机载激光雷达技术在构造地貌定量化研究中的应用

陈 涛

（中国地震局地质研究所，北京 100029）

在过去的10年，激光雷达（Light Detection and Ranging，简写为LiDAR）技术凭借其能够精确、快速地获取地面三维数据的技术特点已在众多行业领域得到广泛运用。该技术集成了GPS、IMU、激光扫描仪、数码相机等设备，其中主动传感系统（激光扫描仪）利用返回的脉冲可获取探测目标高精度的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被动光电成像设备（航空摄影相机）则可获取探测目标的数字成像信息。上述数据经后续处理可生成三维激光点云，并最终得到沿整个扫描条带的地面点三维空间坐标与真彩色图像。相对于传统的摄影测量技术，激光雷达技术是遥感技术领域的一场革命，它不仅能够提供高分辨率、高精度的地形地貌，还可以通过滤波算法有效祛除地表植被的影响，得到真实地表，目前已广泛应用于基础测绘、城市三维建模和林业应用、铁路、电力勘察等领域。按照载体的不同，激光雷达系统可以分为星载、机载、车载以及地基测量系统。其中，机载激光雷达测量系统相对于其他搭载方式，具有作业周期短、数据精度高且不受天气因素影响等优点，是一种方便高效的主动遥感测量技术。

机载激光雷达系统工作原理与传统大地测量和摄影测量并不完全一样，因此本文首先介绍了机载激光雷达测量系统组成及工作原理、LiDAR数据产品及其误差来源和数据后处理算法。在此基础上，回顾了近年来机载LiDAR技术在地球科学领域，尤其是地震地质研究领域的最新进展和项目实例。然后，结合海原断裂带机载LiDAR数据采集项目，以海原断裂带哨马饮流域阶地上被左旋错断的冲沟为例，阐明了基于高分辨率地形数据精确测量单条冲沟的同震位移和累计位移的方法。接着，运用同样的方法，沿海原断裂带老虎山断层测量得到250多个冲沟小位移值，并基于位移分布讨论了1888年景泰地震的地表破裂范围和震级大小，展示了高分辨率地形数据在断裂活动性研究中的应用。最后，以1999年美国Hector Mine地震发生后采集的LiDAR数据为研究对象，系统比较了基于LiDAR测量得到的同震位移数据与野外实地测量得到的同震位移数据之间的异同，初步讨论了机载LiDAR数据的优点和局限性。

第一章介绍了机载LiDAR测量系统的组成及工作原理。首先回顾了自1970年美国阿波罗计划使用激光测距系统以来LiDAR技术的发展历程，阐明了LiDAR测量的基本原理和技术特点。并以经典的机载LiDAR应用系统，如水下地形测量系统（SHOALS）、植被成像传感系统（LVIS）和大气探测与极地激光测高系统（ICESat）为例，总结了机载LiDAR技术的国内外发展现状和主要应用领域。接下来，从工作机制、技术指标等方面，分别对机载LiDAR系统的主要组成单元，如激光测距系统、动态GPS定位单元、姿态测量单元、多天线阵列姿态测量系统和飞行搭载平台等进行了简要介绍。随后，基于激光测距原理和扫描方式完成了机载LiDAR测量的几何模型推导。最后，通过与传统的摄影测量和合成孔径雷达测量技术（Interferometric Synthetic Aperture Radar，简写为InSAR）的比较，归纳了机载LiDAR技术的优缺点，简述了LiDAR数据生产流程，并收集了目前主流商用机载LiDAR系统的技术指标。

第二章讨论了机载LiDAR的数据产品类型，数据误差来源以及数据后处理方法。机载LiDAR系统的数据产品可以是激光点云、全波形文件和数码航空影像，也可以是经过规则格网内插后的数字地表模型（DSM）或数字高程模型（DEM）。对于其中最原始，也是最为重要的激光点云而言，其误差来源非常复杂，仅通过数学建模的方法难以消除，因此实际工作中一般采用系统检校并建立误差模型的方法来减弱系统误差影响。同时，由于点云的空间离散特征，导致点云数据质量与精度评定都与传统的摄影测量大不相同。尤其是水平精度评价，往往还需要借助于事先敷设的规则形状人工强反射地物。激光点云的滤波和分类算法是近年来LiDAR技术发展的研究热点，但目前无论哪种方法都距离全自动化处理还有一定差距。在工程实践中，一般采用人工辅助计算机进行半自动分类，往往耗费较多的人力和时间。

第三章综述了近年来机载LiDAR在地球科学领域的应用，并列举了数个项目实例。首先介绍机载LiDAR在地球科学各个领域中的应用。如利用ICESat卫星开展极地冰盖厚度与全球气候变化，结合机载LiDAR数据和潮汐数据研究海岸线变化，基于LiDAR数据的滑坡物质运移规律研究，通过高精度地形数据推断局部活动断裂特征，以及LiDAR数据在定量地貌学地貌过程模拟和变化趋势预测等应用实例。接下来，总结了近年来国内外比较具有典型意义的LiDAR工程实例，包括美国San Andreas断裂带机载LiDAR扫描项目（B4），海地太子港7.0级地震、新西兰Darfield 7.1级地震和汶川8.0级地震震后LiDAR数据采集情况，以及黑河流域生态－水文过程综合遥感观测联合试验项目（HiWATER）。

第四章以海原断裂带LiDAR数据采集项目为例，从项目概况、技术设计与质量评价等方面介绍了机载LiDAR数据生产流程。利用这样的大范围、高精度的地形数据，断裂的空间位置和沿断层的位移分布可以精确到亚米级误差范围，从而使1：1000比例尺的活动断裂填图成为可能。这对于活动断裂研究，尤其是城市活断层填图来说具有重要意义。毫无疑问，前所未有的高精度三维激光点云数据将带来活动构造领域研究方法的革新。

