劉宇平，梁 虹，陳菲菲

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610081)

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高精度機(jī)載LiDAR在小江活動(dòng)構(gòu)造和地質(zhì)災(zāi)害研究中的應(yīng)用

劉宇平，梁 虹，陳菲菲

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局成都地質(zhì)調(diào)查中心，成都 610081)

通過(guò)機(jī)載LiDAR 飛行數(shù)據(jù)處理，獲得飛行區(qū)內(nèi)高精度的數(shù)字高程模型(DEM)和數(shù)字地表模型(DSM)等數(shù)字地形成果，應(yīng)用數(shù)字地形進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造解譯，確定小江活動(dòng)斷裂展布及構(gòu)造地貌特征，圈定飛行區(qū)內(nèi)金沙江、小江的滑坡及泥石流的分布范圍，估算其面積及體積，為此類地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警提供可靠信息。

LiDAR；DEM；小江斷裂；活動(dòng)斷裂；泥石流

0 引言

激光雷達(dá)測(cè)量技術(shù)(Light Detection And Ranging，LiDAR)是近10年來(lái)迅速發(fā)展的一種新型對(duì)地觀測(cè)手段，是對(duì)地貌高程的最直接且精度最高的測(cè)量手段。機(jī)載LiDAR技術(shù)可精確、快速、可靠地獲取地面3 維數(shù)據(jù)，在地球科學(xué)中的應(yīng)用日益廣泛。機(jī)載LiDAR 最具吸引力的優(yōu)勢(shì)在于激光束能夠通過(guò)植被縫隙到達(dá)地表，并能夠準(zhǔn)確測(cè)量地表形態(tài)。這些數(shù)據(jù)可以在適當(dāng)?shù)某叨?m)和精度(dm)上展現(xiàn)斷層活動(dòng)在地表留下的跡象。

與傳統(tǒng)的攝影測(cè)量方法相比，LiDAR測(cè)量是對(duì)地表3維坐標(biāo)的直接測(cè)量，避免通過(guò)攝影像對(duì)解算或雷達(dá)干涉測(cè)量(In-SAR)間接獲得地表3維坐標(biāo)，從而大大提高測(cè)量精度。另外，通過(guò)對(duì)LiDAR原始數(shù)據(jù)后期處理，能夠獲得高精度、高分辨率的DEM 數(shù)據(jù)。這些DEM 數(shù)據(jù)能夠精細(xì)表達(dá)地表地貌結(jié)構(gòu)，為研究和理解活動(dòng)構(gòu)造相關(guān)構(gòu)造地質(zhì)情況、地貌和最新的形變歷史提供更精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

LiDAR具有的高空間分辨率、強(qiáng)抗干擾能力以及高自動(dòng)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(cè)繪、城市三維建模、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(jìng)爭(zhēng)力。近年來(lái)在活動(dòng)斷裂[1-5]、古地震及地質(zhì)災(zāi)害[5-9]等地質(zhì)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了一系列成果與新進(jìn)展。

小江斷裂是青藏高原東緣重要的活動(dòng)斷裂之一，云南東川小江地區(qū)以地形切割強(qiáng)烈和地質(zhì)災(zāi)害特別是泥石流發(fā)育為特征。本文通過(guò)對(duì)小江東川—格勒段機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)的分析處理，獲得了高精度數(shù)字地形成果，并應(yīng)用這些成果對(duì)小江地區(qū)的活動(dòng)構(gòu)造及地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行了分析研究。

1 LiDAR數(shù)據(jù)的獲取及數(shù)據(jù)處理

小江地區(qū)機(jī)載LiDAR航空遙感數(shù)據(jù)由中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心飛行獲取。飛行沿小江南段的東川—格勒段，飛行區(qū)大致在長(zhǎng)約50 km寬約6 km的范圍，同時(shí)開(kāi)展飛行數(shù)據(jù)地面的檢效和校正。

云南東川小江地區(qū)的LiDAR數(shù)據(jù)處理采用芬蘭Terrasolid公司開(kāi)發(fā)的Terrasolid系列軟件進(jìn)行。首先對(duì)飛行數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理，獲得小區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)LAS文件；在此基礎(chǔ)上，用Global Mapper獲得地表數(shù)字高程(DSM)和數(shù)字高程(DEM)(見(jiàn)圖1)。

