馬曉雪,吳中海,李家存

LiDAR技術(shù)在地質(zhì)環(huán)境中的主要應(yīng)用與展望

馬曉雪1,2,3,,吳中海2,李家存1,3,

(1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院,北京100048；2.中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所,北京100081；3.資源環(huán)境與地理信息系統(tǒng)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100048)

介紹了LiDAR激光探測與測距系統(tǒng)的組成和基本原理,并對LiDAR技術(shù)在地質(zhì)災(zāi)害、活動斷裂、冰川及海岸線測繪等地質(zhì)環(huán)境領(lǐng)域的國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀與進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)分析和總結(jié),對該技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。LiDAR系統(tǒng)集激光、GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng) (Inertial Navigation System,INS)三種技術(shù)于一身,能夠快速、精確地獲取地面目標(biāo)的三維空間信息,是繼GPS空間定位系統(tǒng)之后又一項(xiàng)測繪技術(shù)新突破。LiDAR作為一種新型的遙感測量技術(shù)未來在自動、快速提取滑坡體、自動提取與斷裂相關(guān)的微地貌結(jié)構(gòu)信息、海岸帶附近精細(xì)地物分類、海岸帶調(diào)查以及潮間帶生物多樣性研究等方面具有很大的發(fā)展空間。

LiDAR;地質(zhì)環(huán)境;滑坡災(zāi)害監(jiān)測;活動斷裂;冰川及海岸線測繪

隨著空間數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,對獲取空間數(shù)據(jù)的要求也越來越高。傳統(tǒng)遙感技術(shù)獲取的數(shù)據(jù)點(diǎn)密度低,且效率低、費(fèi)用高、生產(chǎn)周期長,已不能滿足當(dāng)前對空間數(shù)據(jù)的需求。LiDAR(Light Detection and Ranging)發(fā)射的激光能部分地穿透樹林的遮擋,直接獲取高精度的地表三維地形數(shù)據(jù),彌補(bǔ)了傳統(tǒng)遙感技術(shù)和大地測量方法在高程數(shù)據(jù)獲取及快速自動化處理方面的缺點(diǎn)和不足。LiDAR具有的高空間分辨率、強(qiáng)抗干擾能力以及高自動化等特點(diǎn),使其不僅能夠快速獲取高程數(shù)據(jù),而且在地形測繪、城市三維建模、環(huán)境監(jiān)測、工程建設(shè)、地球科學(xué)及行星科學(xué)等諸多領(lǐng)域具有極好的發(fā)展前景和很強(qiáng)的競爭力。近年來在滑坡[1～5]、活動斷裂[8～11]、冰川[12～15]和海岸線測繪[16～18]等地質(zhì)環(huán)境領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,并取得了一系列的成果與新進(jìn)展。

1　LiDAR技術(shù)簡介

LiDAR系統(tǒng)主要包括4部分:①激光掃描儀 (LiDAR的核心),測量激光發(fā)射點(diǎn)與地面激光腳點(diǎn)之間的距離；②動態(tài)差分GPS(DGPS),記錄瞬間激光和數(shù)碼相機(jī)開啟脈沖的時(shí)間并獲取LiDAR的三維坐標(biāo)；③激光測量單元 (IMU),測定激光掃描裝置的主光軸的空間姿態(tài)參數(shù)；④數(shù)碼相機(jī),獲取地面的地物地貌真彩或紅外數(shù)字影像信息。根據(jù)載荷平臺的不同,LiDAR可以分為地面、車載、機(jī)載和星載4種類型。地面LiDAR發(fā)展最為成熟,相比于其他幾種類型的LiDAR系統(tǒng)精度較高,平面精度和垂直精度可以達(dá)到毫米級甚至亞毫米級。車載、機(jī)載和星載LiDAR系統(tǒng)自2002年以后才開始從實(shí)驗(yàn)室逐步走向?qū)嶋H應(yīng)用,但是它們的應(yīng)用領(lǐng)域相當(dāng)廣泛。除了傳統(tǒng)的測繪領(lǐng)域外,在地球科學(xué)中的應(yīng)用也日益廣泛和深入[1](見表1)。