第五章通过研究海原断裂带哨马饮流域阶地上沿断层走向左旋错断冲沟，展示了基于LiDAR数据的冲沟同震位移和累计位移的精密测量方法。基于海原断裂带机载LiDAR扫描项目所获得的地形数据，发现1920年海原地震在哨马饮区段的同震位移，并测量得到水平同震位移约为8.6m，垂直同震位移约为0.8m。另外，还得到哨马饮冲沟累积位移量精确值，结合前人测定的阶地年龄，估算海原断层全新世以来的水平方向滑动速率为（4.0±1.0）mm／a，抬升的垂向速率下限为（0.4±0.1）mm／a。海原断裂带机载LiDAR实验表明，基于LiDAR数据的精细地貌定量化研究可以准确获取同震位移和累计位移，减少滑动速率的不确定性，得到之前难以计算的垂直运动速率，从而加深对断裂带地震活动性和复发周期的认识，理解全新世以来的断层活动特性。

第六章选取海原断裂带老虎山断裂为研究区域，展示了基于LiDAR数据的位移分布在断裂活动性研究中的应用。老虎山断裂紧邻1920年海原地震地表破裂带的西端，20世纪90年代曾开展过1：50000活断层填图。在前人的工作基础上，基于老虎山断裂沿线的高分辨率LiDAR数据，在确定老虎山断层地表破裂准确位置的基础上，沿断裂选取了203处多错断的河沟、山脊、阶地和边坡，测量得到225个水平位移。通过分析小于20m的位移测量，重建了相对可靠的1888年景泰地震的地表破裂范围和同震位移分布，并按照矩震级与地震矩之间的换算公式，修正景泰地震的震级为6.9级。此外，对早于1888年景泰地震的历史地震，参考此前的松山古地震探槽记录，大致估计了破裂范围和地震震级，推测天祝地震空区的地震复发模式可能是“分段补丁”的方式。最后，以千年地震复发周期计，大致估算老虎山断层的长期平均左旋走滑速率约为6～7mm／a。

第七章展示了基于1999年Hector Mine地震后所采集的LiDAR数据测量的同震位移，并与野外实测数据进行了比对分析。在基于LiDAR点云数据生成的0.5m分辨率DEM支持下，测量得到255个水平位移点和85个垂直位移点，最大的水平位移值为（6.6±1.1）m，在野外最大测量值以南700m。使用积分法计算的LiDAR测量值的平均值为（1.72±0.46）m，包络线法计算值为（2.37±0.5）m。最大的垂直位移为（1.22±0.02）m，同野外实测数据相似，并没有明显的分布趋势。研究结果表明，除非地震发生在有密集人工地物的区域（例如Darfield地震），仅依靠震后LiDAR数据（或者高分辨率遥感影像）就可以得到可靠的高质量同震位移分布。否则，只有将震前和震后的数据联合起来解译，才能够保证提供断层附近精确的三维形变信息，理解地震地表破裂几何分布特征和传播机制。

综上所述，本论文的主要工作是以机载LiDAR所提供的新技术、新方法为切入点，对机载LiDAR系统的软硬件系统组成、数据产品类型、解算模型和误差来源等进行了简要介绍，并以海原断裂带机载LiDAR数据为例，阐明了基于高分辨率、高精度的地形数据精确测量单点冲沟位移的方法，重点展示了基于单点冲沟位移测量得到的沿断层走线的密集位移分布测量结果，最后通过与前人的热年代学测年数据和地质填图数据进行联合分析，得到的历史地震事件的位移分布、断层的平均滑动速率等有关断层活动性和地貌演化过程的新认识。

本论文的创新点可归纳为以下4点：①探索新技术，机载LiDAR技术是一种低成本、高效率的新型数据获取技术，该技术在地震地质研究领域已有近20年的成功使用经验，而在我国的应用还处于起步阶段，海原断裂带机载LiDAR扫描项目的实施，从技术设计到数据质量评价，从外业采集到内业分析，完整的执行了LiDAR数据生产采集的全过程，为推动Li－DAR技术在地震地质领域的应用提供技术储备；②发现新现象，冲沟（或其他线状地物）沿断层发生断错的现象，一直都被看作为活动断层的地貌表征，1920年海原地震在哨马饮区段的同震位移在之前的野外考察中从未发现，而在高分辨率地形数据的支持下，精确测得哨马饮流域阶地上所发育冲沟的水平和垂直同震位移，继而得到了左旋滑动速率和垂直抬升速率；③获得新认识，传统的野外测量受限于地形或者经费等因素，所开展的断裂研究局限于个别区段或者局部点位，在机载LiDAR数据的支持下，沿老虎山断层测量得到200余处位移值，密集分布的位移测量结果能够尽可能准确地描绘出导致历史地震地表破裂范围和位移分布，基于上述测量结果修正得到1888年景泰地震的震级约为6.8级，而不是之前认为的61/4级；④拓展新应用，机载LiDAR的条带扫描技术在快速准确获取断裂带沿线地形方面具有独到的技术优势，但是受限于航空管制、设备昂贵以及数据处理自动化程度不高等原因，LiDAR技术在活动断裂研究中的应用才刚刚开展，海原断裂带机载LiDAR扫描项目和Hector Mine震后LiDAR数据分析，可视为LiDAR技术在活动断裂研究中的初步探索，后续基于LiDAR数据的活动断层填图、地质填图乃至断裂活动性研究等方面的应用仍有待展开。

机载LiDAR；数据精度；几何模型；滤波；分类；定量构造地貌；同震位移