機載LiDAR技術在地質調查領域中的幾個典型應用

肖春蕾， 郭兆成， 鄭雄偉， 劉圣偉， 尚博譞

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京　100083； 2.國土資源部航空地球物理與遙感

地質重點實驗室，北京　100083)

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機載LiDAR技術在地質調查領域中的幾個典型應用

肖春蕾1,2， 郭兆成1， 鄭雄偉1， 劉圣偉1， 尚博譞1

(1.中國國土資源航空物探遙感中心，北京100083； 2.國土資源部航空地球物理與遙感

地質重點實驗室，北京100083)

摘要：作為一種新型的主動式對地觀測手段，機載激光雷達(light detection and ranging，LiDAR)技術可獲取高精度的地表三維數據，精細刻畫真實的地貌特征，為地質領域中的地貌分析提供直接觀測數據。圍繞機載激光雷達技術的優勢，結合其在地表塌陷、滑坡和斷裂構造信息探測3個方面的應用示例，論述了機載LiDAR技術在地質調查領域中的實際應用情況。分析表明： 機載LiDAR技術可在大尺度區域微地貌形態調查中發揮優勢，能有效識別植被覆蓋區的地表塌陷、滑坡邊界和細微錯斷地貌，而且有利于進行地表塌陷填方量計算、滑坡穩定性評價、地貌參數和裂隙的幾何定量信息提取等, 在地質調查領域中具有廣闊的應用前景。

關鍵詞：機載LiDAR； 地表塌陷； 滑坡； 斷裂構造

0引言

激光雷達(light detection and ranging，LiDAR)是一種利用傳感器所發出的激光測定傳感器與目標之間距離的主動遙感技術。根據探測目標不同，可分為對空探測LiDAR和對地探測LiDAR。前者向空中發射激光束并接收由空氣中懸浮顆粒所反射的回波測定大氣的物理及化學性質； 后者的主要目標則是獲取地表的地質、地形、地貌等信息。根據LiDAR的載荷平臺，又可分為星載、機載、車載和地面LiDAR這4大類。其中，機載LiDAR系統目前應用最為廣泛。搭載在航空遙感平臺上的機載LiDAR 系統集激光技術、全球定位系統(global positioning system，GPS)和慣性導航系統(inertial navigation system，INS)3種技術于一體，利用機電設備使激光器(激光掃描儀)以一定的角度擺動或者繞圓周旋轉，形成一定寬度的掃描條帶，準確獲取地面點的三維坐標點云數據或波形數據，用于生成高精度的數字高程模型(digital elevation model，DEM)。

LiDAR三維掃描是快速獲取高精度地形、地貌數據的有效手段。機載LiDAR設備在飛行中以每秒40萬個點、最大側向60°的速度和范圍進行掃描，可在短時間內實現大范圍三維地貌和地物掃描，所獲取的數據在水平和垂直方向精度可達到cm級。同時，機載LiDAR也是唯一能測定森林覆蓋地區地面高程的可行技術[1-4]。該技術以其實時性、可重復性、可獲取真三維數據和高精度測量等優勢，在地學及相關領域中得到日益廣泛應用和快速發展[5]： Harding等[6]利用機載 LiDAR技術在Seattle 斷裂帶內的森林覆蓋區發現了以往地質調查和航片解譯均未發現的斷層陡坎和海岸侵蝕階地； 機載LiDAR 技術開始在地震地質學研究中、尤其是構造地貌定量化研究中嶄露頭角[7-12]，Dietrich等[13]最早將機載LiDAR技術應用于滑坡易發區的制圖和建模； Schulz[14]利用機載LiDAR數據，針對西雅圖地區滑坡頻發問題，對滑坡穩定性進行了分析，通過對歷史上1 308個滑坡事件的分析，發現它們基本集中在LiDAR數據圈定的滑坡范圍內，為滑坡的治理提供了科學依據，為保障公共安全提供了依據。由于數據匱乏等原因，機載LiDAR技術在我國的應用尚處于起步階段，2008年開展的汶川地震災害應急性機載LiDAR掃描，為堰塞湖的庫容量計算提供了直接的數據支持[15]； 2011年在海原斷裂帶開展的LiDAR掃描，成功地將LiDAR技術應用于活動斷裂探測[4]。本文將通過機載LiDAR技術在地表塌陷、滑坡和斷裂構造信息提取3個方面的應用研究示例，論述機載LiDAR技術在我國地質調查領域的應用。