表1 四種LiDAR系統(tǒng)的比較Table 1 Comparison of four LiDAR systems

LiDAR系統(tǒng)中的激光測距儀包括一個(gè)單束窄帶激光器和一個(gè)接收系統(tǒng)。激光器發(fā)射一束離散的激光脈沖,打在地面物體上并反射回來被接收器接收。接收器能夠準(zhǔn)確地記錄激光脈沖從發(fā)射到被接收所用的時(shí)間,且已知激光脈沖以光速傳播,因此可以計(jì)算出激光器與地面點(diǎn)的距離。計(jì)算公式為:

式中R為傳感器到目標(biāo)物體的距離,C為光速,t為激光脈沖從發(fā)射到被接收所用時(shí)間。

由DGPS獲得的數(shù)據(jù)可以得到激光發(fā)射器的位置坐標(biāo),IMU可以得到飛行器的姿態(tài)參數(shù),然后再結(jié)合激光器的高度和激光掃描的角度等數(shù)據(jù)就可以準(zhǔn)確計(jì)算出每一個(gè)地面激光腳點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

機(jī)載LiDAR系統(tǒng)組成和基本原理示意圖見圖1、圖2。

2　LiDAR技術(shù)在地質(zhì)環(huán)境領(lǐng)域的主要應(yīng)用

LiDAR技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢和高精度的成果,被廣泛應(yīng)用于土地利用、地形測繪、森林調(diào)查、城市規(guī)劃及地質(zhì)環(huán)境變化等多個(gè)領(lǐng)域,展示出了良好的應(yīng)用前景。目前在地質(zhì)環(huán)境領(lǐng)域主要應(yīng)用于滑坡識別與監(jiān)測、活動斷裂調(diào)查研究、冰川研究和海岸帶測繪等方面。

圖1　機(jī)載LiDAR系統(tǒng)[2]Fig.1　Airborne LiDAR system

圖2　機(jī)載LiDAR的基本原理Fig.2　Basic principle of airborne LiDAR

2.1滑坡識別與監(jiān)測研究

滑坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害類型,常給人類活動造成嚴(yán)重的損害,因此分析研究滑坡對滑坡災(zāi)害預(yù)警以及減災(zāi)防災(zāi)具有重要意義。LiDAR技術(shù)不僅能為滑坡災(zāi)害研究提供高精度的DEM,還可以利用不同時(shí)相的LiDAR數(shù)據(jù)對滑坡變形進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測,了解滑坡體在一定時(shí)間范圍內(nèi)的變形趨勢和特征,并精確計(jì)算變形量,從而提高滑坡監(jiān)測的精度和效率。雖然地面LiDAR具有很高的觀測分辨率,但由于監(jiān)測距離和范圍的限制,只能針對單個(gè)滑坡進(jìn)行；機(jī)載LiDAR相對于地面LiDAR監(jiān)測范圍廣,可針對大面積滑坡進(jìn)行觀測[3],但觀測精度受到一定限制。

2.1.1滑坡識別及其主要參數(shù)的定量化分析

準(zhǔn)確識別滑坡并確定其具體分布范圍和體積是科學(xué)評估滑坡災(zāi)害危險(xiǎn)性與危害性的重要前提。在從大空間尺度識別滑坡并確定其分布與體積方面,LiDAR技術(shù)與常規(guī)測量技術(shù)相比具有獨(dú)特優(yōu)勢。LiDAR技術(shù)能夠生成高精度的DEM,并基于此高精度的DEM對滑坡進(jìn)行定性和定量分析,實(shí)現(xiàn)滑坡邊界的圈定。定性分析是利用LiDARDEM生成一系列不同視角下的山體陰影圖,它能夠很好地表達(dá)地形的立體形態(tài)。定量分析是利用LiDARDEM提取精細(xì)微地形地貌參數(shù)分析滑坡要素。借助于不同方位角的LiDAR山體陰影圖及坡度和粗糙度圖,能夠準(zhǔn)確地識別滑坡滑動的范圍,并準(zhǔn)確圈定出滑坡后緣、滑坡側(cè)緣、滑舌等滑坡要素。Schulz[4]利用機(jī)載LiDAR技術(shù)對西雅圖地區(qū)的滑坡進(jìn)行了詳細(xì)填圖,由于LiDAR技術(shù)能夠透射植被,研究發(fā)現(xiàn)使用LiDAR數(shù)據(jù)圈定的滑坡個(gè)數(shù)是傳統(tǒng)航空攝影測量圈定的4倍之多,識別出很多以前利用航片解譯不能識別的滑坡,表明了LiDAR技術(shù)在滑坡識別中的巨大優(yōu)勢。沈永林等[5]以海地地震誘發(fā)的滑坡體為研究對象,對研究區(qū)的航空影像和機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)預(yù)處理后,利用面向?qū)ο蟮亩喑叨扔跋穹指罴夹g(shù)進(jìn)行影像分割,并結(jié)合滑坡體及其他地物特點(diǎn),選擇相應(yīng)的特征組合,設(shè)定合適的特征參數(shù)閾值,進(jìn)而構(gòu)建規(guī)則,實(shí)現(xiàn)地物分類和滑坡識別。馬洪超等[6]對2008年汶川地震引起的都江堰—汶川公路滑坡進(jìn)行機(jī)載LiDAR測量,并利用LiDAR點(diǎn)云生成了DEM數(shù)據(jù),對滑坡的位置、體積和土石方等參數(shù)進(jìn)行了估算 (見圖3),提高了效率,改進(jìn)了勘察工作的安全性,表明LiDAR技術(shù)在滑坡災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)中的重要性。

