基于機載LiDAR數(shù)據(jù)的斷裂構(gòu)造識別

馬慧慧,曾春偉

(1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454003；2.河南理工大學 礦山空間信息技術(shù)國家測繪局重點實驗室，河南 焦作 454003)

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基于機載LiDAR數(shù)據(jù)的斷裂構(gòu)造識別

馬慧慧1,2,曾春偉1,2

(1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454003；2.河南理工大學 礦山空間信息技術(shù)國家測繪局重點實驗室，河南 焦作 454003)

摘要：斷裂構(gòu)造解譯為探測礦藏及其分布提供指引，同時也可以反演相關(guān)的地震活動。針對斷裂構(gòu)造實地調(diào)查效率低下的缺點，由獲取的機載LiDAR點云數(shù)據(jù)構(gòu)建DEM，使用DEM暈渲和DEM定向濾波結(jié)合的方法研究斷裂構(gòu)造的解譯標志和規(guī)程，最后通過人機交互解譯斷裂構(gòu)造。經(jīng)與獲取的地質(zhì)資料對比，證明其正確性。試驗表明：以機載LiDAR技術(shù)為支持，人機交互解譯斷裂構(gòu)造是可行的、高效的。

關(guān)鍵詞：機載LiDAR；DEM；斷裂構(gòu)造

斷裂構(gòu)造是巖石受地應力作用的產(chǎn)物，也是地殼中各種異常(不連續(xù)、突變帶)的交匯處[1-3]，所以，斷裂構(gòu)造處容易引發(fā)地震。同時，由于經(jīng)受各種理化甚至生物作用，斷裂構(gòu)造是控制礦產(chǎn)分布的主要構(gòu)造之一，這些區(qū)域常常是成礦溶液上升、運移的通道和儲礦、儲水(地下水)、儲油(石油)的場所[4]。故而，斷裂構(gòu)造解譯成為地質(zhì)調(diào)查的重要內(nèi)容。

LiDAR技術(shù)是近年來迅速發(fā)展并應用的一種三維掃描觀測手段。由于激光可以透過植被縫隙到達地表，機載LiDAR系統(tǒng)能夠快速地實現(xiàn)對地表地貌形態(tài)的精確采集[5-6]。這些數(shù)據(jù)可以在適當?shù)某叨?m)和精度(dm)上展現(xiàn)斷層活動在地表留下的痕跡[7]。國內(nèi)機載LiDAR技術(shù)在斷裂構(gòu)造研究中的應用也已展開。2011年，劉靜等[8]對1920年海原M8.5級地震破裂帶中的120 km進行了機載LiDAR測量，這是國內(nèi)機載LiDAR技術(shù)在活動構(gòu)造研究中的首次應用。劉耀輝等[9]利用GPS數(shù)據(jù)結(jié)合地質(zhì)及地球物理成果對紅河斷裂帶進行反演，利用GPS速度場觀測數(shù)據(jù)和塊體模型研究小江斷裂帶地殼運動特征及地震危險性[10]。本文將以在某礦區(qū)獲取的LiDAR數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合地質(zhì)鉆井資料，討論斷裂構(gòu)造識別的標志與流程。

1機載LiDAR點云獲取與DEM生成

1.1試驗區(qū)簡介

豫北鶴壁某礦及周邊區(qū)(見圖1)屬于太行山東麓和華北平原的過渡地帶，且因處于暖溫帶季風氣候區(qū)，其地貌類型復雜。地質(zhì)資料顯示，豫北地區(qū)屬太行山山前斷裂帶，這是一條長期活動的斷裂帶。其斷陷盆地由磁縣斷裂、湯西斷裂、湯東斷裂3條主要斷裂所控制，且多有交錯隱伏次斷裂。該區(qū)域內(nèi)主斷裂走向北北東或北東。

圖1　試驗區(qū)位置

1.2機載LiDAR點云獲取

機載飛行平臺集成GPS、IMU/INS、激光測距以及光學成像系統(tǒng)(有的還搭載數(shù)據(jù)預處理模塊，用于數(shù)據(jù)解算與轉(zhuǎn)換)，按照設(shè)定的地理間隔，無縫往復飛行采集目標區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)。點云平均落點密度0.62個/m2。初始點云高程著色如圖2所示。

