激光雷达（LiDAR）：获取高精度古地震探槽信息的一种新技术

郑文俊　雷启云　杜　鹏　陈　涛任治坤　俞晶星　张　宁

1）中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京　100029

2）宁夏回族自治区地震局，银川　750001

激光雷达（LiDAR）：获取高精度古地震探槽信息的一种新技术

郑文俊1）雷启云1，2）杜鹏1，2）陈涛1）任治坤1）俞晶星1）张宁1）

1）中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京100029

2）宁夏回族自治区地震局，银川750001

激光雷达技术是近几十年新发展起来的一种测量技术，已被广泛应用于工程测量、文物保护及地形测量等方面，近几年来活动构造的研究中也已逐步引入。作为活动构造研究的最基础的古地震研究一直还采用传统的地质素描技术进行探槽信息获取，数码照相技术的引入虽然解决了一些问题，但由于照相技术本身的限制，很难克服获取信息的变形和扭曲。激光雷达扫描系统的高信息量、高精度、便捷、安全和易操作等性能，为古地震研究开辟了获取数据信息的新手段和新技术。

激光雷达古地震三维成像高精度新技术

0　引言

自20世纪60年代，从发现激光到激光技术从实验室走向实际应用起，就标志着三维激光扫描技术新纪元的开始，也逐步开启了一种高端测量技术和手段（Robert，1965）。但20世纪90年代这种技术才被引用到了三维测量领域（El-Hakim et al．，1997）。激光雷达的工作原理是在扫描过程中，激光发射器发出激光脉冲，激光脉冲到达扫描对象后被反射回来，然后，由激光接收器接收反射回来的激光脉冲，通过计算激光脉冲的行程时间差，可以获得被测对象与扫描仪之间的距离，与此同时，被测对象相对于扫描仪测站的偏角与仰角也被测量出来，从而获取任一被扫描点的空间位置（Axelsson，1999；Wehr et al．，1999；何秉顺等，2007；徐进军等，2007）。

在国外，经过近十几年的发展，三维激光扫描技术已经趋于成熟，形成一些规模相当的产业，而在国内，该项技术的发展还相对比较落后，目前还处于技术的研发和升级发展阶段。在应用方面，国际上起步于20世纪90年代，国内要稍晚一些。

1　激光雷达技术在地学中的应用

激光雷达（LiDAR）技术作为近年来发展起来的一种具有精度高、速度快、易操作等特征的新型测量设备，目前已逐步发展成为空间数据获取的最重要、最直接的技术手段，已大量用于变形监测、工程测量、地形测量、古建筑和文物保护、断面和体积测量等领域（刘经南等，2003；徐源强等，2010；马洪超，2011；马晓泉，2012；陈启威等，2012）。近年来，这项技术也越来越多地用到了地学研究上，作为一种新型的对地观测手段，已经广泛地应用到地形测绘、地质调查、滑坡监测、地质灾害研究、地震灾害的快速获取及评估等方面，其突出的优势特别表现在地形地貌的测量上。

对激光雷达扫描技术，国际上发展相对较早，早在20世纪90年代，国际上就开始将激光雷达搭载于飞机上，开展地形测量工作（Axelsson，1999；刘经南等，2003），随后激光测量技术得到了空前的发展，特别是美国开展了一系列雷达测量项目，获得了大量的地形地貌数据（Hudnut et al．，2002；Zielke et al．，2010；Oskin et al．，2012），系统采集了包括圣安德烈斯断层南段和圣哈辛托断层的三维地形数据，为南加州地区断层研究提供了更加高精度的基础资料（Zielke et al．，2010，2012）。在地面雷达应用方面，国际上也主要应用于工程测量和变形监测方面（Opitz et al．，2004；Jaw et al．，2008；Lato et al．，2009；Derron et al．，2010），而对地质特别是地貌方面的应用，也在近十年来有了质的飞跃，开始逐步应用到微地貌测量和地质剖面测量等方面（Hudnut et al．，2002；Zielke et al．，2010；Oskin et al．，2012；Gold et al．，2013），特别是对现今还在活动和变形的岩石及断裂进行监测和研究（Adams et al．，2002；Collins et al．，2004；Monserat et al．，2008；Casula et al．，2010；Wang et al．，2011；Zabci et al．，2011）。