1機載LiDAR技術優勢

作為一種主動式遙感手段，機載LiDAR脈沖發射后會形成一定大小能穿過植被縫隙透射到地面的光斑，植被冠層和地面都會對其產生回波。對一個地面點發射的脈沖，機載LiDAR裝置可以接收到從多個不同高度位置發來的回波，這些回波所形成的激光點云數據的平面坐標基本上沒有差異。因此，最終獲取到的三維激光點云數據允許相同的平面坐標可以對應幾個高程值，這有利于表現地表的細節信息，尤其是植被覆蓋下的起伏變化比較大的地形(如陡坎、斷層等)。經過一系列數據處理后，激光點云數據可用于構建高精度、高分辨率的DEM，為地形、地貌的精細表達提供基礎數據，也為機載LiDAR在地質調查領域中的應用提供直接的觀測數據。

與傳統的遙感手段相比，機載LiDAR技術有具以下優勢： ①穿透植被能力強。LiDAR對植被的穿透能力可有效地去除植被高度對地面高程測量的影響，大大提高了測量精度； 而傳統攝影測量方式需要通過人為估算植被高度的方法來消除植被影響。②直接定位。在三維激光掃描過程中，同時進行地面點的連續GPS定位和機載儀器定位的差分處理，使得數據具有真實的地理坐標，是對地表三維坐標的直接測量； 而雷達干涉測量(interferometric synthetic aperture radar，InSAR)或傳統的攝影測量手段都是通過間接方法來獲取地表三維數據的。③主動測量方式。與光學遙感相比，機載LiDAR技術不限于單一光照，不受陰影和太陽高度角的影響，在傳統攝影測量方式無能為力的山區和植被等的陰影地區，不會影響測量數據的精度。④遠距離高精度三維測量。機載LiDAR系統可以對傳統手段很難甚至無法獲取高精度DEM數據的地區實施遠距離和高精度三維測量，如植被覆蓋茂密地區、沙漠、灘涂地以及高差較大的地形復雜地區等。因此，機載LiDAR技術在地質調查領域中具有廣闊的應用前景。

2數據處理

對機載LiDAR所獲取的數據進行必要的處理后才能得到需要的信息。數據處理的內容包括：

1)激光掃描測量數據處理。根據差分GPS(differential GPS,DGPS)原理，利用地面基站GPS和機載飛行平臺的動態GPS數據聯合解算求出飛行軌跡的三維坐標，將平臺的INS數據整合到飛行的三維軌跡上，得到具有激光掃描儀瞬時位置和姿態信息的飛行軌跡。根據飛行軌跡結合激光掃描數據，加入系統誤差改正參數和坐標投影參數，求出各航帶具有WGS84坐標系統三維坐標的點云數據。

2)航帶拼接。將每條航帶點云數據與參考面數據進行比較，對點云進行航帶平差校正； 航帶偏移小于限差后，再進行航帶拼接。

3)激光點云數據分類。根據高程紋理、反射強度信息等對地面點和非地面點進行分離，并根據不同的應用需求對非地面點做進一步分類。

4)DEM和數字表面模型(digital surface model,DSM)等地形、地貌產品生成。

3在地表塌陷信息提取中的應用

地面塌陷指在人為或地質因素作用下，地表巖石、土體中洞穴頂部向下斷錯坍塌，形成塌陷坑、塌陷洞或塌陷槽的一種地質災害現象，常分為巖溶地面塌陷和采礦地面塌陷2大類[16]。采礦活動引起的地面塌陷在許多礦區都有發生，人為的地下采掘會形成采空區，使其上方巖石、土體失去支撐，導致地面塌陷，并造成相當程度的危害，破壞交通水利設施、建筑物和農田等，甚至引起山體滑坡和崩塌[16]。對地表塌陷的有效識別和塌陷填方量、面積等數據的精確測量可為礦山地質環境問題的工程防治提供決策支持，并具有重要的研究意義。本文以湖南省煤炭壩賀石橋地區為例，利用機載LiDAR獲取植被覆蓋下的真實地表形態信息，開展地表塌陷識別及信息提取研究。