2.1.2滑坡變形動態(tài)監(jiān)測

滑坡變形動態(tài)監(jiān)測主要包括地表位移監(jiān)測和地下位移監(jiān)測?；麦w地表變形監(jiān)測是對滑坡體地表進(jìn)行絕對位移和相對位移監(jiān)測。對滑坡表面位移進(jìn)行監(jiān)測能夠反映滑坡的真實(shí)動態(tài)、總體變形趨勢等特點(diǎn),通過監(jiān)測結(jié)果的分析與研究,掌握滑坡的變形規(guī)律,以更好地進(jìn)行滑坡災(zāi)害預(yù)報(bào),減少滑坡帶來的巨大損失?；贚iDAR技術(shù)的滑坡地表位移監(jiān)測主要對LiDAR獲得的滑坡體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,構(gòu)建滑坡體表面的DEM,通過不同時(shí)期DEM的整體對比,分析監(jiān)測點(diǎn)的變形信息和特定區(qū)域的土方量變化,進(jìn)而預(yù)測坡體的變形趨勢和未來滑坡量的大小。Roering等[7]利用差分干涉測量 (DInSAR)、機(jī)載LiDAR和歷史航空影像對加利福尼亞北部鰻魚河流域大型的滑動緩慢的滑坡進(jìn)行了分析研究,從獲取的干涉圖中確定了2007年2月到2008年2月期間活動的5個(gè)大型 (長度大于1 km)滑坡,并對滑坡表面的位移進(jìn)行分析,精確得到了滑坡的平均下滑速率、最小輸沙量以及侵蝕速率。徐進(jìn)軍等[8]應(yīng)用地面LiDAR技術(shù)監(jiān)測滑坡變形,采用 “重心法”對三峽庫區(qū)某滑坡的局部進(jìn)行監(jiān)測與分析,獲得了較滿意的結(jié)果,但該方法對于處理大型滑坡仍有不足。劉圣偉等[9]以長江三峽工程庫區(qū)的樹坪滑坡為研究對象,利用2006年和2009年兩期機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)對滑坡的變形情況進(jìn)行了初步分析,主要通過比較不同特征點(diǎn)之間的坐標(biāo)差在兩期機(jī)載LiDAR測量結(jié)果中的變化進(jìn)行滑坡變形監(jiān)測,研究得到的樹坪滑坡的變形特征與前人研究結(jié)果一致,表明機(jī)載LiDAR在滑坡變形監(jiān)測方面有較好發(fā)展前景。

圖3　基于Leica ALS50II機(jī)載激光雷達(dá)獲取的都江堰—汶川公路高分辨率DEM立體影像的滑坡解譯結(jié)果[6]Fig.3　Results of the landslide interpretation of high resolution DEM stereo images obtained from the airborne LiDAR based on ALS50II Leica airborne LiDAR