而在国内，雷达技术在其他行业的应用相对较早，但在地形测量方面还尚处于起步阶段。2008年汶川地震发生后，曾开展了唐家山堰塞湖的应急机载雷达测量（LI，2009），但在技术方面还处于探索阶段，部分技术手段和测量信息并没有完全发挥作用（马洪超等，2008）。2011年中国地震局地质研究所在海原断裂上通过127km条带状机载激光雷达测量，开展活动断裂及地质地貌的研究（刘静等，2013；陈涛等，2014）。对于地面激光雷达技术，其他行业应用在国内外已开展得如火如荼，但在地质地貌方面的应用，除了滑坡测量、矿山测量和工程地质测量等方面外，在断裂构造的微地貌测量也仅处于探索和起步阶段，特别是汶川地震发生后，部分地应用于断错微地貌的测量（李峰等，2008；袁小祥等，2012；孙鑫等，2012）。如何将在考古和文物保护中已经应用成熟的激光雷达扫描技术应用于活动构造古地震研究和断层面观测方面，近几年也开展了一些探索性研究，魏占玉等（2010）采用这项技术，开展了断层面形貌变化对比研究，而在古地震探槽测量方面，国内尚没有开展这方面的工作。

2　激光雷达技术在古地震探槽研究中的测量优势

激光雷达用于探槽剖面的测量，有其特有的优势，作为一种主动式传感器，工作波长在940～1 064nm之间的近红外波段，无论哪种类型的激光雷达，最终获取的数据都是激光脚点的三维地理坐标。目前的激光雷达扫描系统的精度均已达到了1mm左右，测距精度可达0.3～2mm，扫描步长达到0.009°，最小扫描距离可达0.3m甚至更短，扫描的视场角目前多可以达到360°（水平）×300°（垂直）以上，这些测量精度的提高为区分探槽揭露的细微构造和三维成图提供了更多信息。

与大尺度地形数据的获取不同，在利用激光雷达进行探槽面扫描测量时，主要利用的是激光技术对揭露面上不同形态、不同组成物质的反射能力不同这一特征，在扫描过程中，激光发射器发出激光脉冲，激光脉冲到达扫描对象后被反射回来，然后，由激光接收器接收反射回来的激光脉冲（霍俊杰等，2011）。如揭露的探槽面各地层单元组成物质不同，最直接的表现形式就是不均匀反射，激光雷达获取的数据反映的就是表面的粗糙度不同（魏占玉等，2010），这种特征可以直接区分不同沉积地层单元以及粗碎屑沉积（或坡积物）中的砾石等；而沉积地层的颜色、含水量、密度、均匀度等的差异，对激光的反射能力也存在明显的影响，因此这些物性的差异在激光雷达扫描过程中直接反映为对激光的反射率的不同，如果再加上与激光雷达测量系统同步采集的彩色照片信息，就可以将获取的点云附上相应的颜色，更能完整而全面地获取探槽面的信息。因此激光雷达系统采集相当于不仅获取了普通照相技术的影像信息，同时也通过激光技术获取了高分辨率的富含扫描对象大量物理特性的点云信息，这样可以通过计算机技术对探槽剖面进行全面的解译和分析。另外，在一些地质工作条件较为困难的地区，探槽的开挖受地形地貌的限制，开挖的宽度一般较窄，而为了揭露更多的古地震或断层活动信息，往往要尽量开挖到足够的深度，因此增加了探槽内部易塌方的危险性，人在探槽内进行素描等工作的有效时间不能太长，且由于探槽较窄，普通的照相机很难精确地拍摄完整而不变形的信息，而激光雷达扫描系统可以快速、高效及精确地获取全面而完整的探槽揭露的信息。往往一个人工素描需要一天或多天工作的探槽，激光雷达扫描系统仅需要几十分钟时间就可以完成，剩下的工作就可以在室内进行了。另外激光雷达扫描系统的成图工作，还克服了人工素描和现场制图时往往不可避免的定位不准确、简化和遗漏信息等，也避免了普通照相机照相因局部变形而导致成图后定量分析的不精确，而多站点的重复扫描可以弥补不同视角和表面粗糙不平时扫描信息不完整等缺点。

总之，传统的方法因探槽壁的平整度、网格的实际大小和形态、拍照的角度、人为的操作等方面的因素，偏差较为明显，而激光雷达技术对探槽进行扫描和测量，其成果与常规方法（照片拼接和现场素描）相比优势明显：批量产生的点云和色彩信息，弥补了工作效率慢，观察过程中人为的遗漏和预判造成的误差甚至错误，保证将探槽内信息简单完整地记录和保存，实现现场观察与记录信息完全一致；将大量辛苦、危险的野外现场工作转化为室内计算处理的过程，极大地改善了工作条件，发挥了高精测绘技术的优势。当然，该技术也存在不足，室内处理工作相对较为繁杂，数据拼接过程可能造成局部信息的丢失，但这些都可通过处理方法的改进逐步提高和改善。

