鄭文俊　雷啟云　杜　鵬　陳　濤任治坤　俞晶星　張　寧

1）中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100029

2）寧夏回族自治區(qū)地震局，銀川　750001

激光雷達(dá)（LiDAR）：獲取高精度古地震探槽信息的一種新技術(shù)

鄭文俊1）雷啟云1，2）杜鵬1，2）陳濤1）任治坤1）俞晶星1）張寧1）

1）中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029

2）寧夏回族自治區(qū)地震局，銀川750001

激光雷達(dá)技術(shù)是近幾十年新發(fā)展起來的一種測(cè)量技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量、文物保護(hù)及地形測(cè)量等方面，近幾年來活動(dòng)構(gòu)造的研究中也已逐步引入。作為活動(dòng)構(gòu)造研究的最基礎(chǔ)的古地震研究一直還采用傳統(tǒng)的地質(zhì)素描技術(shù)進(jìn)行探槽信息獲取，數(shù)碼照相技術(shù)的引入雖然解決了一些問題，但由于照相技術(shù)本身的限制，很難克服獲取信息的變形和扭曲。激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)的高信息量、高精度、便捷、安全和易操作等性能，為古地震研究開辟了獲取數(shù)據(jù)信息的新手段和新技術(shù)。

激光雷達(dá)古地震三維成像高精度新技術(shù)

0　引言

自20世紀(jì)60年代，從發(fā)現(xiàn)激光到激光技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用起，就標(biāo)志著三維激光掃描技術(shù)新紀(jì)元的開始，也逐步開啟了一種高端測(cè)量技術(shù)和手段（Robert，1965）。但20世紀(jì)90年代這種技術(shù)才被引用到了三維測(cè)量領(lǐng)域（El-Hakim et al．，1997）。激光雷達(dá)的工作原理是在掃描過程中，激光發(fā)射器發(fā)出激光脈沖，激光脈沖到達(dá)掃描對(duì)象后被反射回來，然后，由激光接收器接收反射回來的激光脈沖，通過計(jì)算激光脈沖的行程時(shí)間差，可以獲得被測(cè)對(duì)象與掃描儀之間的距離，與此同時(shí)，被測(cè)對(duì)象相對(duì)于掃描儀測(cè)站的偏角與仰角也被測(cè)量出來，從而獲取任一被掃描點(diǎn)的空間位置（Axelsson，1999；Wehr et al．，1999；何秉順等，2007；徐進(jìn)軍等，2007）。

在國(guó)外，經(jīng)過近十幾年的發(fā)展，三維激光掃描技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，形成一些規(guī)模相當(dāng)?shù)漠a(chǎn)業(yè)，而在國(guó)內(nèi)，該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展還相對(duì)比較落后，目前還處于技術(shù)的研發(fā)和升級(jí)發(fā)展階段。在應(yīng)用方面，國(guó)際上起步于20世紀(jì)90年代，國(guó)內(nèi)要稍晚一些。

1　激光雷達(dá)技術(shù)在地學(xué)中的應(yīng)用

激光雷達(dá)（LiDAR）技術(shù)作為近年來發(fā)展起來的一種具有精度高、速度快、易操作等特征的新型測(cè)量設(shè)備，目前已逐步發(fā)展成為空間數(shù)據(jù)獲取的最重要、最直接的技術(shù)手段，已大量用于變形監(jiān)測(cè)、工程測(cè)量、地形測(cè)量、古建筑和文物保護(hù)、斷面和體積測(cè)量等領(lǐng)域（劉經(jīng)南等，2003；徐源強(qiáng)等，2010；馬洪超，2011；馬曉泉，2012；陳啟威等，2012）。近年來，這項(xiàng)技術(shù)也越來越多地用到了地學(xué)研究上，作為一種新型的對(duì)地觀測(cè)手段，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到地形測(cè)繪、地質(zhì)調(diào)查、滑坡監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害研究、地震災(zāi)害的快速獲取及評(píng)估等方面，其突出的優(yōu)勢(shì)特別表現(xiàn)在地形地貌的測(cè)量上。