圖1 云南東川DSM(左)和DEM(右)數(shù)字地形圖Fig.1 DSM (left) and DEM (right) digital topographic maps in Dongchuan, Yunnan

2 基于高精度數(shù)字地形成果的小江活動(dòng)構(gòu)造解譯

用DEM和DSM數(shù)字地形成果進(jìn)行地質(zhì)構(gòu)造解譯，確定小江斷裂東川段的展布，特別是小江東西支的活動(dòng)斷裂展布，小江斷裂東支和西支在達(dá)朵—新田壩一線的分合，小江斷裂形成的斷層崖(如綠茂)、坡中槽(槽子地)、擠壓脊，以及水系的牽引等構(gòu)造地貌，指示了小江斷裂的活動(dòng)特征。

2.1 線性地貌特征

小江斷裂是青藏高原東緣重要的活動(dòng)斷裂，以左旋走滑為特征，地貌上線性特征明顯(見(jiàn)圖1)。斷裂分為東西兩支，東支稱為東川—格勒斷裂，沿新廠—綠茂—小新村—東川一線分布，西支稱為達(dá)朵—烏龍斷裂，東西兩支斷裂在新田壩附近相匯合。由于小江斷裂作用形成許多線性的陡崖，在DEM和DSM數(shù)字地形上表現(xiàn)為非常明顯的線性地貌特征(見(jiàn)圖2)，大致沿東川—新田壩—格勒一線，斷裂在小江西岸形成陡岸。

在綠茂—新村一線，小江東支斷裂形成了長(zhǎng)約20 km的地形陡崖，垂直高差可達(dá)100 m以上(見(jiàn)圖2，局部放大部分)；在新田壩以北地區(qū)，其形成的線性陡崖規(guī)模要小些。

2.2 坡中槽

由小江斷裂作用形成的坡中槽構(gòu)造地貌主要分布在槽子地和外團(tuán)山。坡中槽是小江斷裂曾經(jīng)發(fā)生活動(dòng)的證據(jù)，在暈渲圖(Hill-Shading Map)和坡度圖(見(jiàn)圖2)呈線性分布，地形上的高差大約150 m(見(jiàn)圖3、圖4)。槽子地坡中槽長(zhǎng)度約500 m，與山體地形明顯存在著差別。外團(tuán)山坡中槽位于槽子地坡中槽西側(cè)300 m左右，與槽子地坡中槽平行，但規(guī)模小。據(jù)地震記錄，1733年8月2日小江斷裂在此處曾發(fā)生7.8級(jí)地震，可能是該地震形成的破裂。

2.3 被小江斷裂切割的金沙江—小江階地

小江斷裂切割了小江和金沙江，匯合處形成有二級(jí)階地，小江斷裂在此沿伸長(zhǎng)度約5.8 km。因斷裂的作用金沙江的流向在此從NE45°轉(zhuǎn)為近南北向，而從格勒到巧家長(zhǎng)達(dá)50 km金沙江的流向基本上沿小江斷裂，因此金沙江受到錯(cuò)斷約50 km[10]。從數(shù)字地形分析和地質(zhì)資料整理發(fā)現(xiàn)小江斷裂在該處的活動(dòng)表現(xiàn)。

從格勒—龍樹(shù)大約5.8 km的距離內(nèi)，小江斷裂切割格勒—龍樹(shù)階地，形成線性地貌特征，并在兩側(cè)形成張性裂隙，指示為左旋走滑的特征(見(jiàn)圖4、圖5)。

2.4 擠壓脊

在小江斷裂東支和西支斷裂匯合以北的地區(qū)，多排子田、樊家坪子到刺棵田一線，由于小江斷裂的作用，導(dǎo)致前昆陽(yáng)群大龍口組、美黨組等地層與寒武系中下統(tǒng)斷層接觸(見(jiàn)圖6)。受到斷層的走滑擠壓，寒武紀(jì)地層均呈不對(duì)稱形狀，其長(zhǎng)軸方向與小江斷裂之間有10°—20°的交角，指示了小江斷裂具有左旋走滑的特征。