3.1地表塌陷識別

礦山的復雜地質環境反映了地形的多樣性和地物的復雜性(試驗區包含密集的植被、陡坎和房屋等)。由于南方的水熱條件較好，發生塌陷以后人類活動干擾較少，塌陷坑容易被茂密植被所覆蓋。

圖1(a)中的紅色橢圓圈定出試驗區中礦區塌陷區域，圖1(b)為在該塌陷區野外拍攝的實地照片。光學傳感器不能穿透植被，因而難以從光學遙感影像中獲取塌陷信息； 而地面調查因地形陡峭和植被茂密等原因也難以開展。但機載LiDAR點云能夠濾除植被等地物，可獲取該區域的真實地形信息(圖1(c))。在由LiDAR獲取的地面點數據構建的DEM中，可清晰地看到塌陷區域與未塌陷地表的界線(如圖1(c)中的紅線所示)，從而有效識別出塌陷范圍。通過進一步的GIS空間分析，獲取到地表塌陷坑的幾何中心坐標(投影坐標系)、面積和周長等參數(表1)。

(a) 高分辨率光學圖像 (b) 實地照片 (c) 機載LiDAR高精度DEM

(紅色橢圓內為礦區塌陷區) (塌陷區野外拍攝) (紅線為塌陷區與未塌陷地表界線)

圖1煤炭壩高植被覆蓋塌陷區

Fig.1Subsidence area of coal dam covered with dense vegetation

表1　塌陷坑的幾何信息

3.2地表塌陷(坑)體積計算

除地表塌陷的空間位置、分布范圍外，塌陷的填方體積數據也是進行地表塌陷綜合研究及實施工程治理的重要參數。野外地質調查和測量工作中，往往難以精確地測量出塌陷坑的填方面積和體積； 而基于機載LiDAR系統掃描獲取的高精度DEM，能夠通過土方量計算較為準確、快速地獲取塌陷坑的填方面積和體積。

傳統的土方量計算方法主要有斷面法、等高線法、區域土方量平衡法及不規則三角網法(triangulated irregular network，TIN)等。TIN是數字地形模型(digital terrain model，DTM)的一種表現形式，在斷裂線通過和地形起伏較大的區域，能較好地體現地形、地貌特征，逼真地表示復雜地形的高低起伏變化； 且能克服地形平坦區域的數據冗余，適用于大比例尺的高精度地形建模。利用TIN法可以方便地進行地形信息提取、土方量計算、陰影和地形通視分析等。

本文利用機載LiDAR獲取的點云數據進行三角構網，采用三棱柱法[17]計算地表塌陷的填方量。填方量計算模型的基本原理是： ①用激光離散地面點云構建TIN(圖2(左))，計算土方的整個地形的形態就形成了由三棱柱組成的集合； ②將地表塌陷(坑)的地面點濾除，進行曲面擬合，確定一個零平面(圖2(右))。最后將得到的2個TIN結構進行疊加計算，得到的2個表面上對應的不規則三角形結構單元所夾的體積就是所求填方量(表2)。

圖2地面點云數據(左)和曲面擬合零平面(右)構建的TIN

Fig.2TIN constructed by ground data(left)and surface fitting(right)

