陳 濤

（中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，北京 100029）

在過去的10年，激光雷達(dá)（Light Detection and Ranging，簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)iDAR）技術(shù)憑借其能夠精確、快速地獲取地面三維數(shù)據(jù)的技術(shù)特點(diǎn)已在眾多行業(yè)領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用。該技術(shù)集成了GPS、IMU、激光掃描儀、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備，其中主動(dòng)傳感系統(tǒng)（激光掃描儀）利用返回的脈沖可獲取探測(cè)目標(biāo)高精度的距離、坡度、粗糙度和反射率等信息，而被動(dòng)光電成像設(shè)備（航空攝影相機(jī)）則可獲取探測(cè)目標(biāo)的數(shù)字成像信息。上述數(shù)據(jù)經(jīng)后續(xù)處理可生成三維激光點(diǎn)云，并最終得到沿整個(gè)掃描條帶的地面點(diǎn)三維空間坐標(biāo)與真彩色圖像。相對(duì)于傳統(tǒng)的攝影測(cè)量技術(shù)，激光雷達(dá)技術(shù)是遙感技術(shù)領(lǐng)域的一場(chǎng)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(shí)地表，目前已廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)測(cè)繪、城市三維建模和林業(yè)應(yīng)用、鐵路、電力勘察等領(lǐng)域。按照載體的不同，激光雷達(dá)系統(tǒng)可以分為星載、機(jī)載、車載以及地基測(cè)量系統(tǒng)。其中，機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)相對(duì)于其他搭載方式，具有作業(yè)周期短、數(shù)據(jù)精度高且不受天氣因素影響等優(yōu)點(diǎn)，是一種方便高效的主動(dòng)遙感測(cè)量技術(shù)。

機(jī)載激光雷達(dá)系統(tǒng)工作原理與傳統(tǒng)大地測(cè)量和攝影測(cè)量并不完全一樣，因此本文首先介紹了機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)組成及工作原理、LiDAR數(shù)據(jù)產(chǎn)品及其誤差來源和數(shù)據(jù)后處理算法。在此基礎(chǔ)上，回顧了近年來機(jī)載LiDAR技術(shù)在地球科學(xué)領(lǐng)域，尤其是地震地質(zhì)研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展和項(xiàng)目實(shí)例。然后，結(jié)合海原斷裂帶機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目，以海原斷裂帶哨馬飲流域階地上被左旋錯(cuò)斷的沖溝為例，闡明了基于高分辨率地形數(shù)據(jù)精確測(cè)量單條沖溝的同震位移和累計(jì)位移的方法。接著，運(yùn)用同樣的方法，沿海原斷裂帶老虎山斷層測(cè)量得到250多個(gè)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(jí)大小，展示了高分辨率地形數(shù)據(jù)在斷裂活動(dòng)性研究中的應(yīng)用。最后，以1999年美國(guó)Hector Mine地震發(fā)生后采集的LiDAR數(shù)據(jù)為研究對(duì)象，系統(tǒng)比較了基于LiDAR測(cè)量得到的同震位移數(shù)據(jù)與野外實(shí)地測(cè)量得到的同震位移數(shù)據(jù)之間的異同，初步討論了機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)和局限性。

第一章介紹了機(jī)載LiDAR測(cè)量系統(tǒng)的組成及工作原理。首先回顧了自1970年美國(guó)阿波羅計(jì)劃使用激光測(cè)距系統(tǒng)以來LiDAR技術(shù)的發(fā)展歷程，闡明了LiDAR測(cè)量的基本原理和技術(shù)特點(diǎn)。并以經(jīng)典的機(jī)載LiDAR應(yīng)用系統(tǒng)，如水下地形測(cè)量系統(tǒng)（SHOALS）、植被成像傳感系統(tǒng)（LVIS）和大氣探測(cè)與極地激光測(cè)高系統(tǒng)（ICESat）為例，總結(jié)了機(jī)載LiDAR技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和主要應(yīng)用領(lǐng)域。接下來，從工作機(jī)制、技術(shù)指標(biāo)等方面，分別對(duì)機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的主要組成單元，如激光測(cè)距系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)GPS定位單元、姿態(tài)測(cè)量單元、多天線陣列姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)和飛行搭載平臺(tái)等進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。隨后，基于激光測(cè)距原理和掃描方式完成了機(jī)載LiDAR測(cè)量的幾何模型推導(dǎo)。最后，通過與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量和合成孔徑雷達(dá)測(cè)量技術(shù)（Interferometric Synthetic Aperture Radar，簡(jiǎn)寫為InSAR）的比較，歸納了機(jī)載LiDAR技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，簡(jiǎn)述了LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程，并收集了目前主流商用機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。

