机载LIDAR技术在活动断裂带研究中的应用

发布日期：2018-06-21 00:00 浏览量：10107

　　活动断裂研究主要通过精确测量第四纪地貌体的位错及确定其年代，来量化断裂的活动强度，重塑大地震的重复规律。精细刻画地貌形态是必不可少的基础环节，因此活动断裂研究的重大发现强烈依赖于高精度和高分辨地形数据，数字地形和光学影像数据分辨率的提高往往引发活动断裂研究的跳跃式发展。传统位移测量，如使用皮尺、平板绘图仪或全站仪，可以得到单点或小范围的、亚米级精度的结果，但因受限于人工操作而效率明显较低，难于获取沿整条断裂的大范围高精度地形数据，特别是记录古地震事件的位移数据。

　　机载LiDAR测量系统是一种主动航空遥感装置，是实现地面三维坐标和影像数据同步、快速、高精确获取，并快速、智能化实现地物三维实时、变化、真实形态特性再现的一种国际领先的测绘高新技术。该技术基于激光测距、GPS定位、惯导测量、及航空摄影测量原理，可以快速、低成本、高精度地获取三维地形地貌、航空数码影像等空间地理信息数据。其中机载 LiDAR 设备在飞行中以每秒 40 万个点，侧向60°的扫描范围，在短时间内实现大范围三维地貌、地物和植被扫描，数据在水平和垂直方向上可达到厘米级精度。机载激光雷达扫描技术以其便利性、可重复性和绝对定位，以及数据的真三维性和前所未有的精度等优势，在地学及相关领域中得到日益广泛应用和快速发展。

　　1 机载LiDAR测量技术

　　1.1 系统组成及工作原理

　　机载LiDAR系统主要由激光扫面系统、GPS、IMU、数码相机、监控和控制系统组成，其中LiDAR传感器和IMU是系统的核心部件，LiDAR传感器是发射测量激光脉冲和接受激光脉冲遇到障碍物（目标）后所反射的回波，IMU为确定任一瞬间平台在空间中的姿态，GPS为LiDAR系统提供精确的定时和定位数据。，数码相机可以为获得高分辨率的影像数据，监控及控制系统在系统采集数据的同时为操作人员提供有效的实时监控信息。对以上数据进行处理，可以获得DOM、DEM、DSM、DLG、三维数字模型等产品。

　　1.2数据采集及数据处理

　　首先进行航空Lidar扫描，得到地表的点云和彩色数字相片，根据首次回波信息的激光数据拟合生成DSM；

　　然后对点云数据进行初分类，并对该地面点结果进行人机交互检查编辑，去除被错分的地面点，形成真实的地面点成果，再将地面点通过不规则三角网或格网等构建DEM，同时将地面点成果进行抽稀处理，形成初步高程点数据；

　　利用制作好的DEM模型，对原始的单幅影像进行微分纠正，生成正射影像，同时利用DEM生成等高线；将等高线以及正射影像图进行叠加，在此基础上绘制建筑物、水系、植被、道路等，形成初步的地形图；

　　利用初步的地形图到实地进行调绘，调查并编辑建筑物、水系、植被、道路、等的属性及相关数据和名称，同时对机载激光采集而生成的等高线和初步高程点进行检测，以保证高程精度，最后形成最终的地形图。

　　2 机载LiDAR测量的产品

　　2.1 三维激光点云数据

　　激光点云数据不仅仅包含X、Y、Z坐标信息，还包括如反射强度等其它多种信息。根据具体需求，激光点云数据密度可达到100点/平方米以上，高密度的激光点云数据能精确反映地形地貌细节。

　　2.2 数字高程模型（DEM）

　　基于激光点云数据能够快速高质地生成高精度DEM成果，DEM高程可达到优于10厘米精度。

　　2.3 数字表面模型（DSM）

　　DSM是用含有首次回波信息的激光数据拟合生成的地表模型，DSM模型对地表的房屋和树木有很好的表现，DSM反映了区域表面的高低起伏，DSM=DTM+非地形要素，由于LiDAR原始数据为三维点数据，因此生成DSM，需要进行插值算法。

　　2.4 数字正射影像（DOM）

　　DOM具有精度高、信息丰富、直观逼真、获取快捷等优点，可作为地图分析背景控制信息，也可从中提取自然资源和社会经济发展的历史信息或最新信息，为防治灾害和公共设施建设规划等应用提供可靠依据；还可从中提取和派生新的信息。

　　2.5 大比例尺地形图（DLG）

　　利用激光点云和DOM影像可快速生产大比例尺（1：500至1：2000）DLG产品。

　　2.6 三维模型

　　在三维建模软件支持下，以对应的数码影像数据为参考，可以建立大范围的三维场景浏览，进行360度的观察。

　　3 机载LiDAR技术在活动断裂带研究的应用

　　机载LiDAR技术不仅可以得到常规的DOM、地形图等数据，还可以得到三维点云、DEM、DSM和三维模型等数据。高分辨率 LiDAR 数据及其与航空影像的叠加，提高了地貌体错位的识别度和量测的准确性，促进断裂活动性和古地震复发规律的精细化研究。断裂活动往往造成断裂两侧的地形差异，形成断裂陡坎等微小地貌特征。传统活动断裂研究依赖于航卫片等光学影像的解译，利用影像的色调差异或光照阴影来识别断裂陡坎。LiDAR数据的优点是对地形凹凸细小差异的高精度描述和真三维成像，因此比光学影像能更有效地揭示断裂活动的印迹。

　　我们对国内某个活动断裂带进行了机载lidar航摄，获取的高清晰度LiDAR 数据为拓展活动断裂的深入细致研究提供了一个新的数据平台和契机。利用该数据，我们进行了如下研究：
　　（1）活动断裂精细填图，以及断裂展布的几何粗糙度、复杂性和分段性分析，有望对断裂带的演化提供新线索。
　　（2）获取了大量新的累积位移量值，大大地丰富了位移数据，可用于量化断裂的晚第四纪滑动速率及其沿断裂的横向变化，进行断裂的地质速率与现今应变累积速率比较的机理性研究。
　　（3）对该区域大地震的同震位移分布进行系统量测和不确定性分析，并与前人工作进行比较和评价，为揭示强震次数与梯级位移量的对应关系，分析古地震事件同震位移的时空叠加效应提供了直接数据基础。
　　（4）识别出一些以往由于影像分辨率较低而被忽视的古地震保存较完整的点位，彰显了地形数据在分辨率上的提高对古地震复发规律研究的重要性。

　　（5）研究冲沟水系等河流和边坡地貌过程对构造位错的响应，形成时代不同的新老冲洪积扇地貌特征量化等构造地貌学分析。此外，由于获取的地形数据构成海原断裂地貌的瞬时照相，且有绝对位置的标定，将作为震间期的参照地貌，如果将来该地区发生强震或蠕滑事件，在震后通过对同一地区进行二次扫描，与之前地貌的差分对比将能够捕捉到强震的近断层全息变形场。

　　4 结束语

　　激光雷达技术作为近年来航空遥感技术发展的一个重要里程碑，无疑代表着航空遥感技术未来的发展方向。机载雷达测量可以获得高密度、高精度的点云数据和影像数据，由于激光对于植被覆盖具有一定的穿透性，可获取到植被下面地表的激光点云数据，因此通过这些地表激光点云可生成获得高精度的等高线地形矢量数据。因此该技术可以在地学方面有着很大的优势，尤其在活动断裂带研究中必将具有很好的应用前景。