圖2　初始點云高程著色

1.3點云濾波與DEM構(gòu)建

先對獲取的機載LiDAR點云數(shù)據(jù)進行航帶拼接，解算點云坐標后，濾波去除噪聲(以地面點為信號，則其他為噪聲)。之后，作插值運算，構(gòu)建高精度DEM。機載LiDAR點云的濾波原理可以分為兩類[11-13]：第一類是基于高程突變；第二類是基于激光腳點的回波強度信息。當前，基于高程突變的濾波原理應用最為廣泛，主要包括基于坡度的濾波算法、基于數(shù)學形態(tài)學的濾波算法、基于三角網(wǎng)的濾波算法和基于移動窗口的濾波算法等幾類。具體要首先濾除粗差點。因這些點在幾何關(guān)系上與地面點呈明顯孤立狀，所以，直接設(shè)置閾值上下限對它們進行濾除。在掃描區(qū)域內(nèi)地勢較為平坦，不會出現(xiàn)劇烈起伏的前提下，過濾掉不屬于真實場景(指地面和地物)的異常點云后，再將真實的地面點和地物點進行分離，即可獲得地面點點云數(shù)據(jù)。本文由機載LiDAR點云數(shù)據(jù)濾波到構(gòu)建DEM，最終完成斷裂構(gòu)造解譯的技術(shù)流程，如圖3所示。

圖3　機載LiDAR數(shù)據(jù)斷裂構(gòu)造解譯流程

本文采用基于不規(guī)則三角網(wǎng)的濾波算法對點云進行濾波處理，其原理是：選取一定數(shù)量地面點組成初始稀疏三角面網(wǎng)，以此為基礎(chǔ)，對三角網(wǎng)外各點進行判定，如果待判點到此前構(gòu)建的三角面的距離及角度小于設(shè)定的閾值，則判定該點位為地面點，以此充實加密三角網(wǎng)。然后，以最新的三角網(wǎng)重新計算判定非地面點，再次充實加密三角網(wǎng)，迭代至無新增地面點或者滿足設(shè)置條件為止。

三角網(wǎng)點位判定示意圖如圖4所示。

圖4　三角網(wǎng)點T判定

對濾波后的點云作張力樣條插值運算，生成0.5 m格網(wǎng)的DEM，如圖5所示。

圖5　試驗區(qū)DEM

需要指出的是，DEM的精度取決于點云的點位精度、密度和分布情況，任何內(nèi)插算法都只是在已知初始數(shù)據(jù)的情況下預測未知高程。內(nèi)插效果與地形相關(guān)性很大。

關(guān)于DEM對地形描述精度的問題，這里不做過多的討論，本文尋求在一定的空間尺度(夠用)上解譯試驗區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造及其分布。

2DEM暈渲

2.1DEM暈渲

DEM暈渲是突出DEM地形表達效果的一種方式，它通過設(shè)置光源的高度角和方位角、著色渲染來展示目標地區(qū)的地形。此方法可以較好地反映地形地勢的變化，有助于識別地形突變及斷裂構(gòu)造處。在Global mapper中實現(xiàn)常用的幾種暈渲，如圖6所示。

HSV即色調(diào)、飽和度、亮度(灰度)，它是一個描述色彩的顏色模型。2013年肖雄武等構(gòu)造了一組由高程、反射光強到 HSV 色彩空間分量的映射模型，暈渲效果較好。

通過這些暈渲與增強，可以將真實地面的微地形及其幾何關(guān)系形象地表達出來，比如它可以尋找斷層三角面的位置(見圖7)，為尋找活動斷層提供依據(jù)。

(a)DEM的全局暈渲

(b)DEM的漸變色暈渲

(c)DEM的梯度暈渲

(d)DEM的HSV暈渲圖6　常用的暈渲

圖7　尋找斷層三角面

2.2DEM定向濾波及暈渲

方向濾波是空間域濾波的一種。為了增強具有方向性的邊緣和線條，使細節(jié)突出，選取方向模板算子對DEM柵格圖進行銳化處理。一般地，3×3濾波模板F(i,j)作用下，中心像元灰度Gray(x,y)可表示為

Gray(y+i-1,x+j-1).