表2　塌陷坑填方信息

①覆蓋面積指地表塌陷影響面積(即從光學二維影像中能測定的面積)； ②內表面面積指地表塌陷坑的立體表面積。

4在滑坡研究中的應用

激光具有穿透植被的能力和多次回波的特點，能獲取更多的地形和植被信息，在原理和方法上具備識別滑坡微地貌的條件，具體表現在： ①LiDAR 派生的DEM可對邊坡整體變化的相關特征(斜坡凹陷和突變)進行識別； ②結合LiDAR 派生的詳細DEM，隨著地面粗糙度的增加，可以識別一些地表特征(如內部結構變形、裂隙、張裂縫和滑痕等)[18]。

利用2009年中國國土資源航空物探遙感中心獲取的覆蓋童莊河右岸張家灣滑坡的機載LiDAR數據，開展對滑坡的研究。對機載LiDAR獲取的點云數據進行后處理，構建能刻畫微地貌特征的DEM； 對其派生出的山體陰影圖通過設置不同方位角增強不同朝向的微地貌特征，進行滑坡邊界識別。另外，由DEM派生出用于滑坡識別的定量參數坡度圖和地表粗糙度圖，根據明顯的坡度與地表粗糙度特征，為滑坡穩定性分析提供參考數據。

張家灣滑坡位于童莊河右岸，是向長江傾斜的單斜順向老滑坡。圖3為張家灣滑坡群的DEM(高程取位0.1 m)(左)和數字正射影像圖(digital orthophoto map,DOM)(分辨率0.5 m)(右)。

圖3張家灣滑坡群DEM高程暈渲圖(左)與正射影像圖(右)

Fig.3DEM shade relief display(left)and Ortho-photo(right) of Zhangjiawan landslides

滑坡群總體前緣高程約為120 m，后緣高程為290 m，分布面積約29萬 m2，總體積約555萬m3。滑坡區坡面起伏，后側山頂高約500 m，前緣為三峽庫區水面； 中部及前緣坡面相對平緩，坡度15°～25°； 后緣及后側山坡較陡，坡度25°～35°。

4.1滑坡群邊界識別

利用遙感影像的色調差異或陰影來識別地形的突變(如斜坡凹陷、滑痕等)，但受限于單一的光照方向，很難識別沖溝、滑坡邊界等滑坡地貌特征(圖3(右))。利用LiDAR 數據則可用不同光照角度的暈渲地形突出和增強滑坡的微地貌特征。圖4為張家灣滑坡在不同方位角(90°，135°和180°)條件下由DEM派生出的系列山體陰影圖。

(a) 方位角90° (b) 方位角135° (c) 方位角180°

圖4張家灣滑坡系列山體陰影圖

Fig.4Hillshade maps of Zhangjiawan landslide

由圖4可以看出，與光學影像和DEM柵格影像相比，基于LiDAR 數據的山體陰影圖具有能更為明顯地反映滑坡地形立體形態的能力； 同時，不同方位角的山體陰影圖在表達滑坡局部地貌特征時也存在較大的差異，光照方位角為90°和180°的山體陰影圖反映沖溝等線性地物的能力明顯強于方位角135°的圖像； 方位角為90°和180°的山體陰影圖反映局部地貌特征的側重點又有所不同，兩者互補能力較強。根據山體陰影圖圈定的張家灣滑坡群各滑坡體的邊界如圖5所示。