2.5 小江斷裂的位錯(cuò)

小江斷裂是第四紀(jì)活動(dòng)斷裂，將改變經(jīng)過(guò)水系的流動(dòng)方向。根據(jù)構(gòu)造及地層、水系對(duì)比，總位移量達(dá)到50～60 km，其中小江斷裂北段將一級(jí)河流金沙江錯(cuò)斷約50～60 km，小江斷裂東支將三級(jí)河流的牛攔江、南盤江水系分別錯(cuò)斷18 km和24 km(見(jiàn)圖7)[11-12]。

小江屬于四級(jí)水系，雖然沒(méi)有像金沙江、牛攔江和南盤江見(jiàn)到主河道明顯的牽引錯(cuò)斷現(xiàn)象，但次級(jí)水系發(fā)育牽引、彎曲現(xiàn)象。在新田壩到格勒之間，有多處次級(jí)水系被牽引彎曲現(xiàn)象(見(jiàn)圖8)，據(jù)高精度的數(shù)字地形資料，發(fā)生位移大約315～984 m(見(jiàn)圖9)。

圖3 小江斷裂形成的坡中槽Fig.3 Slope groove formed by Xiaojing fault

圖4 小江斷裂切割格勒—龍樹(shù)階地的地形坡度圖Fig.4 Gele-Longshu terrace cut by Xiaojing fault (digital slope map)

圖5 龍樹(shù)階地被小江斷裂切割的地貌特征Fig.5 The geomorphic features of Longshu terrace cut by Xiaojing fault

圖6 小江斷裂形成的地貌特征Fig.6 The geomorphic features formed by Xiaojing fault

圖7 東川周邊小江斷裂主要的錯(cuò)斷裂水系Fig.7 Major displaced water system formed by Xiaojing fault around Dongchuan

圖8 小江LiDAR飛行區(qū)的水系特征(據(jù)全球STRM DEM數(shù)據(jù))Fig.8 The drainage characteristics of the LiDAR air field

圖9 小江斷裂在新田壩—格勒之間形成的水系位移Fig.9 Drainage displacement formed by Xiaojing fault between Xintinba and Gele

3 地質(zhì)災(zāi)害的解譯

激光具有穿透植被的能力和多次回波的特點(diǎn)，能獲取更多的地形和植被信息，在原理和方法上具備識(shí)別滑坡微地貌的條件。具體表現(xiàn)在：LiDAR派生的DEM 可對(duì)邊坡整體變化的相關(guān)特征(斜坡凹陷和突變)進(jìn)行識(shí)別；結(jié)合LiDAR派生的詳細(xì)DEM，隨著地面粗糙度的增加，可以識(shí)別一些地表特征(如內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形、裂隙、張裂縫和滑痕等)[13]。

小江地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害以泥石流的發(fā)育為特征，有著名的世界第一的蔣家溝泥石流。小江泥石流屬于暴雨型，每當(dāng)雨季頻頻暴發(fā)，堵塞江水、吞噬農(nóng)田、破壞村舍、中斷交通、影響工礦生產(chǎn)，并威脅著東川市的安全。小江泥石流的形成有其特定的環(huán)境條件，主要是有利的氣候、地形和地質(zhì)因素，人類不合理的生產(chǎn)活動(dòng)亦起到一定的作用。其中的地質(zhì)因素主要與小江活動(dòng)斷裂活動(dòng)、較陡的地形地貌和小江地區(qū)巖性有關(guān)。此外，滑坡也是小江地區(qū)重要的地質(zhì)災(zāi)害之一。

應(yīng)用數(shù)字地形的暈渲圖(Hill-Shading Map)和坡度圖(Slope Map)可研究小江地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害，圈定可能發(fā)生泥石流、滑坡、巖崩的地區(qū)，并估算其分布的面積或體積(見(jiàn)圖10)。

圖10 云南東川小江地區(qū)滑坡、泥石流和活動(dòng)斷裂分布Fig.10 Landslide, debris flow and active faults distribution in Dongchuan area, Yunnan Province