對(duì)激光雷達(dá)掃描技術(shù)，國(guó)際上發(fā)展相對(duì)較早，早在20世紀(jì)90年代，國(guó)際上就開始將激光雷達(dá)搭載于飛機(jī)上，開展地形測(cè)量工作（Axelsson，1999；劉經(jīng)南等，2003），隨后激光測(cè)量技術(shù)得到了空前的發(fā)展，特別是美國(guó)開展了一系列雷達(dá)測(cè)量項(xiàng)目，獲得了大量的地形地貌數(shù)據(jù)（Hudnut et al．，2002；Zielke et al．，2010；Oskin et al．，2012），系統(tǒng)采集了包括圣安德烈斯斷層南段和圣哈辛托斷層的三維地形數(shù)據(jù)，為南加州地區(qū)斷層研究提供了更加高精度的基礎(chǔ)資料（Zielke et al．，2010，2012）。在地面雷達(dá)應(yīng)用方面，國(guó)際上也主要應(yīng)用于工程測(cè)量和變形監(jiān)測(cè)方面（Opitz et al．，2004；Jaw et al．，2008；Lato et al．，2009；Derron et al．，2010），而對(duì)地質(zhì)特別是地貌方面的應(yīng)用，也在近十年來有了質(zhì)的飛躍，開始逐步應(yīng)用到微地貌測(cè)量和地質(zhì)剖面測(cè)量等方面（Hudnut et al．，2002；Zielke et al．，2010；Oskin et al．，2012；Gold et al．，2013），特別是對(duì)現(xiàn)今還在活動(dòng)和變形的巖石及斷裂進(jìn)行監(jiān)測(cè)和研究（Adams et al．，2002；Collins et al．，2004；Monserat et al．，2008；Casula et al．，2010；Wang et al．，2011；Zabci et al．，2011）。

而在國(guó)內(nèi)，雷達(dá)技術(shù)在其他行業(yè)的應(yīng)用相對(duì)較早，但在地形測(cè)量方面還尚處于起步階段。2008年汶川地震發(fā)生后，曾開展了唐家山堰塞湖的應(yīng)急機(jī)載雷達(dá)測(cè)量（LI，2009），但在技術(shù)方面還處于探索階段，部分技術(shù)手段和測(cè)量信息并沒有完全發(fā)揮作用（馬洪超等，2008）。2011年中國(guó)地震局地質(zhì)研究所在海原斷裂上通過127km條帶狀機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量，開展活動(dòng)斷裂及地質(zhì)地貌的研究（劉靜等，2013；陳濤等，2014）。對(duì)于地面激光雷達(dá)技術(shù)，其他行業(yè)應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外已開展得如火如荼，但在地質(zhì)地貌方面的應(yīng)用，除了滑坡測(cè)量、礦山測(cè)量和工程地質(zhì)測(cè)量等方面外，在斷裂構(gòu)造的微地貌測(cè)量也僅處于探索和起步階段，特別是汶川地震發(fā)生后，部分地應(yīng)用于斷錯(cuò)微地貌的測(cè)量（李峰等，2008；袁小祥等，2012；孫鑫等，2012）。如何將在考古和文物保護(hù)中已經(jīng)應(yīng)用成熟的激光雷達(dá)掃描技術(shù)應(yīng)用于活動(dòng)構(gòu)造古地震研究和斷層面觀測(cè)方面，近幾年也開展了一些探索性研究，魏占玉等（2010）采用這項(xiàng)技術(shù)，開展了斷層面形貌變化對(duì)比研究，而在古地震探槽測(cè)量方面，國(guó)內(nèi)尚沒有開展這方面的工作。

2　激光雷達(dá)技術(shù)在古地震探槽研究中的測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)