圖5　張家灣滑坡群滑坡體邊界與滑坡后壁范圍

張家灣滑坡為經過野外驗證的老滑坡，由6個次級滑坡體組成，圖5中用紅線圈定出了該滑坡群與各滑坡體的邊界。

4.2滑坡穩定性分析

老滑坡的滑坡體和后壁等敏感區容易發生局部復活，其穩定性可從地形特征、侵蝕程度和土地利用狀況等方面加以分析。其中，由DEM提取的坡度、粗糙度、高程等地形特征是滑坡穩定性研究中使用最多的靜態變量。從山體陰影圖(圖5)可以看出，其滑坡后壁沿坡輪廓較為清晰，且受流水沖刷影響，沖溝等線性地貌特征明顯。從DEM派生出的滑坡坡度圖(圖6(a))來看，滑坡后壁的坡度基本呈面狀分布特征，并且其坡度值大于次級滑坡體坡度值； 在滑坡后壁的正上方是相對平緩的地形，分水嶺特征明顯； 從地表粗糙度(圖6(b))來看，滑坡后壁的地表粗糙度分布特征與坡度分布特征的空間和數值耦合關系較好。因此，綜合LiDAR DEM派生出的山體陰影圖、坡度圖、地表粗糙度圖以及與LiDAR同時獲取的正射影像等資料進行分析，可得出在老滑坡的后壁區和次級滑坡體的上部，由于坡度大，部分殘留堆積體在降雨作用下易于發生滑動的結論。經野外驗證發現，滑坡后壁區(圖7中“A”處)于翌年(2010年)果然發生了滑動。由此表明，機載LiDAR在滑坡識別及穩定性分析中有很大的應用潛力。

(a) 滑坡坡度 (b) 地表粗糙度

圖6張家灣滑坡群范圍與滑坡坡度和地表粗糙度

Fig.6Range of Zhangjiawan landslide and landslide slope as well as roughness

圖7　2010年斜坡發生滑動的位置

5在斷裂構造信息提取中的應用

利用覆蓋云南北衙礦區西南側地區的LiDAR點云數據進行斷裂構造信息探測研究。北衙金礦位于藏東—滇西成礦帶南部，揚子地臺與三江褶皺帶的過渡部位，主體屬于麗江臺緣拗折區的鶴慶—洱海臺褶束； 北以翁水河、小金河大斷裂為界，西以哀牢山深斷裂為界，東至程海、賓川大斷裂，處于幾個構造單元的接合部位，構造形式復雜； 構造變形以斷塊中的褶皺為主，鶴慶北衙一帶主要為NE向與SN向構造交切復合部位，并含EW向構造殘跡； 礦區的褶皺、斷裂及節理、裂隙等發育，主要為近SN，NE，NNW及EW向構造[19]。

本文應用獲取的機載LiDAR點云密度約為2個點/m2，航空數碼影像的地面分辨率優于0.4 m； 經野外實測數據檢驗，機載LiDAR數據的絕對精度在垂直方向優于20 cm，水平方向優于30 cm，基于激光點云數據可得到0.5 m分辨率的DEM，數據的分辨率達到了識別錯斷地貌所需的空間尺度。圖8為斷裂微地貌在LiDAR三維和光學影像中的顯示。

(a) LiDAR三維顯示 (b) 光學影像顯示

(紅色箭頭之間為錯斷斷裂地貌)

圖8斷裂微地貌形態

Fig.8Display of micro-features of faults

由圖8(a)可以看出，LiDAR數據可實現對地形凹凸細小差異的高精度和真三維表達。與光學影像的對比研究發現，細微錯斷地貌在光學影像(圖8(b))中難以看到，而在LiDAR地表模型(圖8(a))中能被清晰識別。

傳統地質工作中，主要通過野外實地觀測來圈定尺度為幾m或幾十cm的斷裂、表面破碎帶和局部活動斷裂帶等，這種針對局部點的觀測不僅受觀測視場的局限，而且對地形復雜、觀測條件艱難的地區來說難以實現。LiDAR數據可實現對微地貌的精細刻畫，根據其DEM派生出的山體陰影圖可識別出近EW(AA’)和NNW(BB’)向裂隙的位置(圖9(a))； 且LiDAR數據在形式上不同于光學影像數據像元間的緊密連接關系，是呈離散分布狀態的三維點云，根據其剖面信息(圖9(b)和(c))可獲得裂隙的幾何形態及精確的寬度、深度信息，為構造的定量分析提供基礎資料。

圖9裂隙識別及微特征信息

Fig.9Identification and micro-feature information of fissures

6結論

機載LiDAR技術是21世紀以來發展迅速并走向應用化的對地觀測系統，可直接獲取高精度的植被下部、地面與地表物體的三維坐標，從而構建真實的裸地表形態，為與地貌相關的地學現象和地學過程研究提供基礎數據，在地學方面應用潛力巨大。通過對機載LiDAR技術在地表塌陷、滑坡和斷裂構造探測3個應用實例的研究分析，得出以下結論：

