并建立誤差模型的方法來減弱系統誤差影響。同時，由于點云的空間離散特征，導致點云數據質量與精度評定都與傳統的攝影測量大不相同。尤其是水平精度評價，往往還需要借助于事先敷設的規則形狀人工強反射地物。激光點云的濾波和分類算法是近年來LiDAR技術發展的研究熱點，但目前無論哪種方法都距離全自動化處理還有一定差距。在工程實踐中，一般采用人工輔助計算機進行半自動分類，往往耗費較多的人力和時間。

第三章綜述了近年來機載LiDAR在地球科學領域的應用，并列舉了數個項目實例。首先介紹機載LiDAR在地球科學各個領域中的應用。如利用ICESat衛星開展極地冰蓋厚度與全球氣候變化，結合機載LiDAR數據和潮汐數據研究海岸線變化，基于LiDAR數據的滑坡物質運移規律研究，通過高精度地形數據推斷局部活動斷裂特征，以及LiDAR數據在定量地貌學地貌過程模擬和變化趨勢預測等應用實例。接下來，總結了近年來國內外比較具有典型意義的LiDAR工程實例，包括美國San Andreas斷裂帶機載LiDAR掃描項目（B4），海地太子港7.0級地震、新西蘭Darfield 7.1級地震和汶川8.0級地震震后LiDAR數據采集情況，以及黑河流域生態－水文過程綜合遙感觀測聯合試驗項目（HiWATER）。

第四章以海原斷裂帶LiDAR數據采集項目為例，從項目概況、技術設計與質量評價等方面介紹了機載LiDAR數據生產流程。利用這樣的大范圍、高精度的地形數據，斷裂的空間位置和沿斷層的位移分布可以精確到亞米級誤差范圍，從而使1：1000比例尺的活動斷裂填圖成為可能。這對于活動斷裂研究，尤其是城市活斷層填圖來說具有重要意義。毫無疑問，前所未有的高精度三維激光點云數據將帶來活動構造領域研究方法的革新。

第五章通過研究海原斷裂帶哨馬飲流域階地上沿斷層走向左旋錯斷沖溝，展示了基于LiDAR數據的沖溝同震位移和累計位移的精密測量方法。基于海原斷裂帶機載LiDAR掃描項目所獲得的地形數據，發現1920年海原地震在哨馬飲區段的同震位移，并測量得到水平同震位移約為8.6m，垂直同震位移約為0.8m。另外，還得到哨馬飲沖溝累積位移量精確值，結合前人測定的階地年齡，估算海原斷層全新世以來的水平方向滑動速率為（4.0±1.0）mm／a，抬升的垂向速率下限為（0.4±0.1）mm／a。海原斷裂帶機載LiDAR實驗表明，基于LiDAR數據的精細地貌定量化研究可以準確獲取同震位移和累計位移，減少滑動速率的不確定性，得到之前難以計算的垂直運動速率，從而加深對斷裂帶地震活動性和復發周期的認識，理解全新世以來的斷層活動特性。

第六章選取海原斷裂帶老虎山斷裂為研究區域，展示了基于LiDAR數據的位移分布在斷裂活動性研究中的應用。老虎山斷裂緊鄰1920年海原地震地表破裂帶的西端，20世紀90年代曾開展過1：50000活斷層填圖。在前人的工作基礎上，基于老虎山斷裂沿線的高分辨率LiDAR數據，在確定老虎山斷層地表破裂準確位置的基礎上，沿斷裂選取了203處多錯斷的河溝、山脊、階地和邊坡，測量得到225個水平位移。通過分析小于20m的位移測量，重建了相對可靠的1888年景泰地震的地表破裂范圍和同震位移分布，并按照矩震級與地震矩之間的換算公式，修正景泰地震的震級為6.9級。此外，對早于1888年景泰地震的歷史地震，參考此前的松山古地震探槽記錄，大致估計了破裂范圍和地震震級，推測天祝地震空區的地震復發模式可能是“分段補丁”的方式。最后，以千年地震復發周期計，大致估算老虎山斷層的長期平均左旋走滑速率約為6～7mm／a。

