收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

机载激光雷达技术在构造地貌定量化研究中的应用

陈涛  
【摘要】:在过去的10年,激光雷达(Light Detection and Ranging, LiDAR)技术凭借其能够精确、快速地获取地面三维数据的技术特点已在众多行业领域得到广泛运用。该技术集成了GPS、IMU、激光扫描仪、数码相机等设备,其中主动传感系统(激光扫描仪)利用返回的脉冲可获取探测目标高精度的距离、坡度、粗糙度和反射率等信息,而被动光电成像设备(航空摄影相机)则可获取探测目标的数字成像信息。上述数据经后续处理可生成三维激光点云,并最终得到沿整个扫描条带的地面点三维空间坐标与真彩色图像。相对于传统的摄影测量技术,激光雷达技术是遥感技术领域的一场革命,它不仅能够提供高分辨率、高精度的地形地貌,还可以通过滤波算法有效祛除地表植被的影响,得到真实地表,目前已广泛应用于基础测绘、城市三维建模和林业应用、铁路、电力勘察等领域。按照载体的不同,激光雷达系统可以分为星载、机载、车载以及地基测量系统。其中,机载激光雷达测量系统相对于其他搭载方式,具有作业周期短、数据精度高且不受天气因素影响等优点,是一种方便高效的主动遥感测量技术。 机载激光雷达系统工作原理与传统大地测量和摄影测量并不完全一样,因此本文首先介绍了机载激光雷达测量系统组成及工作原理、LiDAR数据产品及其误差来源和数据后处理算法。在此基础上,回顾了近年来机载LiDAR技术在地球科学领域,尤其是地震地质研究领域的最新进展和项目实例。然后,结合海原断裂带机载LiDAR数据采集项目,以海原断裂带哨马饮流域阶地上被左旋错断的冲沟为例,阐明了基于高分辨率地形数据精确测量单条冲沟的同震位移和累计位移的方法。接着,运用同样的方法,沿海原断裂带老虎山断层测量得到250多个冲沟小位移值,并基于位移分布讨论了1888年景泰地震的地表破裂范围和震级大小,展示了高分辨率地形数据在断裂活动性研究中的应用。最后,以1999年美国Hector Mine地震发生后采集的LiDAR数据为研究对象,系统比较了基于LiDAR测量得到的同震位移数据与野外实地测量得到的同震位移数据之间的异同,初步讨论了机载LiDAR数据的优点和局限性。 第一章介绍了机载LiDAR测量系统的组成及工作原理。首先回顾了自1970年美国阿波罗计划使用激光测距系统以来LiDAR技术的发展历程,阐明了LiDAR测量的基本原理和技术特点。并以经典的机载LiDAR应用系统,如水下地形测量系统(SHOALS)、植被成像传感系统(LVIS)和大气探测与极地激光测高系统(ICESat)为例,总结了机载LiDAR技术的国内外发展现状和主要应用领域。接下来,从工作机制、技术指标等方面,分别对机载LiDAR系统的主要组成单元,如激光测距系统、动态GPS定位单元、姿态测量单元、多天线阵列姿态测量系统和飞行搭载平台等进行了简要介绍。随后,基于激光测距原理和扫描方式完成了机载LiDAR测量的几何模型推导。最后,通过与传统的摄影测量和合成孔径雷达测量技术(Interferometric Synthetic Aperture Radar,简写为InSAR)的比较,归纳了机载LiDAR技术的优缺点,简述了LiDAR数据生产流程,并收集了目前主流商用机载LiDAR系统的技术指标。 第二章讨论了机载LiDAR的数据产品类型,数据误差来源以及数据后处理方法。机载LiDAR系统的数据产品可以是激光点云、全波形文件和数码航空影像,也可以是经过规则格网内插后的数字地表模型(DSM)或数字高程模型(DEM)。对于其中最原始,也是最为重要的激光点云而言,其误差来源非常复杂,仅通过数学建模的方法难以消除,因此实际工作中一般采用系统检校并建立误差模型的方法来减弱系统误差影响。同时,由于点云的空间离散特征,导致点云数据质量与精度评定都与传统的摄影测量大不相同。尤其是水平精度评价,往往还需要借助于事先敷设的规则形状人工强反射地物。激光点云的滤波和分类算法是近年来LiDAR技术发展的研究热点,但目前无论哪种方法都距离全自动化处理还有一定差距。在工程实践中,一般采用人工辅助计算机进行半自动分类,往往耗费较多的人力和时间。 