機載LIDAR技術(shù)在活動(dòng)斷裂帶研究中的應用

　　活動(dòng)斷裂研究主要通過(guò)精確測量第四紀地貌體的位錯及確定其年代，來(lái)量化斷裂的活動(dòng)強度，重塑大地震的重復規律。精細刻畫(huà)地貌形態(tài)是必不可少的基礎環(huán)節，因此活動(dòng)斷裂研究的重大發(fā)現強烈依賴(lài)于高精度和高分辨地形數據，數字地形和光學(xué)影像數據分辨率的提高往往引發(fā)活動(dòng)斷裂研究的跳躍式發(fā)展。傳統位移測量，如使用皮尺、平板繪圖儀或全站儀，可以得到單點(diǎn)或小范圍的、亞米級精度的結果，但因受限于人工操作而效率明顯較低，難于獲取沿整條斷裂的大范圍高精度地形數據，特別是記錄古地震事件的位移數據。

　　機載LiDAR測量系統是一種主動(dòng)航空遙感裝置，是實(shí)現地面三維坐標和影像數據同步、快速、高精確獲取，并快速、智能化實(shí)現地物三維實(shí)時(shí)、變化、真實(shí)形態(tài)特性再現的一種國際領(lǐng)先的測繪高新技術(shù)。該技術(shù)基于激光測距、GPS定位、慣導測量、及航空攝影測量原理，可以快速、低成本、高精度地獲取三維地形地貌、航空數碼影像等空間地理信息數據。其中機載 LiDAR 設備在飛行中以每秒 40 萬(wàn)個(gè)點(diǎn)，側向60°的掃描范圍，在短時(shí)間內實(shí)現大范圍三維地貌、地物和植被掃描，數據在水平和垂直方向上可達到厘米級精度。機載激光雷達掃描技術(shù)以其便利性、 可重復性和絕對定位，以及數據的真三維性和前所未有的精度等優(yōu)勢， 在地學(xué)及相關(guān)領(lǐng)域中得到日益廣泛應用和快速發(fā)展。

　　1 機載LiDAR測量技術(shù)

　　1.1 系統組成及工作原理

　　機載LiDAR系統主要由激光掃面系統、GPS、IMU、數碼相機、監控和控制系統組成，其中LiDAR傳感器和IMU是系統的核心部件，LiDAR傳感器是發(fā)射測量激光脈沖和接受激光脈沖遇到障礙物（目標）后所反射的回波，IMU為確定任一瞬間平臺在空間中的姿態(tài)，GPS為L(cháng)iDAR系統提供精確的定時(shí)和定位數據。，數碼相機可以為獲得高分辨率的影像數據，監控及控制系統在系統采集數據的同時(shí)為操作人員提供有效的實(shí)時(shí)監控信息。對以上數據進(jìn)行處理，可以獲得DOM、DEM、DSM、DLG、三維數字模型等產(chǎn)品。

　　1.2數據采集及數據處理

　　首先進(jìn)行航空Lidar掃描，得到地表的點(diǎn)云和彩色數字相片，根據首次回波信息的激光數據擬合生成DSM；

　　然后對點(diǎn)云數據進(jìn)行初分類(lèi)，并對該地面點(diǎn)結果進(jìn)行人機交互檢查編輯，去除被錯分的地面點(diǎn)，形成真實(shí)的地面點(diǎn)成果，再將地面點(diǎn)通過(guò)不規則三角網(wǎng)或格網(wǎng)等構建DEM，同時(shí)將地面點(diǎn)成果進(jìn)行抽稀處理，形成初步高程點(diǎn)數據；

　　利用制作好的DEM模型，對原始的單幅影像進(jìn)行微分糾正，生成正射影像，同時(shí)利用DEM生成等高線(xiàn)；將等高線(xiàn)以及正射影像圖進(jìn)行疊加，在此基礎上繪制建筑物、水系、植被、道路等，形成初步的地形圖；

　　利用初步的地形圖到實(shí)地進(jìn)行調繪，調查并編輯建筑物、水系、植被、道路、等的屬性及相關(guān)數據和名稱(chēng)，同時(shí)對機載激光采集而生成的等高線(xiàn)和初步高程點(diǎn)進(jìn)行檢測，以保證高程精度，最后形成最終的地形圖。

　　2 機載LiDAR測量的產(chǎn)品

　　2.1 三維激光點(diǎn)云數據

　　激光點(diǎn)云數據不僅僅包含X、Y、Z坐標信息，還包括如反射強度等其它多種信息。根據具體需求，激光點(diǎn)云數據密度可達到100點(diǎn)/平方米以上，高密度的激光點(diǎn)云數據能精確反映地形地貌細節。

