鄭孝波 唐紅濤

1 西安航空學(xué)院基建處,西安市西二環(huán)259號(hào),710077 2 中國(guó)地震局第二監(jiān)測(cè)中心,西安市西影路316號(hào),710054

近年來(lái),機(jī)載LiDAR技術(shù)在測(cè)繪、林業(yè)、建筑等行業(yè)逐漸推廣普及,其對(duì)地表現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、全方位采集的同時(shí),可通過(guò)虛擬增強(qiáng)的物理現(xiàn)實(shí),呈現(xiàn)出具有收斂性、物理持久性以及共享特征的三維虛擬空間。在地質(zhì)調(diào)查領(lǐng)域,劉靜等[1]利用LiDAR技術(shù)獲取海原斷裂帶的精細(xì)構(gòu)造圖,深入揭示海原斷裂的活動(dòng)特性及歷史地震的發(fā)震模式;邵延秀等[2]基于機(jī)載LiDAR技術(shù)獲取青藏高原東北緣活動(dòng)斷層的垂直位移量;肖春蕾等[3]借助機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)活動(dòng)斷裂微地貌參數(shù)的精確提取。雖然機(jī)載LiDAR與斷層結(jié)合的研究較多,但研究對(duì)象均是目前已查明的處于地表裸露地帶或植被稀少地區(qū)的活動(dòng)斷層。本文借助機(jī)載LiDAR技術(shù),在植被茂密的秦嶺山區(qū)實(shí)現(xiàn)了鐵爐子斷裂的快速掃描與識(shí)別,獲得了較好的實(shí)踐結(jié)果。

1 機(jī)載LiDAR系統(tǒng)

本文采用飛馬D20作為飛行平臺(tái),搭載DV-LiDAR40激光雷達(dá)模塊,該模塊是集激光掃描器、全球定位系統(tǒng)與慣性導(dǎo)航系統(tǒng)3種技術(shù)于一身的激光雷達(dá)掃描系統(tǒng)。機(jī)載LiDAR系統(tǒng)不僅可用于獲取無(wú)地面控制點(diǎn)或少量地面控制點(diǎn)地區(qū)航空遙感數(shù)據(jù),還可實(shí)時(shí)獲取穿透植被到達(dá)地表的目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。激光掃描器是該系統(tǒng)的核心設(shè)備,記錄高速旋轉(zhuǎn)的高頻測(cè)距激光器持續(xù)發(fā)射出的紅外測(cè)距信號(hào),可獲取以掃描中心為基準(zhǔn)的三維坐標(biāo)值。此外,IMU是整個(gè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)中心,陀螺儀采用高精度光纖,其零點(diǎn)漂移量小、精度高,并能用GPS進(jìn)行校準(zhǔn)[4-8]。

2 活動(dòng)斷層的探測(cè)研究

2.1 研究背景

秦嶺造山帶是經(jīng)歷長(zhǎng)期、多次不同造山作用形成的復(fù)合型大陸造山帶,在我國(guó)大陸的形成與演化中有著極其重要的地位[9-10]。鐵爐子斷裂是秦嶺內(nèi)部近東西向的一條深大斷裂,寬10～100 m,多為單一斷層,偶有成組斷層,自第四紀(jì)以來(lái)新構(gòu)造活動(dòng)劇烈。如圖1、2所示,該斷裂在東秦嶺地區(qū)有較好的地表裸露(圖1中紅色實(shí)線),但自東向西進(jìn)入渭河盆地后,在渭河盆地內(nèi)部被第四紀(jì)沉積物覆蓋,無(wú)地表裸露,形成隱伏斷層(圖1中紅色虛線)。為探討鐵爐子斷裂在渭河盆地的具體位置與走向,需要進(jìn)行大量實(shí)地勘察工作,其中最重要的地區(qū)是該斷裂自東向西進(jìn)入渭河盆地入口處的幾公里,即圖1、2中的矩形區(qū)域,該區(qū)域斷層的位置、方向?qū)ξ鱾?cè)隱伏斷層的走向具有較好的指示作用。

圖1 渭河盆地周邊活動(dòng)斷裂及構(gòu)造分布Fig.1 Active faults and tectonic distribution around Weihe basin