第三章综述了近年来机载LiDAR在地球科学领域的应用,并列举了数个项目实例。首先介绍机载LiDAR在地球科学各个领域中的应用。如利用ICESat卫星开展极地冰盖厚度与全球气候变化,结合机载LiDAR数据和潮汐数据研究海岸线变化,基于LiDAR数据的滑坡物质运移规律研究,通过高精度地形数据推断局部活动断裂特征,以及LiDAR数据在定量地貌学地貌过程模拟和变化趋势预测等应用实例。接下来,总结了近年来国内外比较具有典型意义的LiDAR工程实例,包括美国San Andreas断裂带机载LiDAR扫描项目(B4),海地太子港7.0级地震、新西兰Darfield7.1级地震和汶川8.0级地震震后LiDAR数据采集情况,以及黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验项目(HiWATER)。 第四章以海原断裂带LiDAR数据采集项目为例,从项目概况、技术设计与质量评价等方面介绍了机载LiDAR数据生产流程。利用这样的大范围、高精度的地形数据,断裂的空间位置和沿断层的位移分布可以精确到亚米级误差范围,从而使1:1000比例尺的活动断裂填图成为可能。这对于活动断裂研究,尤其是城市活断层填图来说具有重要意义。毫无疑问,前所未有的高精度三维激光点云数据将带来活动构造领域研究方法的革新。本章部分内容已在《科学通报》2013年第58卷第1期发表。 第五章通过研究海原断裂带哨马饮流域阶地上沿断层走向左旋错断冲沟,展示了基于LiDAR数据的冲沟同震位移和累计位移的精密测量方法。基于海原断裂带机载LiDAR扫描项目所获得的地形数据,发现1920年海原地震在哨马饮区段的同震位移,并测量得到水平同震位移约为8.6m,垂直同震位移约为0.8m。另外,还得到哨马饮冲沟累积位移量精确值,结合前人测定的阶地年龄,估算海原断层全新世以来的水平方向滑动速率为4.0±1.0mm/a,抬升的垂向速率下限为0.4±0.1mm/a。海原断裂带机载LiDAR实验表明,基于LiDAR数据的精细地貌定量化研究可以准确获取同震位移和累计位移,减少滑动速率的不确定性,得到之前难以计算的垂直运动速率,从而加深对断裂带地震活动性和复发周期的认识,理解全新世以来的断层活动特性。本章内容已在《科学通报》2014年第59卷第14期发表。 第六章选取海原断裂带老虎山断裂为研究区域,展示了基于LiDAR数据的位移分布在断裂活动性研究中的应用。老虎山断裂紧邻1920年海原地震地表破裂带的西端,上世纪90年代曾开展过1:50000活断层填图。在前人的工作基础上,基于老虎山断裂沿线的高分辨率LiDAR数据,在确定老虎山断层地表破裂准确位置的基础上,沿断裂选取了203处多错断的河沟、山脊、阶地和边坡,测量得到225个水平位移。通过分析小于20m的位移测量,重建了相对可靠的1888年景泰地震的地表破裂范围和同震位移分布,并按照矩震级与地震矩之间的换算公式,修正景泰地震的震级为6.9级。此外,对早于1888年景泰地震的历史地震,参考此前的松山古地震探槽记录,大致估计了破裂范围和地震震级,推测天祝地震空区的地震复发模式可能是“分段补丁”的方式。最后,以千年地震复发周期计,大致估算老虎山断层的长期平均左旋走滑速率约为6~7mm/a。 第七章展示了基于1999年Hector Mine地震后所采集的LiDAR数据测量的同震位移,并与野外实测数据进行了比对分析。在基于LiDAR点云数据生成的0.5m分辨率DEM支持下,测量得到255个水平位移点和85个垂直位移点,最大的水平位移值为6.6±1.1m,在野外最大测量值以南700m。使用积分法计算的LiDAR测量值的平均值为1.72±0.46m,包络线法计算值为2.37±0.5m。最大的垂直位移为1.22±0.02m,同野外实测数据相似,并没有明显的分布趋势。研究结果表明,除非地震发生在有密集人工地物的区域(e.g. Darfield地震),仅依靠震后LiDAR数据(或者高分辨率遥感影像)就可以得到可靠的高质量同震位移分布。否则,只有将震前和震后的数据联合起来解译,才能够保证提供断层附近精确的三维形变信息,理解地震地表破裂几何分布特征和传播机制。 