袁小祥 王曉青 竇愛霞 董彥芳 王 龍 金鼎堅(jiān)

(中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036)

基于地面LIDAR玉樹地震地表破裂的三維建模分析

袁小祥 王曉青 竇愛霞 董彥芳 王 龍 金鼎堅(jiān)

(中國地震局地震預(yù)測研究所，北京 100036)

2010年4月14日的玉樹MS7.1地震造成沿甘孜-玉樹斷裂的一系列NW向地表破裂。利用Trimble GX 3D地面激光三維掃描儀獲取了玉樹地震斷裂SE段禪古寺附近的典型地震地表破裂的精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、分割、濾波等預(yù)處理基礎(chǔ)上，分析了地震地表破裂不同表面建模方式的原理和方法，選取了無投影的不規(guī)則三角網(wǎng)建模方式對(duì)該處地表破裂進(jìn)行三維建模實(shí)驗(yàn)，結(jié)合精配準(zhǔn)高清晰現(xiàn)場紋理照片，制作了地震地表破裂的三維圖像;并從模型的多個(gè)角度選取剖面進(jìn)行地震地表破裂精細(xì)三維量測分析，得到該處地表破裂的平均垂直位移為74cm，水平位移為10cm。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了玉樹地震斷裂的性質(zhì)及其破裂特點(diǎn)。

玉樹地震 地面三維激光掃描(LIDAR) 地震地表破裂 建模

0 引言

2010年4月14日的玉樹MS7.1地震是中國繼2008年汶川大地震后發(fā)生的又一個(gè)災(zāi)難性地震，導(dǎo)致了2200多人死亡或失蹤，12000多人受傷(郭華東等，2010)，給社會(huì)發(fā)展、人們的經(jīng)濟(jì)生活造成了巨大的損失。為了給地震救援和決策提供及時(shí)有效的信息，在中國地震局地震預(yù)測研究所組織協(xié)調(diào)下，中國地震局地震應(yīng)急協(xié)調(diào)小組(EERS)于地震發(fā)生當(dāng)日迅速開展了玉樹地震遙感應(yīng)急工作，主要包括基于遙感技術(shù)的建筑物震害識(shí)別、快速損失評(píng)估、地震次生災(zāi)害判讀、地震地表破裂解譯等。震后眾多學(xué)者對(duì)此次地表破裂進(jìn)行了調(diào)查和研究，得到了不同的認(rèn)識(shí)(張軍龍等，2010;孫鑫哲等，2010)。

由地震引起的地表變形、破裂等極易受到自然動(dòng)力及人類活動(dòng)的破壞，加之高原地區(qū)地形復(fù)雜、條件惡劣，使用傳統(tǒng)的測量手段很難獲取全面真實(shí)的地表破裂信息。激光三維掃描技術(shù)(LIDAR)作為新型的遙感技術(shù)具有非接觸、高精度、快速等特點(diǎn)，能夠迅速有效地獲得并永久記錄地表破裂的三維信息，為進(jìn)一步定量分析提供全面客觀的科學(xué)數(shù)據(jù)。作者采用Trimble GX 3D地面激光三維掃描儀，采集了玉樹斷裂SE段禪古寺附近的典型地震地表破裂的精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本文主要介紹基于地面激光雷達(dá)三維掃描儀獲取的地震地表破裂點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過三維建模分析玉樹地震的地表破裂特點(diǎn)。

1 地面三維激光掃描儀及其應(yīng)用

激光雷達(dá)(Light Detection and Ranging，LIDAR)，又稱為激光掃描(Laser Scanning)，具有非接觸、高精度、快速等特點(diǎn)。地面激光雷達(dá)是LIDAR系統(tǒng)中的一種，早期應(yīng)用于文化遺產(chǎn)的3D虛擬現(xiàn)實(shí)(Beraldin et al.，2000)和工業(yè)的逆向工程中(Sequeira et al.，2003);隨著雷達(dá)掃描系統(tǒng)和數(shù)據(jù)后處理技術(shù)的快速發(fā)展，地面激光雷達(dá)作為一種強(qiáng)有力的工具在各種研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如在地學(xué)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用于火山活動(dòng)監(jiān)測、地質(zhì)及其災(zāi)害調(diào)查和活動(dòng)構(gòu)造調(diào)查等(Hunter et al.，2003;Bitelli et al.，2004;Abellán etal.，2006;Buckley etal.，2008;Baran etal.，2010;Wei et al.，2010)。