　　2.2 數字高程模型（DEM）

　　基于激光點(diǎn)云數據能夠快速高質(zhì)地生成高精度DEM成果，DEM高程可達到優(yōu)于10厘米精度。

　　2.3 數字表面模型（DSM）

　　DSM是用含有首次回波信息的激光數據擬合生成的地表模型，DSM模型對地表的房屋和樹(shù)木有很好的表現，DSM反映了區域表面的高低起伏，DSM=DTM+非地形要素，由于LiDAR原始數據為三維點(diǎn)數據，因此生成DSM，需要進(jìn)行插值算法。

　　2.4 數字正射影像（DOM）

　　DOM具有精度高、信息豐富、直觀(guān)逼真、獲取快捷等優(yōu)點(diǎn)，可作為地圖分析背景控制信息，也可從中提取自然資源和社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的歷史信息或最新信息，為防治災害和公共設施建設規劃等應用提供可靠依據；還可從中提取和派生新的信息。

　　2.5 大比例尺地形圖（DLG）

　　利用激光點(diǎn)云和DOM影像可快速生產(chǎn)大比例尺（1：500至1：2000）DLG產(chǎn)品。

　　2.6 三維模型

　　在三維建模軟件支持下，以對應的數碼影像數據為參考，可以建立大范圍的三維場(chǎng)景瀏覽，進(jìn)行360度的觀(guān)察。

　　3 機載LiDAR技術(shù)在活動(dòng)斷裂帶研究的應用

　　機載LiDAR技術(shù)不僅可以得到常規的DOM、地形圖等數據，還可以得到三維點(diǎn)云、DEM、DSM和三維模型等數據。高分辨率 LiDAR 數據及其與航空影像的疊加，提高了地貌體錯位的識別度和量測的準確性，促進(jìn)斷裂活動(dòng)性和古地震復發(fā)規律的精細化研究。斷裂活動(dòng)往往造成斷裂兩側的地形差異，形成斷裂陡坎等微小地貌特征。傳統活動(dòng)斷裂研究依賴(lài)于航衛片等光學(xué)影像的解譯，利用影像的色調差異或光照陰影來(lái)識別斷裂陡坎。LiDAR數據的優(yōu)點(diǎn)是對地形凹凸細小差異的高精度描述和真三維成像，因此比光學(xué)影像能更有效地揭示斷裂活動(dòng)的印跡。

　　我們對國內某個(gè)活動(dòng)斷裂帶進(jìn)行了機載lidar航攝，獲取的高清晰度LiDAR 數據為拓展活動(dòng)斷裂的深入細致研究提供了一個(gè)新的數據平臺和契機。利用該數據，我們進(jìn)行了如下研究：
　?。?）活動(dòng)斷裂精細填圖，以及斷裂展布的幾何粗糙度、復雜性和分段性分析， 有望對斷裂帶的演化提供新線(xiàn)索。
　?。?）獲取了大量新的累積位移量值，大大地豐富了位移數據，可用于量化斷裂的晚第四紀滑動(dòng)速率及其沿斷裂的橫向變化，進(jìn)行斷裂的地質(zhì)速率與現今應變累積速率比較的機理性研究。
　?。?）對該區域大地震的同震位移分布進(jìn)行系統量測和不確定性分析，并與前人工作進(jìn)行比較和評價(jià)，為揭示強震次數與梯級位移量的對應關(guān)系，分析古地震事件同震位移的時(shí)空疊加效應提供了直接數據基礎。
　?。?）識別出一些以往由于影像分辨率較低而被忽視的古地震保存較完整的點(diǎn)位，彰顯了地形數據在分辨率上的提高對古 地震復發(fā)規律研究的重要性。

　?。?）研究沖溝水系等河流和邊坡地貌過(guò)程對構造位錯的響應，形成時(shí)代不同的新老沖洪積扇地貌特征量化等構造地貌學(xué)分析。此外，由于獲取的地形數據構成海原斷裂地貌的瞬時(shí)照相，且有絕對位置的標定，將作為震間期的參照地貌，如果將來(lái)該地區發(fā)生強震或蠕滑事件，在震后通過(guò)對同一地區進(jìn)行二次掃描，與之前地貌的差分 對比將能夠捕捉到強震的近斷層全息變形場(chǎng)。

　　4 結束語(yǔ)

　　激光雷達技術(shù)作為近年來(lái)航空遙感技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑，無(wú)疑代表著(zhù)航空遙感技術(shù)未來(lái)的發(fā)展方向。機載雷達測量可以獲得高密度、高精度的點(diǎn)云數據和影像數據，由于激光對于植被覆蓋具有一定的穿透性，可獲取到植被下面地表的激光點(diǎn)云數據，因此通過(guò)這些地表激光點(diǎn)云可生成獲得高精度的等高線(xiàn)地形矢量數據。因此該技術(shù)可以在地學(xué)方面有著(zhù)很大的優(yōu)勢，尤其在活動(dòng)斷裂帶研究中必將具有很好的應用前景。

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