第七章展示了基于1999年Hector Mine地震后所采集的LiDAR數據測量的同震位移，并與野外實測數據進行了比對分析。在基于LiDAR點云數據生成的0.5m分辨率DEM支持下，測量得到255個水平位移點和85個垂直位移點，最大的水平位移值為（6.6±1.1）m，在野外最大測量值以南700m。使用積分法計算的LiDAR測量值的平均值為（1.72±0.46）m，包絡線法計算值為（2.37±0.5）m。最大的垂直位移為（1.22±0.02）m，同野外實測數據相似，并沒有明顯的分布趨勢。研究結果表明，除非地震發生在有密集人工地物的區域（例如Darfield地震），僅依靠震后LiDAR數據（或者高分辨率遙感影像）就可以得到可靠的高質量同震位移分布。否則，只有將震前和震后的數據聯合起來解譯，才能夠保證提供斷層附近精確的三維形變信息，理解地震地表破裂幾何分布特征和傳播機制。

綜上所述，本論文的主要工作是以機載LiDAR所提供的新技術、新方法為切入點，對機載LiDAR系統的軟硬件系統組成、數據產品類型、解算模型和誤差來源等進行了簡要介紹，并以海原斷裂帶機載LiDAR數據為例，闡明了基于高分辨率、高精度的地形數據精確測量單點沖溝位移的方法，重點展示了基于單點沖溝位移測量得到的沿斷層走線的密集位移分布測量結果，最后通過與前人的熱年代學測年數據和地質填圖數據進行聯合分析，得到的歷史地震事件的位移分布、斷層的平均滑動速率等有關斷層活動性和地貌演化過程的新認識。

本論文的創新點可歸納為以下4點：①探索新技術，機載LiDAR技術是一種低成本、高效率的新型數據獲取技術，該技術在地震地質研究領域已有近20年的成功使用經驗，而在我國的應用還處于起步階段，海原斷裂帶機載LiDAR掃描項目的實施，從技術設計到數據質量評價，從外業采集到內業分析，完整的執行了LiDAR數據生產采集的全過程，為推動Li－DAR技術在地震地質領域的應用提供技術儲備；②發現新現象，沖溝（或其他線狀地物）沿斷層發生斷錯的現象，一直都被看作為活動斷層的地貌表征，1920年海原地震在哨馬飲區段的同震位移在之前的野外考察中從未發現，而在高分辨率地形數據的支持下，精確測得哨馬飲流域階地上所發育沖溝的水平和垂直同震位移，繼而得到了左旋滑動速率和垂直抬升速率；③獲得新認識，傳統的野外測量受限于地形或者經費等因素，所開展的斷裂研究局限于個別區段或者局部點位，在機載LiDAR數據的支持下，沿老虎山斷層測量得到200余處位移值，密集分布的位移測量結果能夠盡可能準確地描繪出導致歷史地震地表破裂范圍和位移分布，基于上述測量結果修正得到1888年景泰地震的震級約為6.8級，而不是之前認為的61/4級；④拓展新應用，機載LiDAR的條帶掃描技術在快速準確獲取斷裂帶沿線地形方面具有獨到的技術優勢，但是受限于航空管制、設備昂貴以及數據處理自動化程度不高等原因，LiDAR技術在活動斷裂研究中的應用才剛剛開展，海原斷裂帶機載LiDAR掃描項目和Hector Mine震后LiDAR數據分析，可視為LiDAR技術在活動斷裂研究中的初步探索，后續基于LiDAR數據的活動斷層填圖、地質填圖乃至斷裂活動性研究等方面的應用仍有待展開。

機載LiDAR；數據精度；幾何模型；濾波；分類；定量構造地貌；同震位移