2.2活動斷裂研究

活動構(gòu)造研究是地震危險(xiǎn)性評價(jià)的重要基礎(chǔ)性地質(zhì)工作[10],其重點(diǎn)是活動斷裂的調(diào)查與研究?；顒訑嗔蜒芯康闹饕獌?nèi)容是通過精確測量第四紀(jì)地貌體的位錯并確定其年代,量化斷裂的活動強(qiáng)度,重塑大地震的重復(fù)規(guī)律。因此精細(xì)刻畫地貌形態(tài)是活動斷裂研究的重要環(huán)節(jié),這需要高精度、高分辨率地形數(shù)據(jù)的支撐。LiDAR技術(shù)能夠?qū)Φ孛策M(jìn)行高精度、全方位、三維直接測量,可以為活動斷裂提供沿整條斷裂帶的高精度地貌高程基礎(chǔ)數(shù)據(jù),近年來已成為活動斷裂研究的一種重要技術(shù)手段。

2.2.1高精度斷層微地貌形態(tài)獲取

斷層微地貌研究是評價(jià)斷裂活動性的關(guān)鍵,也是預(yù)測斷裂在未來一段時(shí)間地震危險(xiǎn)性需要解決的基本問題。斷層微地貌的研究主要包括2個(gè)方面,一是活斷層控制之下形成的微地貌的地形特點(diǎn)、影響因素及演變方式等；二是與控制微地貌形成相關(guān)的活動斷層上的古地震研究,尋找可識別出古地震的各種變形和沉積標(biāo)志,最終弄清古地震的具體期次,估算出斷層活動的復(fù)發(fā)周期以及斷層活動速率等定量參數(shù)[11]。斷層微地貌研究還能為斷層填圖提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過斷層詳細(xì)填圖可以使研究人員清楚地認(rèn)識斷層的空間展布和運(yùn)動學(xué)特征,為地震危險(xiǎn)性評價(jià)和防震減災(zāi)工作提供科學(xué)參考。LiDAR數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)地形細(xì)小差異的高精度描述和真三維成像,從而比光學(xué)影像更有效地揭示斷裂活動印跡。利用LiDAR數(shù)據(jù),可以從各個(gè)不同的光照角度暈渲地形以突出和增強(qiáng)斷裂微地貌特征。Chan等[12]利用機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)生成的1 m分辯率DEM、航攝相片和地形圖對臺灣北部的活動斷裂——新城斷層進(jìn)行了深入研究。激光雷達(dá)DEM對于發(fā)現(xiàn)研究區(qū)域微小的高程變化也非常有效,這對于評估和測定斷層微地貌特征有很重要的意義。如劉靜等[13]利用機(jī)載LiDAR技術(shù)對海原斷裂帶的微地貌進(jìn)行了詳細(xì)描述,根據(jù)獲取的高密度點(diǎn)云數(shù)據(jù)生成了0.5 m分辨率的DEM,實(shí)現(xiàn)了海原斷裂帶微地貌形態(tài)和斷層幾何的高清晰度三維再現(xiàn) (見圖4),對斷裂活動性和古地震復(fù)發(fā)規(guī)律的精細(xì)化研究起到了很大的促進(jìn)作用。

圖4　海原斷裂微地貌形態(tài)和斷層幾何的高清晰度三維再現(xiàn)[13]Fig.4　High resolution three-dimensional reconstruction of the Haiyuan fault and the fault geometry of the micro topography