圖2 研究區(qū)DEM山影圖Fig.2 DEM mountain shadow map of study area

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

搭載DV-LiDAR40激光雷達(dá)模塊的飛馬D20的水平定位精度可達(dá)1 cm,高程定位精度可達(dá)2 cm,能滿足復(fù)雜地形下的高精度測(cè)量要求。機(jī)載LiDAR技術(shù)主要有5個(gè)誤差來(lái)源:航高、激光測(cè)距誤差、掃描角、IMU姿態(tài)角及安置角。除航高外,其他4個(gè)誤差均在激光掃描儀出廠前進(jìn)行校正。航高是由于存在紅外測(cè)距比例誤差,導(dǎo)致定位誤差與航高近似呈線性關(guān)系。因此,本文在確保飛行安全的前提下降低航高,使由航高引起的定位誤差降至最低。由于秦嶺地勢(shì)陡峭復(fù)雜,將航高設(shè)置為450 m,平均點(diǎn)密度為302個(gè)/m2,航測(cè)區(qū)域?yàn)閷捈s1 km、長(zhǎng)約4 km的矩形,共采集8條航帶,將每條航帶的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與地面控制標(biāo)志進(jìn)行對(duì)比匹配,然后進(jìn)行航帶平差校正,待航帶偏移量小于限差后再進(jìn)行航帶拼接。

2.3 數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)價(jià)

測(cè)繪數(shù)據(jù)的精度評(píng)定是決定后期數(shù)字成果可靠性、實(shí)用性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文以檢查點(diǎn)法為主、剖面線法和等高線套合法為輔的方法進(jìn)行精度評(píng)定。主要檢查項(xiàng)目有:點(diǎn)云數(shù)據(jù)密度、點(diǎn)云分類質(zhì)量、原始數(shù)據(jù)的平面精度與高程精度等。平面中誤差的真誤差為點(diǎn)云數(shù)據(jù)或DEM的檢查點(diǎn)平面坐標(biāo)與實(shí)測(cè)值的差值;高程中誤差的真誤差為點(diǎn)云數(shù)據(jù)或DEM的檢查點(diǎn)高程值與實(shí)測(cè)高程值的差值。本文實(shí)地布設(shè)檢查點(diǎn)28個(gè),計(jì)算結(jié)果顯示,檢查點(diǎn)水平中誤差為0.092 m,高程中誤差為0.056 m,完全滿足1∶1 000大比例測(cè)繪的精度要求。圖3為機(jī)載LiDAR原始數(shù)據(jù)的精度評(píng)定正態(tài)-高斯分布擬合統(tǒng)計(jì)圖。

圖3 研究區(qū)原始點(diǎn)云精度統(tǒng)計(jì)Fig.3 Accuracy statistics of original point cloud in study area

2.4 活動(dòng)斷層探測(cè)

活動(dòng)斷層探測(cè)主要針對(duì)未知和隱伏斷裂,需在多地重復(fù)勘察,以確定斷層位置及產(chǎn)狀。本文對(duì)鐵爐子斷裂藍(lán)田段進(jìn)行探測(cè),基于機(jī)載LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù),借助云集建模點(diǎn)云處理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對(duì)原始點(diǎn)云的智能分類,多尺度提取研究區(qū)不同分辨率的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。需要指出的是,本文在處理秦嶺內(nèi)部山地地表特征及識(shí)別斷層三角面時(shí),能夠清晰界定普通山地地形與斷層特征等離散點(diǎn)云的空間分布與拓?fù)潢P(guān)系。

如圖4所示,根據(jù)室內(nèi)解譯的高分辨率DEM數(shù)據(jù)能夠清晰判別斷層的實(shí)地位置與走向,2 m分辨率DEM對(duì)測(cè)區(qū)地形的刻畫(huà)非常精細(xì),溝、坎、河床、道路等細(xì)微特征清晰可見(jiàn)。圖5為推測(cè)出的斷層信息,包含槽谷、斷層三角面等具有明顯斷層特征的詳細(xì)信息。

圖4 研究區(qū)高分辨率點(diǎn)云及DEM成果Fig.4 High resolution point cloud and DEM results in study area