1)利用機載LiDAR技術可去除植被對高程的影響，獲取真實地表三維數字模型。這種高精度(高程精度優于10 cm)、高分辨率(DEM分辨率優于0.05 m)的DEM是揭示地表微地貌結構的可靠觀測數據，可用于有效識別植被覆蓋區的地表塌陷，進行地表塌陷范圍、面積、體積等要素數據的定量提取，為復雜地貌區域地表塌陷發育的對比分析研究、工程防治措施決策等提供科學依據，克服傳統地面調查工作的局限性； 并可在揭示細微錯斷地貌、起伏較小的構造特征方面發揮優勢。

2)機載LiDAR可作為滑坡等地質災害調查的重要技術手段，利用LiDAR 數據可通過不同光照角度的暈渲地形來突出和增強滑坡的微地貌特征，從而更加有效地識別和圈定滑坡。機載LiDAR不僅能為滑坡發生后的災害應急調查快速提供表達真實地形的觀測數據，而且可為斜坡的穩定性分析提供微地貌參數。

3)機載LiDAR數據對地形凹凸的細小差異可進行高精度描述和局部地區真三維地形表達，能清晰突顯斷裂構造特征； 與光學影像相比，更能有效地揭示斷裂特征的形跡。若能結合地面調查和定年研究(即每年定期研究)，則可刻畫地形地貌的動態變化特征，為活動斷裂構造的高精度研究提供更有效的技術方法。

4)綜上所述，凡需要刻畫大尺度區域微地貌形態的地質調查和相關領域研究，皆可采用LiDAR技術進行。

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(責任編輯： 劉心季)

Typical applications of airborne LiDAR technique in geological investigation

XIAO Chunlei1，2， GUO Zhaocheng1， ZHENG Xiongwei1， LIU Shengwei1， SHANG Boxuan1

(1.ChinaAeroGeophysicalSurveyandRemoteSensingCenterforLandandResources，Beijing100083，China； 2.KeyLaboratoryofAirborneGeophysicsandRemoteSensingGeology，MinistryofLandandResources，Beijing100083，China)

Abstract:As a new kind of active earth-observation system, the technique of airborne light detection and ranging (LiDAR) can acquire accurate three-dimensional coordinates on the surface，and construct the real digital terrain model to provide the direct observation data for the landscape analysis in geological domain. Based on the advantage of LiDAR, the authors mainly deal with the applications of LiDAR data to such fields as surface collapse，landslide and fault structure extraction. It is shown that airborne LiDAR technology is becoming an indispensable tool for above-mentioned issues, especially in the local and large scale investigations of micro-topography. The technology can not only identify the surface collapse, landslide boundary and subtle faulted landform but also extract the filling parameters，the geomorphic parameters of landslide stability evaluation and cracks，thus having extensive application prospect in geological investigation.

Keywords:airborne light detection and ranging(LiDAR)； surface subsidence； landslide； fault

作者簡介：第一 肖春蕾(1987-),女,碩士,主要從事LiDAR、航空影像數據處理分析及遙感地質應用方面的研究。Email： 45561247@qq.com。

中圖法分類號：TP 79

文獻標志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)01-0136-08

基金項目：國土資源部航空地球物理與遙感地質重點實驗室航遙青年創新基金資助項目“基于機載LiDAR改正建筑物投影差方法研究”(編號： 2013YFL10)和中國地質調查局地質大調查項目“新型傳感器礦山地質環境調查”(編號： 1212011220083)共同資助。

收稿日期：2014-08-15；

修訂日期：2014-10-04

doi:10.6046/gtzyyg.2016.01.20

引用格式： 肖春蕾,郭兆成,鄭雄偉,等.機載LiDAR技術在地質調查領域中的幾個典型應用[J].國土資源遙感,2016,28(1)：136-143.(Xiao C L,Guo Z C,Zheng X W,et al.Typical applications of airborne LiDAR technique in geological investigation[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(1)：136-143.)