第二章討論了機(jī)載LiDAR的數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型，數(shù)據(jù)誤差來源以及數(shù)據(jù)后處理方法。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品可以是激光點(diǎn)云、全波形文件和數(shù)碼航空影像，也可以是經(jīng)過規(guī)則格網(wǎng)內(nèi)插后的數(shù)字地表模型（DSM）或數(shù)字高程模型（DEM）。對(duì)于其中最原始，也是最為重要的激光點(diǎn)云而言，其誤差來源非常復(fù)雜，僅通過數(shù)學(xué)建模的方法難以消除，因此實(shí)際工作中一般采用系統(tǒng)檢校并建立誤差模型的方法來減弱系統(tǒng)誤差影響。同時(shí)，由于點(diǎn)云的空間離散特征，導(dǎo)致點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量與精度評(píng)定都與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量大不相同。尤其是水平精度評(píng)價(jià)，往往還需要借助于事先敷設(shè)的規(guī)則形狀人工強(qiáng)反射地物。激光點(diǎn)云的濾波和分類算法是近年來LiDAR技術(shù)發(fā)展的研究熱點(diǎn)，但目前無論哪種方法都距離全自動(dòng)化處理還有一定差距。在工程實(shí)踐中，一般采用人工輔助計(jì)算機(jī)進(jìn)行半自動(dòng)分類，往往耗費(fèi)較多的人力和時(shí)間。

第三章綜述了近年來機(jī)載LiDAR在地球科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，并列舉了數(shù)個(gè)項(xiàng)目實(shí)例。首先介紹機(jī)載LiDAR在地球科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。如利用ICESat衛(wèi)星開展極地冰蓋厚度與全球氣候變化，結(jié)合機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)和潮汐數(shù)據(jù)研究海岸線變化，基于LiDAR數(shù)據(jù)的滑坡物質(zhì)運(yùn)移規(guī)律研究，通過高精度地形數(shù)據(jù)推斷局部活動(dòng)斷裂特征，以及LiDAR數(shù)據(jù)在定量地貌學(xué)地貌過程模擬和變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)等應(yīng)用實(shí)例。接下來，總結(jié)了近年來國(guó)內(nèi)外比較具有典型意義的LiDAR工程實(shí)例，包括美國(guó)San Andreas斷裂帶機(jī)載LiDAR掃描項(xiàng)目（B4），海地太子港7.0級(jí)地震、新西蘭Darfield 7.1級(jí)地震和汶川8.0級(jí)地震震后LiDAR數(shù)據(jù)采集情況，以及黑河流域生態(tài)－水文過程綜合遙感觀測(cè)聯(lián)合試驗(yàn)項(xiàng)目（HiWATER）。

第四章以海原斷裂帶LiDAR數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目為例，從項(xiàng)目概況、技術(shù)設(shè)計(jì)與質(zhì)量評(píng)價(jià)等方面介紹了機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程。利用這樣的大范圍、高精度的地形數(shù)據(jù)，斷裂的空間位置和沿?cái)鄬拥奈灰品植伎梢跃_到亞米級(jí)誤差范圍，從而使1：1000比例尺的活動(dòng)斷裂填圖成為可能。這對(duì)于活動(dòng)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(diǎn)云數(shù)據(jù)將帶來活動(dòng)構(gòu)造領(lǐng)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?cái)鄬幼呦蜃笮e(cuò)斷沖溝，展示了基于LiDAR數(shù)據(jù)的沖溝同震位移和累計(jì)位移的精密測(cè)量方法?；诤Ｔ瓟嗔褞C(jī)載LiDAR掃描項(xiàng)目所獲得的地形數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)1920年海原地震在哨馬飲區(qū)段的同震位移，并測(cè)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(jié)合前人測(cè)定的階地年齡，估算海原斷層全新世以來的水平方向滑動(dòng)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(jī)載LiDAR實(shí)驗(yàn)表明，基于LiDAR數(shù)據(jù)的精細(xì)地貌定量化研究可以準(zhǔn)確獲取同震位移和累計(jì)位移，減少滑動(dòng)速率的不確定性，得到之前難以計(jì)算的垂直運(yùn)動(dòng)速率，從而加深對(duì)斷裂帶地震活動(dòng)性和復(fù)發(fā)周期的認(rèn)識(shí)，理解全新世以來的斷層活動(dòng)特性。