2.2.2斷裂變形測量

斷裂位移主要指斷裂不同時(shí)期的錯動量大小,包括垂直位移和水平位移。斷裂的垂直位移通過提取斷層崖和斷層陡坎的垂直錯動量獲取,斷裂上不同級別的水平位移通過提取不同時(shí)代水系、沖溝、洪積扇和階地等地貌體的水平錯動量獲取,進(jìn)而為定量評估斷裂活動性提供重要依據(jù)。斷裂帶滑動速率的限定需要2個(gè)參數(shù),一個(gè)是高精度的斷裂錯斷典型地貌的位移量,另一個(gè)是被錯斷地貌的年齡。利用遙感衛(wèi)星影像圖進(jìn)行斷裂帶錯斷地貌水平位移量的測量已被廣泛應(yīng)用于各種大型活動走滑斷裂的研究,但是利用高分辨率衛(wèi)星影像無法獲得準(zhǔn)確的垂直位移量,而LiDAR能夠快速獲取高精度的地貌位錯量,因此在斷裂位移及滑動速率測量方面凸顯出了巨大優(yōu)勢。如:Karabacak等[14]在2006—2009年間利用地面LiDAR對北安納托利安斷層上的固定建筑進(jìn)行了6次重復(fù)觀測,生成了點(diǎn)云數(shù)據(jù),計(jì)算得到的位移量和其年化震間變形速率與其他遙感技術(shù)如InSAR和GPS所觀測的結(jié)果一致,說明利用地基LiDAR進(jìn)行震間變形觀測是可行而且有效的；徐錫偉等[15]利用富蘊(yùn)斷裂的地面LiDAR掃描DEM、野外考察數(shù)據(jù)和高分辨率衛(wèi)星影像等數(shù)據(jù),結(jié)合多級地貌面宇宙成因核素 (10Be)系統(tǒng)測年數(shù)據(jù),精確限定了該斷裂晚更新世以來的右旋走滑速率 (見圖5)以及大地震的復(fù)發(fā)間隔,并推導(dǎo)出低滑動速率和長周期特征地震復(fù)發(fā)模型,為分析板塊間相互作用產(chǎn)生的遠(yuǎn)程應(yīng)變效應(yīng)的基本特征提供了重要依據(jù)。

圖5　富蘊(yùn)地震地表破裂帶及走滑位移分布圖[15]Fig.5　The 1931 Fuyun earthquake surface rupture zone and distribution of cumulative slips

2.3現(xiàn)代冰川變化研究

極地冰雪動態(tài)變化研究是極地科學(xué)研究的重要內(nèi)容之一,在很大程度上影響著全球氣候和海平面的變化。目前星載LiDAR成為研究兩極冰雪變化的最有效手段之一[16],2003年1月美國NASA發(fā)射的ICESat衛(wèi)星上所攜帶的激光測距系統(tǒng)GLAS可用于冰川屬性與參數(shù)的提取,并可對參數(shù)變化趨勢進(jìn)行定量分析。由于GLAS可以獲取高精度的高程數(shù)據(jù),因此可用于估計(jì)冰川表面地形的高程變化率。Yamamoto等[17]將每一周期記錄的激光數(shù)據(jù)內(nèi)插為高分辨率的規(guī)則格網(wǎng)DEM,將每一周期的DEM數(shù)據(jù)與前一周期比較,得出每個(gè)格網(wǎng)點(diǎn)的變化趨勢,再將分辨率降低以求得較大格網(wǎng)單元內(nèi)變化趨勢的平均值,由此來估算極地的物質(zhì)運(yùn)移。星載LiDAR數(shù)據(jù)還可以結(jié)合其他數(shù)據(jù)源,進(jìn)行冰川地形測繪與變化監(jiān)測。Weche等[18]利用GLAS數(shù)據(jù),結(jié)合地面GPS量測數(shù)據(jù)、機(jī)載雷達(dá)測高儀以及無線電聲吶等數(shù)據(jù)進(jìn)行聯(lián)合平差,獲取了EKsstromisen地區(qū)高精度的DEM,滿足冰川變化狀態(tài)的動態(tài)模擬和物質(zhì)平衡狀態(tài)研究的需求。Janke[19]將科羅拉多州的安德魯斯和泰勒冰川1 m分辨率的LiDAR DEM與美國地質(zhì)調(diào)查局 (USGS)10 m分辨率的DEM在高程、坡度和曲率 (見圖6)等方面進(jìn)行了比較,結(jié)果表明LiDAR DEM能夠更清晰地呈現(xiàn)巖石冰川的微地貌特征。李光輝等[20]對西藏那曲縣境內(nèi)的 “中習(xí)一號”冰川進(jìn)行研究,利用獲取的機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)提取研究區(qū)的DEM,并根據(jù)DEM對機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)的分類結(jié)果進(jìn)行正射糾正,獲取了冰川的數(shù)字正射影像圖 (DOM),最后融合研究區(qū)的DOM和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取冰川雪線,為綜合分析該區(qū)氣候、地勢和地形等因素對冰川發(fā)育的影響提供重要依據(jù)。