根據(jù)測量距離的遠(yuǎn)近，地面激光雷達(dá)系統(tǒng)可分為長距離、中距離和近距離(Schulz et al.，2004;Buckley et al.，2008)。測量精度通常與掃描距離有關(guān)，掃描距離越長，測量精度越低。對(duì)于中距離的激光掃描儀，其測量距離通常通過基于時(shí)間漂移(time-of-flight)的激光返回時(shí)間測量確定(Wehr et al.，1999)。本文使用的Trimble GX 3D激光掃描儀(圖1a)是一款中等距離的掃描儀，其在距離和精度方面比較適中，最大掃描距離為350m，單點(diǎn)位置精度為12mm@100m，距離精度為7mm@100m，而且噪聲更少(Jones et al.，2009)，完全適合本研究的需要。另外，該儀器掃描速度最高達(dá)5000點(diǎn)/s，為野外構(gòu)造信息的快速獲取提供了保證。

圖1 掃描玉樹地震地表破裂點(diǎn)位置分布圖Fig.1 The scanned location of surface rupture caused by Yushu earthquake using Trimble GX 3D.

2 研究思路

本文的基本研究思路是，分析地面三維激光掃描儀獲取測量目標(biāo)高精度和高密度空間位置信息的能力和數(shù)據(jù)分析處理的特點(diǎn)，建立利用地面激光三維掃描儀進(jìn)行地震地表破裂建模和分析的基本流程:通過野外實(shí)地測量獲取玉樹地震產(chǎn)生的同震地表破裂SE段典型破裂點(diǎn)的三維精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)去噪、配準(zhǔn)等預(yù)處理，在此基礎(chǔ)上利用Trimble的數(shù)據(jù)后處理軟件，選擇不規(guī)則的三角網(wǎng)建模方法建立地震地表破裂的三維模型;結(jié)合地物電磁輻射紋理信息(地物照片)，重建地表破裂的精細(xì)三維圖像，從而為地震地表破裂分布及其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析提供定量依據(jù);最后，利用三維重建模型對(duì)地震地表破裂進(jìn)行分析，估計(jì)該處地表破裂的垂直和水平位錯(cuò)，并在此基礎(chǔ)上討論玉樹-甘孜斷裂的性質(zhì)及其在這次地震中的破裂特點(diǎn)。

3 玉樹地震地表破裂現(xiàn)場測量

本文選擇的玉樹地震地表破裂測量點(diǎn)位于玉樹縣城以南約6km的禪古寺附近，該測量點(diǎn)位于甘孜-玉樹斷裂的SE段，現(xiàn)場掃描點(diǎn)位置見圖1b。玉樹地震地表破裂帶在本測量點(diǎn)的走向?yàn)镹34°W，破裂面傾向SW。在進(jìn)行地表破裂三維激光掃描的同時(shí)，采用手持GPS儀獲取掃描點(diǎn)已知站點(diǎn)和后視點(diǎn)的地理坐標(biāo)，利用Nikon相機(jī)獲取地表破裂的表面紋理信息(高清照片)。

在現(xiàn)場測量過程中，掃描精度和覆蓋范圍是需要注意的兩個(gè)主要問題。LIDAR是在特定系統(tǒng)中獲取物體表面多點(diǎn)的三維坐標(biāo)(x，y，z)。因此，所獲取的點(diǎn)越多(即掃描密度越高)，越能表現(xiàn)地表破裂的細(xì)節(jié)，但由于所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)呈指數(shù)增長，掃描以及后處理的時(shí)間也越長。因此，綜合考慮掃描儀的單點(diǎn)掃描精度、GPS的定位精度以及掃描的時(shí)間，設(shè)置光斑大小為8mm@25m大小進(jìn)行掃描。