第六章選取海原斷裂帶老虎山斷裂為研究區(qū)域，展示了基于LiDAR數(shù)據(jù)的位移分布在斷裂活動(dòng)性研究中的應(yīng)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(jì)90年代曾開展過1：50000活斷層填圖。在前人的工作基礎(chǔ)上，基于老虎山斷裂沿線的高分辨率LiDAR數(shù)據(jù)，在確定老虎山斷層地表破裂準(zhǔn)確位置的基礎(chǔ)上，沿?cái)嗔堰x取了203處多錯(cuò)斷的河溝、山脊、階地和邊坡，測(cè)量得到225個(gè)水平位移。通過分析小于20m的位移測(cè)量，重建了相對(duì)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(jí)與地震矩之間的換算公式，修正景泰地震的震級(jí)為6.9級(jí)。此外，對(duì)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(jì)了破裂范圍和地震震級(jí)，推測(cè)天祝地震空區(qū)的地震復(fù)發(fā)模式可能是“分段補(bǔ)丁”的方式。最后，以千年地震復(fù)發(fā)周期計(jì)，大致估算老虎山斷層的長(zhǎng)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(shù)據(jù)測(cè)量的同震位移，并與野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)分析。在基于LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成的0.5m分辨率DEM支持下，測(cè)量得到255個(gè)水平位移點(diǎn)和85個(gè)垂直位移點(diǎn)，最大的水平位移值為（6.6±1.1）m，在野外最大測(cè)量值以南700m。使用積分法計(jì)算的LiDAR測(cè)量值的平均值為（1.72±0.46）m，包絡(luò)線法計(jì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相似，并沒有明顯的分布趨勢(shì)。研究結(jié)果表明，除非地震發(fā)生在有密集人工地物的區(qū)域（例如Darfield地震），僅依靠震后LiDAR數(shù)據(jù)（或者高分辨率遙感影像）就可以得到可靠的高質(zhì)量同震位移分布。否則，只有將震前和震后的數(shù)據(jù)聯(lián)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(jī)制。

綜上所述，本論文的主要工作是以機(jī)載LiDAR所提供的新技術(shù)、新方法為切入點(diǎn)，對(duì)機(jī)載LiDAR系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)組成、數(shù)據(jù)產(chǎn)品類型、解算模型和誤差來源等進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并以海原斷裂帶機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)為例，闡明了基于高分辨率、高精度的地形數(shù)據(jù)精確測(cè)量單點(diǎn)沖溝位移的方法，重點(diǎn)展示了基于單點(diǎn)沖溝位移測(cè)量得到的沿?cái)鄬幼呔€的密集位移分布測(cè)量結(jié)果，最后通過與前人的熱年代學(xué)測(cè)年數(shù)據(jù)和地質(zhì)填圖數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合分析，得到的歷史地震事件的位移分布、斷層的平均滑動(dòng)速率等有關(guān)斷層活動(dòng)性和地貌演化過程的新認(rèn)識(shí)。

本論文的創(chuàng)新點(diǎn)可歸納為以下4點(diǎn)：①探索新技術(shù)，機(jī)載LiDAR技術(shù)是一種低成本、高效率的新型數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，該技術(shù)在地震地質(zhì)研究領(lǐng)域已有近20年的成功使用經(jīng)驗(yàn)，而在我國(guó)的應(yīng)用還處于起步階段，海原斷裂帶機(jī)載LiDAR掃描項(xiàng)目的實(shí)施，從技術(shù)設(shè)計(jì)到數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)，從外業(yè)采集到內(nèi)業(yè)分析，完整的執(zhí)行了LiDAR數(shù)據(jù)生產(chǎn)采集的全過程，為推動(dòng)Li－DAR技術(shù)在地震地質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用提供技術(shù)儲(chǔ)備；②發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，沖溝（或其他線狀地物）沿?cái)鄬影l(fā)生斷錯(cuò)的現(xiàn)象，一直都被看作為活動(dòng)斷層的地貌表征，1920年海原地震在哨馬飲區(qū)段的同震位移在之前的野外考察中從未發(fā)現(xiàn)，而在高分辨率地形數(shù)據(jù)的支持下，精確測(cè)得哨馬飲流域階地上所發(fā)育沖溝的水平和垂直同震位移，繼而得到了左旋滑動(dòng)速率和垂直抬升速率；③獲得新認(rèn)識(shí)，傳統(tǒng)的野外測(cè)量受限于地形或者經(jīng)費(fèi)等因素，所開展的斷裂研究局限于個(gè)別區(qū)段或者局部點(diǎn)位，在機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的支持下，沿老虎山斷層測(cè)量得到200余處位移值，密集分布的位移測(cè)量結(jié)果能夠盡可能準(zhǔn)確地描繪出導(dǎo)致歷史地震地表破裂范圍和位移分布，基于上述測(cè)量結(jié)果修正得到1888年景泰地震的震級(jí)約為6.8級(jí)，而不是之前認(rèn)為的61/4級(jí)；④拓展新應(yīng)用，機(jī)載LiDAR的條帶掃描技術(shù)在快速準(zhǔn)確獲取斷裂帶沿線地形方面具有獨(dú)到的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是受限于航空管制、設(shè)備昂貴以及數(shù)據(jù)處理自動(dòng)化程度不高等原因，LiDAR技術(shù)在活動(dòng)斷裂研究中的應(yīng)用才剛剛開展，海原斷裂帶機(jī)載LiDAR掃描項(xiàng)目和Hector Mine震后LiDAR數(shù)據(jù)分析，可視為L(zhǎng)iDAR技術(shù)在活動(dòng)斷裂研究中的初步探索，后續(xù)基于LiDAR數(shù)據(jù)的活動(dòng)斷層填圖、地質(zhì)填圖乃至斷裂活動(dòng)性研究等方面的應(yīng)用仍有待展開。

機(jī)載LiDAR；數(shù)據(jù)精度；幾何模型；濾波；分類；定量構(gòu)造地貌；同震位移