2.4海岸線測繪

海岸線即陸地與海洋的分界線,一般指海潮時(shí)高潮所到達(dá)的界線。海岸線對于海岸帶的保護(hù)和管理意義重大,海岸線的變化直接影響了海岸帶的環(huán)境和沿海人民的生存發(fā)展。因此,實(shí)現(xiàn)海岸線變化的快速準(zhǔn)確監(jiān)測,對海岸、灘涂的開發(fā)利用和海洋的災(zāi)害評估具有十分重要的意義。相對于傳統(tǒng)的海岸線測繪方法,聯(lián)合LiDAR數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和潮汐數(shù)據(jù)自動提取海岸線,所提取的海岸線精度高、自動化程度高且不易受海岸帶類型影像。Stockdon[21]等采用剖面分析方式結(jié)合機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)和潮汐數(shù)據(jù)自動提取海岸線,將LiDAR點(diǎn)云按一定的間隔劃分剖面,然后根據(jù)剖面上的離散點(diǎn)擬合曲線,將該曲線和潮汐面相交獲取臨界點(diǎn),最后連接這些點(diǎn)自動提取海岸線。Robertson[22]等采取跟蹤特定高程單條等高線的方式,從LiDAR點(diǎn)云生成的海岸帶DEM中提取海岸線。倪紹起等[23]提出一種基于機(jī)載LiDAR與潮汐推算的自然岸線遙感提取方法,該方法基于LiDAR系統(tǒng)獲取的航空正射影像解譯瞬時(shí)水邊線,應(yīng)用LiDAR系統(tǒng)提取的DEM和建立的高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換模型,通過潮汐數(shù)據(jù)推算了煙臺芝罘島與黃河口飛雁灘的海岸線,并將所得結(jié)果與 “908專項(xiàng)”航空遙感調(diào)查岸線進(jìn)行疊加顯示,其中砂質(zhì)岸線的提取精度最高 (見圖7),提高了海岸線提取的效率。

圖6　Taylor Rock及Andrews冰川LiDAR DEM與USGS DEM的比較[19]Fig.6　Curvature comparisons for LiDAR and USGS DEM sources for Taylor Rock Glacier and Andrews Glacier

3　存在問題及展望

3.1存在的主要問題

盡管LiDAR在地質(zhì)環(huán)境中的應(yīng)用取得了很大成功,但目前這一技術(shù)的應(yīng)用仍存在一些局限,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

①在滑坡識別方面,雖然可以利用LiDAR生成的高精度DEM計(jì)算坡度、坡向、地表粗糙度等,利用小波分析、傅里葉變換等方法開展地形的精細(xì)參數(shù)特征研究,但是這些參數(shù)在同一研究區(qū)并沒有被系統(tǒng)地使用過,缺乏基于精細(xì)地表參數(shù)的滑坡識別方法規(guī)律性研究和不同成因類型滑坡識別研究。

②基于LiDAR技術(shù)對活動構(gòu)造和地表形變的研究相對較弱,所獲取的數(shù)據(jù)和資料大都基于單個(gè)圖幅的有限范圍,目前可獲得的LiDAR數(shù)據(jù)還比較匱乏,難以滿足大區(qū)域活動構(gòu)造研究的需要,且自動提取斷裂構(gòu)造信息的算法還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

圖7　基于機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的自然岸線提取結(jié)果及推算岸線與 “908專項(xiàng)”航空遙感海岸線疊加效果圖[23]Fig.7　Natural coastline extracted based on airborne LiDAR data and estimated coastlines overlying with“908 coastline”

③基于LiDAR數(shù)據(jù)的淤泥質(zhì)海岸線的提取是目前的一個(gè)技術(shù)難題。由于淤泥質(zhì)海岸的地形平緩、坡度較小,因此垂直方向的微小差異可能導(dǎo)致水平方向數(shù)十米甚至上百米的距離偏差,這是精確提取淤泥質(zhì)海岸的困難所在。

④利用LiDAR進(jìn)行海水測深存在很多問題。由于海面經(jīng)常產(chǎn)生白浪和大量氣泡,使得激光產(chǎn)生更多的折射,傳播路徑更加復(fù)雜。此外,海水的潮汐、風(fēng)浪、洋流運(yùn)動也會影響到LiDAR測深的精度。由于激光在海水中的傳播速度很快,對于水深小于2 m的海域來說,海面和海底兩次回波的時(shí)間差極短 (不足10 ns),使得兩次回波很難區(qū)分。