為了獲取相對(duì)全面的地表破裂測量數(shù)據(jù)，盡量減少由起伏地面阻擋形成的數(shù)據(jù)漏洞(data gap)，同時(shí)考慮到河流在測量點(diǎn)NW側(cè)經(jīng)過，選擇在測量點(diǎn)的SE、NE以及E側(cè)共架設(shè)3站來獲取破裂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(圖1是SE邊一站)。

4 數(shù)據(jù)預(yù)處理

激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理步驟主要包括:點(diǎn)云匹配、噪聲消除、分割、坐標(biāo)變換、圖像匹配。從不同站點(diǎn)掃描獲得的點(diǎn)云需要進(jìn)行正確的匹配，統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系中，以便對(duì)目標(biāo)進(jìn)行建模和定量化分析。通常采用以下2種匹配方法(Buckley et al.，2008;Jones et al.，2009):1)將掃描的同一個(gè)規(guī)則形狀目標(biāo)作為匹配的公共點(diǎn)坐標(biāo)，將多站點(diǎn)的點(diǎn)云統(tǒng)一到特定的相對(duì)坐標(biāo)系中;2)通過GPS提供各個(gè)掃描站點(diǎn)的精確地理坐標(biāo)，從而使所有點(diǎn)云轉(zhuǎn)換到固定的地理坐標(biāo)系中，這種方法能獲得所有點(diǎn)云的真實(shí)地理位置，便于后期與其他遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行協(xié)同分析。本文采用后一種方法，對(duì)于掃描過程中出現(xiàn)的點(diǎn)云不匹配主要基于Trimble的后處理軟件Realworks Survey進(jìn)行手動(dòng)配準(zhǔn)。

在配準(zhǔn)基礎(chǔ)上，采用基于地形的重采樣和基于手工的點(diǎn)云選擇進(jìn)行植被、噪聲等的消除。對(duì)處理的點(diǎn)云進(jìn)行分割，以便對(duì)感興趣的目標(biāo)進(jìn)行建模處理。同時(shí)，為了便于提取剖面線進(jìn)行分析，需要對(duì)點(diǎn)云的坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，使得斷裂的走向平行于x軸。最后對(duì)獲取的高清晰紋理照片與點(diǎn)云進(jìn)行配準(zhǔn)，為三維模型提供紋理信息。

5 地震地表破裂的三維建模和分析

利用激光三維掃描儀獲取的三維原始點(diǎn)云信息是不連續(xù)的，對(duì)地表破裂的顯示不夠直觀。利用點(diǎn)云進(jìn)行三維建?？山鉀Q這一問題。最常用的建模軟件為AutoCAD。這種方法在工業(yè)上被廣泛應(yīng)用于逆向工程中以建立規(guī)則形狀物體。但是地震所產(chǎn)生的地表破裂形狀不太規(guī)則，難以手工操作。而三角網(wǎng)建模方法對(duì)于處理斷裂線、構(gòu)造線等具有高效、高精度等特點(diǎn)(譚仁春等，2006)。因此本文采用了不規(guī)則三角網(wǎng)方法建立地表破裂的三維模型。Realworks Survey Advanced軟件提供了5種生成三角網(wǎng)的方法:基于平面投影的方法、基于圓柱體投影的方法、基于屏幕視角投影的方法、基于測站投影的方法以及無投影的方法。前4種投影適合于規(guī)則幾何表面的建模。第5種方式適合非平面、不規(guī)則、復(fù)雜幾何體的建模。因此，選用最后一個(gè)模式來重建地表破裂的三維模型(圖2a，b)。再利用經(jīng)過匹配的紋理信息(即照片)對(duì)建立的三維模型進(jìn)行貼圖，得到地震地表破裂的三維顯示結(jié)果，較真實(shí)地再現(xiàn)了現(xiàn)場地表破裂的狀況(圖2c，d)。

圖2 地震地表破裂的三維建模Fig.2 3D modelling of surface rupture caused by Yushu earthquake.