综上所述,本论文的主要工作是以机载LiDAR所提供的新技术、新方法为切入点,对机载LiDAR系统的软硬件系统组成、数据产品类型、解算模型和误差来源等进行了简要介绍,并以海原断裂带机载LiDAR数据为例,阐明了基于高分辨率、高精度的地形数据精确测量单点冲沟位移的方法,重点展示了基于单点冲沟位移测量得到的沿断层走线的密集位移分布测量结果,最后通过与前人的热年代学测年数据和地质填图数据进行联合分析,得到的历史地震事件的位移分布、断层的平均滑动速率等有关断层活动性和地貌演化过程的新认识。 本论文的创新点可归纳为以下4点:(1)探索新技术,机载LiDAR技术是一种低成本、高效率的新型数据获取技术,该技术在地震地质研究领域已有近20年的成功使用经验,而在我国的应用还处于起步阶段,海原断裂带机载LiDAR扫描项目的实施,从技术设计到数据质量评价,从外业采集到内业分析,完整的执行了LiDAR数据生产采集的全过程,为推动LiDAR技术在地震地质领域的应用提供技术储备;(2)发现新现象,冲沟(或其他线状地物)沿断层发生断错的现象,一直都被看作为活动断层的地貌表征,1920年海原地震在哨马饮区段的同震位移在之前的野外考察中从未发现,而在高分辨率地形数据的支持下,精确测得哨马饮流域阶地上所发育冲沟的水平和垂直同震位移,继而得到了左旋滑动速率和垂直抬升速率;(3)获得新认识,传统的野外测量受限于地形或者经费等因素,所开展的断裂研究局限于个别区段或者局部点位,在机载LiDAR数据的支持下,沿老虎山断层测量得到200余处位移值,密集分布的位移测量结果能够尽可能准确的描绘出导致历史地震地表破裂范围和位移分布,基于上述测量结果修正得到1888年景泰地震的震级约为6.8级,而不是之前认为的6级;(4)拓展新应用,机载LiDAR的条带扫描技术在快速准确获取断裂带沿线地形方面具有独到的技术优势,但是受限于航空管制、设备昂贵以及数据处理自动化程度不高等原因,LiDAR技术在活动断裂研究中的应用才刚刚开展,海原断裂带机载LiDAR扫描项目和Hector Mine震后LiDAR数据分析,可视为LiDAR技术在活动断裂研究中的初步探索,后续基于LiDAR数据的活动断层填图、地质填图乃至断裂活动性研究等方面的应用仍有待展开。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 马泳;林宏;冀航;陈慧;;基于机载激光雷达监测海洋赤潮模型研究[J];光子学报;2007年02期
2 王成;Menenti M;StollM P;李传荣;唐伶俐;;机载激光雷达数据的误差分析及校正[J];遥感学报;2007年03期
3 陈建军;;机载激光雷达的特点及其工程应用[J];内江科技;2008年12期
4 马洪超;姚春静;张生德;;机载激光雷达在汶川地震应急响应中的若干关键问题探讨[J];遥感学报;2008年06期
5 密威;;机载激光雷达技术在电力线路勘测中的应用[J];科技资讯;2009年19期
6 沈春宇;关贤恩;;利用机载激光雷达系统对我国领海岛礁进行精确地面三维数据获取应用探讨[J];中国西部科技;2010年08期
7 黄华平;李永树;;机载激光雷达测量技术在铁路勘测中的应用[J];测绘;2010年05期
8 刘凯华;张建霞;左建章;;机载激光雷达单机检校方案研究[J];测绘科学;2010年06期
9 付甜;庞勇;黄庆丰;刘清旺;徐光彩;;亚热带森林参数的机载激光雷达估测[J];遥感学报;2011年05期
10 杨少文;;机载激光雷达技术在海南东环线铁路抢险中的应用[J];测绘;2012年01期
11 刘正军;左志权;徐胜攀;;机载激光雷达数据处理方法研究及软件平台研发[J];测绘通报;2012年S1期
12 王建军;;基于正交化实验对影响机载激光雷达测量精度的工作参数进行最优化设计[J];中国激光;2013年02期
13 成枢;胡合欢;;机载激光雷达测量系统集成误差检较[J];测绘与空间地理信息;2013年11期
14 刘厚通;李超;王珍珠;周军;;大气消光特性与机载激光雷达眼睛安全关系的研究[J];应用光学;2007年02期
15 杨洋;张永生;邹晓亮;张皓;;一种改进的基于坡度变化的机载激光雷达点云滤波方法[J];测绘科学;2008年S1期