激光雷達(dá)用于探槽剖面的測(cè)量，有其特有的優(yōu)勢(shì)，作為一種主動(dòng)式傳感器，工作波長(zhǎng)在940～1 064nm之間的近紅外波段，無論哪種類型的激光雷達(dá)，最終獲取的數(shù)據(jù)都是激光腳點(diǎn)的三維地理坐標(biāo)。目前的激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)的精度均已達(dá)到了1mm左右，測(cè)距精度可達(dá)0.3～2mm，掃描步長(zhǎng)達(dá)到0.009°，最小掃描距離可達(dá)0.3m甚至更短，掃描的視場(chǎng)角目前多可以達(dá)到360°（水平）×300°（垂直）以上，這些測(cè)量精度的提高為區(qū)分探槽揭露的細(xì)微構(gòu)造和三維成圖提供了更多信息。

與大尺度地形數(shù)據(jù)的獲取不同，在利用激光雷達(dá)進(jìn)行探槽面掃描測(cè)量時(shí)，主要利用的是激光技術(shù)對(duì)揭露面上不同形態(tài)、不同組成物質(zhì)的反射能力不同這一特征，在掃描過程中，激光發(fā)射器發(fā)出激光脈沖，激光脈沖到達(dá)掃描對(duì)象后被反射回來，然后，由激光接收器接收反射回來的激光脈沖（霍俊杰等，2011）。如揭露的探槽面各地層單元組成物質(zhì)不同，最直接的表現(xiàn)形式就是不均勻反射，激光雷達(dá)獲取的數(shù)據(jù)反映的就是表面的粗糙度不同（魏占玉等，2010），這種特征可以直接區(qū)分不同沉積地層單元以及粗碎屑沉積（或坡積物）中的礫石等；而沉積地層的顏色、含水量、密度、均勻度等的差異，對(duì)激光的反射能力也存在明顯的影響，因此這些物性的差異在激光雷達(dá)掃描過程中直接反映為對(duì)激光的反射率的不同，如果再加上與激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)同步采集的彩色照片信息，就可以將獲取的點(diǎn)云附上相應(yīng)的顏色，更能完整而全面地獲取探槽面的信息。因此激光雷達(dá)系統(tǒng)采集相當(dāng)于不僅獲取了普通照相技術(shù)的影像信息，同時(shí)也通過激光技術(shù)獲取了高分辨率的富含掃描對(duì)象大量物理特性的點(diǎn)云信息，這樣可以通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)探槽剖面進(jìn)行全面的解譯和分析。另外，在一些地質(zhì)工作條件較為困難的地區(qū)，探槽的開挖受地形地貌的限制，開挖的寬度一般較窄，而為了揭露更多的古地震或斷層活動(dòng)信息，往往要盡量開挖到足夠的深度，因此增加了探槽內(nèi)部易塌方的危險(xiǎn)性，人在探槽內(nèi)進(jìn)行素描等工作的有效時(shí)間不能太長(zhǎng)，且由于探槽較窄，普通的照相機(jī)很難精確地拍攝完整而不變形的信息，而激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)可以快速、高效及精確地獲取全面而完整的探槽揭露的信息。往往一個(gè)人工素描需要一天或多天工作的探槽，激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)僅需要幾十分鐘時(shí)間就可以完成，剩下的工作就可以在室內(nèi)進(jìn)行了。另外激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)的成圖工作，還克服了人工素描和現(xiàn)場(chǎng)制圖時(shí)往往不可避免的定位不準(zhǔn)確、簡(jiǎn)化和遺漏信息等，也避免了普通照相機(jī)照相因局部變形而導(dǎo)致成圖后定量分析的不精確，而多站點(diǎn)的重復(fù)掃描可以彌補(bǔ)不同視角和表面粗糙不平時(shí)掃描信息不完整等缺點(diǎn)。

總之，傳統(tǒng)的方法因探槽壁的平整度、網(wǎng)格的實(shí)際大小和形態(tài)、拍照的角度、人為的操作等方面的因素，偏差較為明顯，而激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)探槽進(jìn)行掃描和測(cè)量，其成果與常規(guī)方法（照片拼接和現(xiàn)場(chǎng)素描）相比優(yōu)勢(shì)明顯：批量產(chǎn)生的點(diǎn)云和色彩信息，彌補(bǔ)了工作效率慢，觀察過程中人為的遺漏和預(yù)判造成的誤差甚至錯(cuò)誤，保證將探槽內(nèi)信息簡(jiǎn)單完整地記錄和保存，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)觀察與記錄信息完全一致；將大量辛苦、危險(xiǎn)的野外現(xiàn)場(chǎng)工作轉(zhuǎn)化為室內(nèi)計(jì)算處理的過程，極大地改善了工作條件，發(fā)揮了高精測(cè)繪技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，該技術(shù)也存在不足，室內(nèi)處理工作相對(duì)較為繁雜，數(shù)據(jù)拼接過程可能造成局部信息的丟失，但這些都可通過處理方法的改進(jìn)逐步提高和改善。