3.2展望

LiDAR技術(shù)發(fā)展至今,已逐漸成為一種重要的信息獲取技術(shù)。作為一種年輕的技術(shù), LiDAR還有很多發(fā)展空間,特別是在數(shù)據(jù)處理算法以及軟件和系統(tǒng)的開發(fā)等方面,包括光學(xué)遙感、微波遙感、多光譜遙感在內(nèi)的遙感技術(shù)所獲取的數(shù)據(jù)都具有各自的特點(diǎn),因此如果將LiDAR數(shù)據(jù)與測區(qū)的地形圖、規(guī)劃圖等GIS數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和多光譜數(shù)據(jù)等相結(jié)合就能充分發(fā)揮多源遙感數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。隨著LiDAR技術(shù)的不斷發(fā)展,高精度、高密度、高分辨率及大數(shù)據(jù)量將是激光點(diǎn)云的主要特點(diǎn),因此,要發(fā)展能夠處理大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)處理技術(shù),目前分布式并行化數(shù)據(jù)處理技術(shù)已得到廣泛的應(yīng)用,將該技術(shù)用于激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理可能是今后的一種趨勢。

LiDAR技術(shù)在地質(zhì)環(huán)境中的應(yīng)用凸顯了其巨大的潛力,但是,LiDAR技術(shù)在以下幾方面還有很大的發(fā)展空間:利用獲取的LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動、快速提取滑坡體并對有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算；自動提取與斷裂相關(guān)的微地貌結(jié)構(gòu)信息；將LiDAR影像與高分辨率光學(xué)影像相結(jié)合進(jìn)行海岸帶附近精細(xì)地物分類,為海岸帶調(diào)查、潮間帶生物多樣性研究等提供直接觀測數(shù)據(jù)等。這些都是今后需要研究的方向,將會極大地推動LiDAR技術(shù)在地質(zhì)環(huán)境研究中的發(fā)展。另外,由于LiDAR測量精度的限制,目前只能應(yīng)用于較大變形的測量,隨著LiDAR精度的提高,其應(yīng)用范圍將會越來越廣。以后可能同InSAR一樣用于監(jiān)測地表微小形變,如地面沉降的監(jiān)測、跨斷層的地表變形等。

總體而言,LiDAR作為一種全新的遙感技術(shù),已經(jīng)躋身先進(jìn)的集成測量技術(shù)方法之列,具有極好的發(fā)展前景和很強(qiáng)的競爭力。

致謝 對地質(zhì)力學(xué)研究所黃小龍博士和首都師范大學(xué)黃小巾碩士在成文過程中提供的資料和幫助,審稿專家提出的寶貴意見與建議,在此一致表示衷心感謝。

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LiDAR TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION AND PROSPECT IN GEOLOGICAL ENVIRONMENT

MA Xiao-xue1,2,3,WU Zhong-hai2,LI Jia-cun1,3
(1.College of Resource Environment and Tourism,Capital Normal University,Beijing 100048,China；2.Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,China；3.Key Laboratory of 3-Dimensional Information Acquisition and Application,Ministry of Education,Beijing 100048,China)

Based on the composition and fundamental of LiDAR,we summarize its application status and progress in the field of geology,such as geological disasters,active faults,glaciers and coastline mapping,and prospect its application in the future.LiDAR system includes three technologies:laser,GPS and inertial navigation systems,which make a breakthrough in spatial mapping technology following GPS,it obtains three-dimensional information on ground targets quickly and accurately.As a new remote sensing technology,LiDAR will have great development in automatically extracting the landslides and the micro geomorphology structure information of faults. In addition,LiDAR will be widely used in terrain classification,coastal zone investigation and the study on biological diversity in intertidal coastal zone in the future.

LiDAR；geological environment；monitoring of landslide hazard；active faults；glacier and coastline mapping

P627

A

1006-6616(2016)01-0093-11

2015-07-30

中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目 (1212011120163,12120114002101)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41171009)；中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目 (DZLXJK201410)

馬曉雪 (1991-),女,碩士研究生,主要從事3S技術(shù)與地學(xué)應(yīng)用研究。E-mail:534611080@qq.com

吳中海 (1974-),男,博士,研究員,主要從事第四紀(jì)地質(zhì)和活動構(gòu)造研究。E-mail:wzhh4488@sina.com