3　激光雷达技术应用于古地震探槽扫描的实例

激光雷达测量系统首先是通过硬件平台激光扫描仪获取物体表面的点云数据并通过同时系统携带的一体化相机（或外置相机）获取高分辨率数字影像，激光扫描数据的点云密度可达25个／cm2甚至更高，影像的分辨率在5 000万像素以上（图1）。这种精度的点云数据和影像资料，为后期的解译和地质信息判读提供了方便，图2中根据图1的相关信息，可以完整而准确地解译探槽内的细微沉积结构和沉积单元，可分辨0.5cm及更薄的沉积单元，区分主要信息依据来源于沉积单元中砾径、粒度、颜色、含水量等的差别所造成的反射能力的差异，同时配合同步相机所附着彩色的点云信息，使所得到的图像更真实（图1）。另外，对较粗的砾石层，扫描图像可以很好地识别出砾石的沉积特征（图3a），而在细粒的黄土及砂层中，通过细微的差别可以判断出断层的微小变形和局部结构（图3b）。

图1　三维激光扫描仪获取点云分布图Fig．1　Distribution of point cloud by 3－dimensional laser scanner（LiDAR）．

图2　激光雷达扫描图像的局部解译图Fig．2　Partial interpretation map of scanning images from LiDAR．

要显示高精度的三维信息，需要对获取的不同站点的点云和影像数据进行拼接和融合，相邻2个站点的点云数据，可以通过邻近迭代配准算法等技术进行拼接（王晓南等，2009），这项工作目前激光扫描仪自带或第三方软件均可处理完成。另外，由于目前激光扫描得到的点云数据精度高，因此不同站点之间的数据拼接和融合就非常容易做到，拼接的精度完全可以满足后续的三维建模工作的需要。我们在宁夏吴忠地区对一个探槽进行全方位扫描，通过后处理软件的拼接、配准和校正等工作，获得了不同视角的三维探槽效果（图4）。三维探槽的建立可以克服以往人工建立的三维图所存在的不足，让探槽揭露的信息更直观地表现出来，做到野外所见与室内影像的完全一致。这种效果图是在高精度点云数据和影像数据的基础上形成的，完全可以满足在计算机系统中进行探槽解译和古地震事件解释、过程恢复，当然解译需要在计算机中不降低分辨率的情况下进行，才能真正达到高精度的判读。通过与普通照片拼接的剖面对比发现，激光雷达系统采集的数据与普通相机采集的数据之间的区别（图5）。虽然普通照片在预置网格的控制下做到尽可能减小变形，但由于受相机镜头本身的限制，在照片的某些部位变形程度不同，后期的校正也很难做到呈不变形和完全校正，虽然激光雷达系统也用普通相机进行色彩的采集，但是其激光扫描点云是在一个绝对坐标系统下获得，相机色彩仅为给点云着色，因此不会发生畸变，可以更精确地获得接近实际的探槽信息。

图3　探槽不同位置的扫描图像Fig．3　Scanning images at different locations of trench．

图4　三维激光扫描获取的三维立体探槽Fig．3 3－D trench model acquired by 3-dimensional laser scanner（LiDAR）．

图5　激光雷达获取的探槽一壁的彩色点云正射投影（a）与普通相机照片拼接图（b）Fig．5　Orthographic map of color point cloud at the trench acquired by 3-dimensional laser scanner（LiDAR）．

4　结语及展望

激光雷达技术是近几十年最新发展的一种测量技术，可以获取高精度、高分辨率的物体表面信息，而古地震研究这一20世纪70—80年代发展起来的基础研究学科，一直还由传统的地质素描技术进行探槽的信息获取。近几十年随着数字技术的发展，数码照相被引入到古地震探槽信息的获取，但是由于照相技术本身限制，虽然由诸多后处理软件可以减少获取信息的变形扭曲，但是很难得到完全正射的影像，因此造成后续分析工作定量误差被放大。目前，激光雷达扫描系统的广泛应用，可以很轻易地解决这些问题，同时激光雷达扫描系统的高信息量、高精度、便捷、安全、易操作等性能，为古地震研究开辟了获取数据信息的新手段和新技术。另外，以往的雷达技术在地形地貌和三维测量等方面的成功实例将逐步被活动构造研究所应用，也可以在获取高精度的微地貌信息、地貌动态变化监测、同震与震间变形监测等方面发挥雷达技术方面独特的技术优势。

致谢感谢北京富斯特科技有限公司和北京欧诺嘉科技有限公司提供了激光扫描设备和数据处理方面的技术支持。

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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文献标识码：0253－4967（2015）01－0232－10

10．3969／j．issn．0253－4967．2015．01．018

郑文俊，男，1972年生，2009年在中国地震局地质研究所获构造地质学博士学位，研究员，主要从事活动构造、新构造及构造地貌等方面的研究工作，电话：010－62009013，E－mail：gszhwj＠163.com。

2014－05－05收稿，2014－09－18改回。

中国地震局地震行业科研专项（201308012）、中国地震局地质研究所基本科研业务专项（IGCEA1220）和国家自然科学基金（41372220，41172194）共同资助。