3　激光雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用于古地震探槽掃描的實(shí)例

激光雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)首先是通過硬件平臺(tái)激光掃描儀獲取物體表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)并通過同時(shí)系統(tǒng)攜帶的一體化相機(jī)（或外置相機(jī)）獲取高分辨率數(shù)字影像，激光掃描數(shù)據(jù)的點(diǎn)云密度可達(dá)25個(gè)／cm2甚至更高，影像的分辨率在5 000萬像素以上（圖1）。這種精度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像資料，為后期的解譯和地質(zhì)信息判讀提供了方便，圖2中根據(jù)圖1的相關(guān)信息，可以完整而準(zhǔn)確地解譯探槽內(nèi)的細(xì)微沉積結(jié)構(gòu)和沉積單元，可分辨0.5cm及更薄的沉積單元，區(qū)分主要信息依據(jù)來源于沉積單元中礫徑、粒度、顏色、含水量等的差別所造成的反射能力的差異，同時(shí)配合同步相機(jī)所附著彩色的點(diǎn)云信息，使所得到的圖像更真實(shí)（圖1）。另外，對(duì)較粗的礫石層，掃描圖像可以很好地識(shí)別出礫石的沉積特征（圖3a），而在細(xì)粒的黃土及砂層中，通過細(xì)微的差別可以判斷出斷層的微小變形和局部結(jié)構(gòu)（圖3b）。

圖1　三維激光掃描儀獲取點(diǎn)云分布圖Fig．1　Distribution of point cloud by 3－dimensional laser scanner（LiDAR）．

圖2　激光雷達(dá)掃描圖像的局部解譯圖Fig．2　Partial interpretation map of scanning images from LiDAR．

要顯示高精度的三維信息，需要對(duì)獲取的不同站點(diǎn)的點(diǎn)云和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和融合，相鄰2個(gè)站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以通過鄰近迭代配準(zhǔn)算法等技術(shù)進(jìn)行拼接（王曉南等，2009），這項(xiàng)工作目前激光掃描儀自帶或第三方軟件均可處理完成。另外，由于目前激光掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)精度高，因此不同站點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)拼接和融合就非常容易做到，拼接的精度完全可以滿足后續(xù)的三維建模工作的需要。我們?cè)趯幭膮侵业貐^(qū)對(duì)一個(gè)探槽進(jìn)行全方位掃描，通過后處理軟件的拼接、配準(zhǔn)和校正等工作，獲得了不同視角的三維探槽效果（圖4）。三維探槽的建立可以克服以往人工建立的三維圖所存在的不足，讓探槽揭露的信息更直觀地表現(xiàn)出來，做到野外所見與室內(nèi)影像的完全一致。這種效果圖是在高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上形成的，完全可以滿足在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行探槽解譯和古地震事件解釋、過程恢復(fù)，當(dāng)然解譯需要在計(jì)算機(jī)中不降低分辨率的情況下進(jìn)行，才能真正達(dá)到高精度的判讀。通過與普通照片拼接的剖面對(duì)比發(fā)現(xiàn)，激光雷達(dá)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)與普通相機(jī)采集的數(shù)據(jù)之間的區(qū)別（圖5）。雖然普通照片在預(yù)置網(wǎng)格的控制下做到盡可能減小變形，但由于受相機(jī)鏡頭本身的限制，在照片的某些部位變形程度不同，后期的校正也很難做到呈不變形和完全校正，雖然激光雷達(dá)系統(tǒng)也用普通相機(jī)進(jìn)行色彩的采集，但是其激光掃描點(diǎn)云是在一個(gè)絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)下獲得，相機(jī)色彩僅為給點(diǎn)云著色，因此不會(huì)發(fā)生畸變，可以更精確地獲得接近實(shí)際的探槽信息。