圖5 研究區(qū)剖面位置Fig.5 Profiles location in study area

2.5 斷層的實(shí)地考察與驗(yàn)證

為證實(shí)室內(nèi)DEM解譯的準(zhǔn)確性,依據(jù)斷層解譯資料,在研究區(qū)相應(yīng)位置進(jìn)行實(shí)地考察。由于秦嶺地區(qū)山高、植被茂密,在山體內(nèi)部對(duì)大型斷裂進(jìn)行定位與追蹤十分困難,因此借助傾斜攝影測(cè)量技術(shù),對(duì)包括4 km2研究區(qū)在內(nèi)的16 km2區(qū)域構(gòu)建實(shí)景三維模型。實(shí)景三維模型完好地反映出測(cè)區(qū)的真實(shí)情況(圖6),圖中紅色箭頭指向余下-鐵爐子斷裂埡口、槽谷等位置,整體走向?yàn)镹WW。同時(shí),在斷裂研究區(qū)的西向沿線上發(fā)現(xiàn)了斷裂特征顯著的剖面(圖6中黃色矩形),具體斷層剖面如圖7所示。為減少影像畸變,采用貼近攝影測(cè)量法建立斷層剖面的實(shí)景模型,其中斷層錯(cuò)斷特征明顯,較好地印證了室內(nèi)借助DEM對(duì)鐵爐子斷裂進(jìn)行解譯的正確性。

圖6 鐵爐子斷裂實(shí)地展布圖Fig.6 Field layout of Tieluzi fault

圖7 研究區(qū)西向沿線斷層剖面Fig.7 Fault profiles along the west of study area

基于上述已判定、探測(cè)的活動(dòng)斷層,在垂直于斷層的方向上提取2個(gè)剖面(圖5中橫跨斷層的藍(lán)色線段P1、P2),其點(diǎn)云剖面圖如圖8所示。由圖可見(jiàn),活動(dòng)斷裂兩側(cè)高程差異顯著,地形高程突變特征明顯,再次從原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)上驗(yàn)證了該活動(dòng)斷裂的存在。

圖8 鐵爐子斷裂點(diǎn)云剖面Fig.8 Point cloud profiles of Tieluzi fault

在快速探測(cè)活動(dòng)斷裂的同時(shí),借助測(cè)區(qū)高精度分辨率DEM數(shù)據(jù),針對(duì)上述2個(gè)剖面,嘗試提取斷裂垂直錯(cuò)斷量,如圖9所示。圖9(a)為斷層陡坎垂直錯(cuò)斷量計(jì)算方案,分別對(duì)斷層陡坎兩側(cè)100 m范圍內(nèi)地形垂直方向上的剖面數(shù)據(jù)作最小二乘擬合處理(擬合線段分別記為L(zhǎng)1、L2),即可獲取斷裂垂直位移量。結(jié)果顯示,P1處斷層垂直錯(cuò)斷量為1.12±0.13 m,P2處斷層垂直錯(cuò)斷量為0.96±0.24 m。

圖9 斷層垂直斷錯(cuò)量確定示意圖Fig.9 Schematic diagram for determination of vertical fault displacement

3 結(jié) 語(yǔ)

本文利用機(jī)載LiDAR技術(shù)采集鐵爐子斷裂的點(diǎn)云數(shù)據(jù),提取地形點(diǎn)云,進(jìn)行高分辨率DEM處理,探究掃描區(qū)域的幾何展布特征,給出DEM多點(diǎn)位斷層三角面的解譯、DEM衍生數(shù)據(jù)的對(duì)比、2條原始點(diǎn)云剖面的分析,實(shí)現(xiàn)了鐵爐子斷裂的室內(nèi)快速識(shí)別。無(wú)人機(jī)機(jī)載LiDAR技術(shù)為長(zhǎng)距離、大范圍、地勢(shì)復(fù)雜、植被茂密地區(qū)活動(dòng)斷裂的探測(cè)、調(diào)查工作提供了便利,真正實(shí)現(xiàn)了由外業(yè)調(diào)查轉(zhuǎn)為以三維空間數(shù)據(jù)處理、立體模型解譯為主體的室內(nèi)工作模式,極大提高了地質(zhì)人員在活動(dòng)斷裂勘察工作中的效率。