重建的三維模型有助于理解和定量或半定量地分析地表破裂的幾何學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特征，從而獲得地震斷裂的分布及其活動(dòng)特征。如圖2c所示，斷層上盤A處地表形態(tài)相對(duì)較好，B處以及下盤D處(圖2d)相對(duì)破碎。該處破裂的走向?yàn)镹34°W(其展布如圖3)，傾向SW。通過垂直于地表破裂帶走向的多條剖面量測，得到地表破裂的垂直位移平均值為74cm，最大值為97.8cm(圖4)，上盤顯著上升。同時(shí)，通過對(duì)三維建模圖上震前同一特征點(diǎn)在地震中錯(cuò)斷的距離進(jìn)行測量，測得其沿著斷層走向的水平位錯(cuò)約為10cm。從地表破裂所反映的產(chǎn)狀、錯(cuò)動(dòng)方式和錯(cuò)動(dòng)幅度(圖2b，d)來看，此處地表破裂反映地震斷層為左旋逆斷層。

地表破裂的組合特征也反映了斷層的上述活動(dòng)性質(zhì)。如圖2c中，下盤產(chǎn)生的“人”字形擠壓鼓包走向與斷裂展布方向一致，高29cm，長約200cm，揭示了斷裂的SW盤(上盤)向NE盤(下盤)的擠壓運(yùn)動(dòng)。圖2c之C處松軟表層沉積物擠壓抬升后失穩(wěn)，受重力作用形成一系列的拉張裂隙，其空間展布如圖3所示。由于斷裂左旋剪切作用形成2條與斷裂近于平行的裂隙(圖3中L1、L2)，其中L1將L錯(cuò)斷15cm左右。同時(shí)，下盤的南側(cè)由于擠壓及重力作用出現(xiàn)滑塌(圖3d處)。圖5是圖4中剖面A處的精細(xì)點(diǎn)云的線性擬合，定量反映了地震斷層逆沖過程中上盤向上抬升、斷層附近擠壓變形的特征。

圖3 點(diǎn)云生成的地震地表破裂綜合特征Fig.3 Synthesized characters of surface rupture interpreted using point clouds.

圖4 地表破裂的垂直剖面分析Fig.4 Vertical profile analysis of surface rupture.

6 討論與結(jié)論

本文展示了利用Trimble GX 3D地面激光三維掃描儀，定量記錄玉樹禪古寺附近的地震地表破裂，并進(jìn)行建模分析的流程，利用三角網(wǎng)建模和紋理貼圖等處理再現(xiàn)了地表破裂的野外場景，實(shí)現(xiàn)了該處地表破裂信息的永久保存，為其他科研人員進(jìn)行進(jìn)一步研究分析提供了可能。

圖5 剖面點(diǎn)云所顯示的地表垂直位錯(cuò)及變形Fig.5 Vertical displacement and distortion of ground surface displayed by point cloud profile.斷層上盤表面由于遮擋作用，點(diǎn)云顯示不連續(xù)特征

Trimble GX 3D掃描儀在掃描距離為100m時(shí)，位置分辨率為12mm，距離分辨率為7mm，建模精度為±2m。本文設(shè)置掃描位置和距離分辨率為8mm@25m，現(xiàn)場目測掃描地表破裂的最遠(yuǎn)距離在25m之內(nèi)，因此實(shí)際獲取的目標(biāo)點(diǎn)云的精度理應(yīng)優(yōu)于8mm@25m。同時(shí)在數(shù)據(jù)獲取時(shí)，前視和后視標(biāo)靶之間的誤差控制在1mm以內(nèi)。因此認(rèn)為，利用激光三維掃描儀得到的水平和垂直位移參數(shù)能達(dá)到cm級(jí)精度。

地面激光三維掃描技術(shù)改變了傳統(tǒng)的地震斷層的調(diào)查及分析方法。本文在三維建模以及精細(xì)點(diǎn)云的定量分析基礎(chǔ)上分析了地震地表破裂的分布和產(chǎn)狀、破裂錯(cuò)動(dòng)方式和幅度等。并從理論上說明，可從任意角度觀測地表破裂的特征與定量量測，可定量確定地震斷層的幾何要素、錯(cuò)動(dòng)特征和動(dòng)力作用特點(diǎn)。