用DEM暈渲圖和地形坡度圖可以大致確定災(zāi)害的分布范圍。小江流域數(shù)字地形資料表明，小江兩岸的地形坡度在7°—89°不等，最容易發(fā)生巖崩、滑坡的地形坡度范圍在30°—45°之間，若有其他因素(如地震等)影響下，極容易發(fā)生巖崩、滑坡。

從高精度DEM和DSM數(shù)字地形獲得暈渲圖和地形坡度圖(見(jiàn)圖10)可以看出，小江兩岸地區(qū)的地形坡度在30°以上，小江主要支流地形坡降大，加之兩岸較陡的地形和松散的巖性為泥石流提供物源，這些支流形成泥石流溝具備了條件。

3.1 泥石流

在小江流域發(fā)生泥石流地區(qū)圈定了20條泥石流溝和泥石流堆積體，其中的蔣家溝泥石流(見(jiàn)圖11)規(guī)模最大，是世界第一的泥石流。蔣家溝泥石溝在飛行區(qū)的長(zhǎng)度為6 km，但還有部分未在工作區(qū)內(nèi)，其總長(zhǎng)度超過(guò)15 km，泥石流沖積區(qū)域在4.5 km2以上，這是由于發(fā)育的變質(zhì)巖的巖性、地形坡度以及天氣決定。

圖11 小江地區(qū)蔣家溝泥石溝分布圖Fig.11 Distribution of Jiangjiagou gully debris in Xiaojing region

3.2 滑坡

在DEM暈渲圖和地形坡度圖上可圈定滑坡(見(jiàn)圖12)。其中在金沙江邊發(fā)育一個(gè)較大的滑坡，面積約1.5 km2，該滑坡可能對(duì)金沙江造成堰塞，但其形成的時(shí)間不清楚。

圖12 金沙江和小江交匯處主要泥石流溝及滑坡分布圖Fig.12 Distribution of main flow gully and landslide between Jinshajiang interchange Xiaojing

4 結(jié)論

機(jī)載LiDAR 技術(shù)是21 世紀(jì)以來(lái)迅速發(fā)展并投入應(yīng)用的對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)，可直接獲取高精度的植被下部、地面與地表物體的三維坐標(biāo)，從而構(gòu)建真實(shí)的裸地表形態(tài)，為與地貌相關(guān)的地學(xué)現(xiàn)象和地學(xué)過(guò)程研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。利用機(jī)載LiDAR 技術(shù)獲得的高精度、高分辨率DEM 數(shù)據(jù)，可為研究和理解活動(dòng)構(gòu)造相關(guān)構(gòu)造地質(zhì)情況、地貌和最新的形變歷史提供更精確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在地學(xué)方面應(yīng)用潛力巨大。

致謝 中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心陳潔、肖春蕾等為機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)獲取做了大量工作，臺(tái)北科技大學(xué)張國(guó)楨教授和臺(tái)灣大學(xué)陳柔妃教授為機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)處理提供了幫助，在此一并表示感謝！

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APPLICATION OF HIGH RESOLUTION AIRBORNE LIDAR IN XIAOJIANG ACTIVE TECTONICS AND GEOLOGICAL DISASTER STUDY

LIU Yu-ping, LIANG Hong, CHENG Fi-fi

(Chengdu Center, China Geological Survey, Chengdu 610081, China)

By processing airborne LiDAR flight data of Jinsha River and Xiaojiang, we obtained high precision Digital Elevation Model (DEM) and Digital Surface Model (DSM). Using the digital terrain in geological structure interpretation, we may determine the distribution of active faults and the characteristics of tectonic geomorphology, delineating the range of the landslide and debris flow in Jinsha River and Xiaojiang, also estimating the area and volume of the landslide and debris flow. High precision airborne LiDAR data provides reliable information for such geological disaster warning.

LiDAR； DEM； Xiaojiang fracture; active faults; debris flow

1006-6616(2016)03-0747-13

2016-04-11

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目“青藏高原東緣重要地區(qū)區(qū)域地質(zhì)專項(xiàng)調(diào)查”(1212011220413)；“川(滇)鐵路沿線地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查”(DD20160021)

劉宇平(1962-)，男，碩士，研究員，主要從事活動(dòng)構(gòu)造研究。E-mail：1060923050@qq.com

P546；P627

A