16 刘厚通;李超;胡顺星;李国华;周军;;双折射器件对机载激光雷达偏振探测影响的研究[J];光子学报;2009年01期
17 王圣尧;刘圣伟;崔希民;郭大海;郑雄伟;鲁潇;;机载激光雷达航带平差实验研究——基于参数模型和地面控制点数据[J];国土资源遥感;2012年02期
18 熊立伟;镇姣;;基于区域增长的城区机载激光雷达数据的分类算法研究[J];科技信息;2012年27期
19 徐巍;陈帅;;机载激光雷达系统定位精度分析[J];测绘与空间地理信息;2014年07期
20 刘厚通;王珍珠;黄威;周军;;1/2波片对机载激光雷达偏振探测影响的研究[J];光学技术;2008年04期
中国重要会议论文全文数据库 前8条
1 王丽园;张霄;赵海军;梁诚;;机载激光雷达三维地表信息处理软件的设计与开发[A];中国公路学会计算机应用分会2010年学术年会论文集[C];2010年
2 陈楚江;王丽园;余绍淮;;基于机载激光雷达的公路勘察设计[A];中国公路学会计算机应用分会2010年学术年会论文集[C];2010年
3 高晋;杨国建;吴真;陆小艺;;机载激光雷达在超高压输电线路走廊管理中的应用[A];重庆市电机工程学会2010年学术会议论文集[C];2010年
4 胡育侠;阮友田;屈恒阔;张建;;机载激光雷达动态图像的姿态修正[A];2006年全国光电技术学术交流会会议文集(C 激光技术与应用专题)[C];2006年
5 窦延娟;潘文武;杨波;胡发洁;;机载激光雷达技术在原始森林度假村规划中的应用[A];第十届全国光电技术学术交流会论文集[C];2012年
6 刘正军;左志权;徐胜攀;;机载激光雷达数据处理方法研究及软件平台研发[A];第四届“测绘科学前沿技术论坛”论文精选[C];2012年
7 陈一峰;杨小丽;;机载激光雷达风切变探测研究[A];2007年光电探测与制导技术的发展与应用研讨会论文集[C];2007年
8 楼燕敏;徐攻博;周伟;;机载激光雷达测高试验及精度评价[A];华东六省一市测绘学会第十一次学术交流会论文集[C];2009年
中国博士学位论文全文数据库 前4条
1 曾齐红;机载激光雷达点云数据处理与建筑物三维重建[D];上海大学;2009年
2 周晓明;机载激光雷达点云数据滤波算法的研究与应用[D];解放军信息工程大学;2011年
3 赵峰;机载激光雷达数据和数码相机影像林木参数提取研究[D];中国林业科学研究院;2007年
4 陈涛;机载激光雷达技术在构造地貌定量化研究中的应用[D];中国地震局地质研究所;2014年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 殷飞;机载激光雷达数据滤波方法研究[D];西南交通大学;2010年
2 王国飞;机载激光雷达作业流程中的质量控制方法研究[D];山东科技大学;2009年
3 贾广帅;机载激光雷达数据特点和滤波方法研究[D];山东科技大学;2007年
4 马浩;机载激光雷达测量系统误差检校方法研究[D];山东科技大学;2011年
5 吴文升;基于小型无人直升机的机载激光雷达数字地形测绘系统与设计与实现[D];华南理工大学;2012年
6 李东;机载激光雷达三维成像技术研究[D];电子科技大学;2012年
7 李斯琼;机载激光雷达数据滤波与建筑物提取方法研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
8 庄加福;基于机载激光雷达的复杂场景车辆类目标检测[D];华中科技大学;2013年
9 毛金艳;机载激光雷达测量系统中传统安置角误差的检校及应用[D];西南交通大学;2012年
10 皮青山;机载激光雷达测量系统及点云数据快速处理技术[D];山东科技大学;2011年
中国重要报纸全文数据库 前3条
1 本报记者 李程 通讯员 高杰 徐俊科;以飞机的速度行进……[N];石油管道报;2011年
2 本报记者 甄俊华 特约记者 陈明宇;乘上飞机去选线[N];中国石油报;2011年
3 本报通讯员 徐大志;从阿凡达到数字化高铁[N];人民铁道;2010年
中国知网广告投放
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978