定量研究確定了玉樹地震地表斷裂在禪古寺附近表現(xiàn)為左旋逆斷層性質(zhì)。這與孫鑫哲等(2010)調(diào)查的地表破裂中段甘達(dá)村西以及果慶益榮松多兩處典型地表斷裂所表現(xiàn)出來的右旋走滑為主而未見顯著垂直運(yùn)動(dòng)的特征有所差別?？赡苁怯捎诒疚臏y量點(diǎn)接近玉樹地震地表破裂的西南終止端，斷裂SW盤向SE運(yùn)動(dòng)時(shí)受阻，水平運(yùn)動(dòng)分量減弱，垂直分量增大，使斷層錯(cuò)動(dòng)性質(zhì)發(fā)生改變。由于禪古寺附近地表破裂存在顯著的垂直運(yùn)動(dòng)分量，導(dǎo)致其附近的禪古寺和禪古村建筑物損壞嚴(yán)重。

郭華東，張兵，雷莉萍，等.2010.玉樹地震高倒塌率建筑物及誘因:遙感認(rèn)識(shí)［J］.中國科學(xué)(D輯)，40(5):538—540.

GUO Hua-dong，ZHANG Bing，LEI Li-ping，et al.2010.Spatial distribution and inducement of collapsed buildings in Yushu earthquake based on remote sensing analysis［J］.Science in China(Ser D)，40(5):538—540(in Chinese).

孫鑫喆，徐錫偉，陳立春，等.2010.青海玉樹MS7.1地震2個(gè)典型地點(diǎn)的地表破裂特征［J］.地震地質(zhì)，32(2):338—344.doi:10.3969/i.issn.0253-4967.2010.02.001

SUN Xin-zhe，XU Xi-wei，CHEN Li-chun，et al.2010.Characteristics of surface rupture of the MS7.1 Yushu，Qinghai Province earthquake at two representative places［J］.Seismology and Geology，32(2):338—344(in Chinese).

譚仁春，杜清運(yùn)，楊品福，等.2006.地形建模中不規(guī)則三角網(wǎng)構(gòu)建的優(yōu)化算法研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，31(5):436—439.

TAN Ren-chun，DU Qing-yun，YANG Pin-fu，et al.2006.Optimized triangulation arithmetic in modeling terrain ［J］.Geomatics and Information Science ofWuhan University，31(5):436—439(in Chinese).

張軍龍，陳長云，胡朝忠，等.2010.玉樹MS7.1地震地表破裂帶及其同震位移分布［J］.地震，30(3):1—12.

ZHANG Jun-long，CHEN Chang-yun，HU Chao-zhong，et al.2010.Surface rupture and coseismic displacement of the Yushu MS7.1 earthquake，China［J］.Earthquake，30(3):1—12(in Chinese).

Abellán A，Vilaplana JM，Martínez J.2006.Application of a long-range terrestrial laser scanner to a detailed rockfall study at Vall de Núria(Eastern Pyrenees，Spain)［J］.Engineering Geology，88(3/4):136—148.

Baran R，Guest B，F(xiàn)riedrich A M.2010.High-resolution spatial rupture pattern of a multiphase flower structure，Rex Hills，Nevada:New insights on scarp evolution in complex topography based on 3-D laser scanning［J］.Geological Society of America Bulletin，122(5/6):897—914.

Beraldin JA，Blais F，Boulanger P，et al.2000.Real world modelling through high resolution digital 3D imaging of objects and structures［J］.ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing，55(4):230—250.

BitelliG，DubbiniM，Zanutta A.2004.Terrestrial laser scanning and digital photogrammetry techniques tomonitor landslide bodies［A］.Proceedings of the XXth ISPRSCongress，Istanbul，Turkey.Commission V，WG V/2.

Buckley S J，Howell JA，Enge H D，et al.2008.Terrestrial laser scanning in geology:Data acquisition，processing and accuracy considerations［J］.Journal of the Geological Society，London，165(3):625—638.