圖3　探槽不同位置的掃描圖像Fig．3　Scanning images at different locations of trench．

圖4　三維激光掃描獲取的三維立體探槽Fig．3 3－D trench model acquired by 3-dimensional laser scanner（LiDAR）．

圖5　激光雷達(dá)獲取的探槽一壁的彩色點(diǎn)云正射投影（a）與普通相機(jī)照片拼接圖（b）Fig．5　Orthographic map of color point cloud at the trench acquired by 3-dimensional laser scanner（LiDAR）．

4　結(jié)語及展望

激光雷達(dá)技術(shù)是近幾十年最新發(fā)展的一種測(cè)量技術(shù)，可以獲取高精度、高分辨率的物體表面信息，而古地震研究這一20世紀(jì)70—80年代發(fā)展起來的基礎(chǔ)研究學(xué)科，一直還由傳統(tǒng)的地質(zhì)素描技術(shù)進(jìn)行探槽的信息獲取。近幾十年隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，數(shù)碼照相被引入到古地震探槽信息的獲取，但是由于照相技術(shù)本身限制，雖然由諸多后處理軟件可以減少獲取信息的變形扭曲，但是很難得到完全正射的影像，因此造成后續(xù)分析工作定量誤差被放大。目前，激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，可以很輕易地解決這些問題，同時(shí)激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)的高信息量、高精度、便捷、安全、易操作等性能，為古地震研究開辟了獲取數(shù)據(jù)信息的新手段和新技術(shù)。另外，以往的雷達(dá)技術(shù)在地形地貌和三維測(cè)量等方面的成功實(shí)例將逐步被活動(dòng)構(gòu)造研究所應(yīng)用，也可以在獲取高精度的微地貌信息、地貌動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)、同震與震間變形監(jiān)測(cè)等方面發(fā)揮雷達(dá)技術(shù)方面獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

致謝感謝北京富斯特科技有限公司和北京歐諾嘉科技有限公司提供了激光掃描設(shè)備和數(shù)據(jù)處理方面的技術(shù)支持。

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Abstract

LiDAR，as a newly developed surveying technology in recent decades，has been widely used in engineering survey，protection of cultural relics and topographic measurement，and it has also been gradually introduced to studies of tectonic activities．Although the digital photography technology has been used in the study of palaeoearthquake，the information would be still acquired by traditional geological sketch from trenches．Due to the limitation of photography itself，it is difficult to overcome the distortion of information．With its high information content，accuracy，convenience，safety and easy operation，LiDAR，as a new technology，broadens the access to data and information for palaeoearthquake study．

3－D LASER SCANNER（LIDAR）：A NEW TECHNOLOGY FOR ACQUIRING HIGH PRECISION PALAEOEARTHQUAKE TRENCH INFORMATION

ZHENG Wen-jun1）LEI Qi-yun1，2）DU Peng1，2）CHEN Tao1）REN Zhikun1）YU Jing-xing1）ZHANG Ning1）
1）State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing100029，China
2）Earthquake Administration of Ningxia Hui Autonomous Region，Yinchuan750001，Chian

LiDAR，palaeoearthquake，3-D imaging，high precision，new technology

P315．2

A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：0253－4967（2015）01－0232－10

10．3969／j．issn．0253－4967．2015．01．018

鄭文俊，男，1972年生，2009年在中國(guó)地震局地質(zhì)研究所獲構(gòu)造地質(zhì)學(xué)博士學(xué)位，研究員，主要從事活動(dòng)構(gòu)造、新構(gòu)造及構(gòu)造地貌等方面的研究工作，電話：010－62009013，E－mail：gszhwj＠163.com。

2014－05－05收稿，2014－09－18改回。

中國(guó)地震局地震行業(yè)科研專項(xiàng)（201308012）、中國(guó)地震局地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)專項(xiàng)（IGCEA1220）和國(guó)家自然科學(xué)基金（41372220，41172194）共同資助。