Hunter G，Pinkerton H，Airey R，etal.2003.The application of a long-range laser scanner formonitoring volcanic activity on Mount Etna［J］.Journal of Volcanology and Geothermal Research，123(1/2):203—210.

Jones R R，Kokkalas S，Mccaffrey K JW.2009.Quantitative analysis and visualization of nonplanar fault surfaces using terrestrial laser scanning(LIDAR)—The Arkitsa Fault，central Greece，as a case study ［J］.Geosphere，5(6):465—482.

Schulz T，Ingensand H.2004.Terrestrial laser scanning-Investigations and applications for high precision scanning［R］.www.fig.net/pub/athens/papersts26TS26_1_Schulz_Ingensand.pdf.

Sequeira V，F(xiàn)iocco M，Bostrom G，etal.2003.3D Verification of Plant Design.25th ESARDA Symposiumon Safe guards and Nuclear Material Management，Stockholm，Sweden［R］.http:∥ mortimer.jrc.it sir Publications/040130-DIV-paper%20 ESARDA.pdf.

Wehr A，Lohr U.1999.Airborne laser scanning:An introduction and overview ［J］.ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing，54(2/3):68—82.

Wei Z，He H，Shi F，et al.2010.Topographic characteristics of rupture surface associated with the 12May，2008 Wenchuan earthquake［J］.Bulletin of Seismological Society of America，100(5B):2669—2680.

TERRESTRIAL LIDAR-BASED 3D MODELING ANALYSIS OF SURFACE RUPTURE CAUSED BY YUSHU EARTHUAKE

YUAN Xiao-xiang WANG Xiao-qing DOU Ai-xia DONG Yan-fang WANG Long JIN Ding-jian

(Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China)

Yushu MS7.1 earthquake，occurring on April14，2010，has caused a series of co-seismic surface ruptures.The surface deformation and ruptures caused by earthquake can easily be changed due to natural environment changes and from human activities.Moreover，the complex topography and severe natural environment in the Tibet Plateaumake it difficult to acquire original features of surface rupture wholly via traditional surveyingmethods.However，as a new type of remote sensing technique，due to its characteristics of non-touching，high-resolution，rapid acquisition，terrestrial LIDAR technique can obtain the 3D information of surface rupture quickly and effectively，and provide the comprehensive scientific data for the further quantitative analysis.This paper introduces the characteristic of terrestrial laser scanner-Trimble GX 3D，and based on which the finite point clouds of the typical co-seismic surface rupture located on the southeast segment of Ganzi-Yushu Fault zone near Changu Temple were acquired.Based on the point cloud data prepossessing of registration，segmentation，smoothing and so on，the different principles and methods for surfacemodelling of co-seismic surface rupture were analysed，and themodelling experimentwas conducted on surface rupture.After that，combining with the high resolution texture photos obtained on site，which had been preciselymatched with point cloud data，the surface rupture 3Dmodelwas created based on the non projectionmode.Also，the profiles from different perspectiveswere chosen tomeasure and analyse the displacement of the rupture exactly in the 3D view.The result shows that the average vertical displacement is about 74cm and the average left-lateral strike-slip displacement is about 10cm.Finally，the characteristics of Ganzi-Yushu Fault and characteristic of its rupture were analyzed and discussed.

Yushu earthquake，terrestrial LIDAR，surface rupture，3D modelling

P316

A

0253-4967(2012)01-0039-08

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.01.005

2011-05-03收稿，2011-07-26改回。

地震應(yīng)急遙感關(guān)鍵技術(shù)研究(2009DFA21610)課題和2010年中國地震局玉樹地震現(xiàn)場科學(xué)考察項(xiàng)目震害遙感比對(duì)專題共同資助。

袁小祥，男，1983年出生，2006年畢業(yè)于西北農(nóng)林科技大學(xué)地理信息系統(tǒng)專業(yè)，現(xiàn)為中國地震局地震預(yù)測研究所在讀碩士研究生，主要從事遙感與GIS在地震中的應(yīng)用研究，E-mail:yuan--xiaoxiang@163.com。