(1)

在ENVI中，本文嘗試了4個傾斜方向上的定向濾波，經(jīng)比較，45°方向定向濾波最有利于試驗區(qū)斷裂構(gòu)造解譯，這與斷裂走向具有較高的契合度。本文所用濾波算子參數(shù)可由如下矩陣表示。

(2)

對試驗區(qū)DEM進行45°定向濾波后的DEM及其全局暈渲如圖8、圖9所示。

圖8　試驗區(qū)DEM45°定向濾波所得DEM

圖9　45°定向濾波后DEM全局暈渲

3DEM斷裂構(gòu)造解譯

3.1DEM斷裂構(gòu)造解譯標志

在斷裂展布處往往存在微型地貌呈線狀或幾何正相關(guān)排列的地形，如呈線狀排列的深切溝谷、陡坎、串列的埡口洼地及線性隆起的邊緣等。雖然線性構(gòu)造未必都是斷裂構(gòu)造，但自然發(fā)育的線性構(gòu)造往往都是斷裂構(gòu)造展布的直接或間接標志。

坡度及梯度方面，一般來說，斷裂構(gòu)造的活動時代越新，斷層陡坎的坡度越陡；反之，坡度越趨平緩，沒有明顯的梯度特征。而經(jīng)過沉積作用后，這種判別效果會減弱。另外，可直接由斷層三角面解譯斷裂構(gòu)造及其展布情況。

3.2人機交互解譯

在僅僅依靠DEM的情形下，地形的起伏是進行斷裂構(gòu)造解譯的前提[14]。根據(jù)本文所列舉的斷裂構(gòu)造解譯標志(還可以結(jié)合機載LiDAR系統(tǒng)獲取的高分影像數(shù)據(jù))，尋找能夠由上述標志所解釋的地形地貌單元。繪制試驗區(qū)斷裂構(gòu)造解譯圖,如圖10所示。

(a)試驗區(qū)

(b)圖例圖10　試驗區(qū)斷裂構(gòu)造解譯

4結(jié)束語

本文以機載LiDAR點云數(shù)據(jù)為依據(jù)，經(jīng)過點云濾波，內(nèi)插采樣生成0.5 m格網(wǎng)的DEM、DEM增強(暈渲、定向濾波等)，獲取到有利于識別斷裂構(gòu)造標志和走向的地形地貌數(shù)據(jù)，并進行了斷裂構(gòu)造及其展布的解譯。最終解譯出試驗區(qū)內(nèi)數(shù)條地表形態(tài)較為突出的斷層線，其位置、走向和長度與獲取的地質(zhì)鉆井資料有較高的契合度。本文初步建立了基于機載LiDAR點云數(shù)據(jù)構(gòu)建DEM，并以構(gòu)建的DEM進行斷裂構(gòu)造解譯的標志和規(guī)程，為后續(xù)基于機載LiDAR技術(shù)研究斷裂構(gòu)造的地表展布特征與規(guī)律提供參考，也為精密工程勘察與選址提供相關(guān)數(shù)據(jù)。

參考文獻

[1]孫文鵬,方茂龍,蔡文伯，等.斷裂構(gòu)造的有序性及斷裂研究的三個階段[J].地質(zhì)論評,2000(S1):305-311.

[2]徐世潮.多源遙感圖像提取斷裂構(gòu)造的方法研究[D].西安：西北大學,2015.

[3]彭丹青，李京，陳云浩，等.基于先進對地觀測衛(wèi)星遙感影像的斷裂識別——以江西德興為例[J].自然災害學報,2008,17(6): 124-128.

[4]陳國珖.中國冶金百科全書·采礦[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1999：107-108.

[5]覃昕垚，張建軍，王勇，等.機載LiDAR定位精度分析[J].測繪工程,2016,25(5)：32-35.

[6]盧遙，盧小平，武永斌，等.綜合機載LiDAR與高分影像的煤礦區(qū)典型地物提取方法[J].測繪通報，2015(12): 57-59.

[7]魏占玉,何宏林,高偉，等.基于LiDAR數(shù)據(jù)開展活動斷層填圖的實驗研究——以新疆獨山子背斜-逆沖斷裂帶為例[J].地震地質(zhì),2014,36(3):794-813.

[8]劉靜,陳濤,張培震,等.機載激光雷達掃描揭示海原斷裂帶微地貌的精細結(jié)構(gòu)[J].科學通報,2013(1):41-45.

[9]劉耀輝,李金平,王劉偉.紅河斷裂帶閉鎖程度和滑動虧損分布特征研究[J].測繪工程,2015,24(8):20-22.

[10] 劉耀輝,李金平,王劉偉.小江斷裂帶地殼運動特征及地震危險性研究[J].測繪工程,2015,24(7):58-60.

[11] 陳潔.機載LiDAR技術(shù)在斷裂構(gòu)造解譯中的應用研究[D].北京：中國地質(zhì)大學,2013.

[12] 董保根，梁世波，李慎芳，等.淺析機載LiDAR點云的濾波與分類[J].遙感信息,2015,30(6): 67-70.

[13] 谷延超，范喆宇，范東明，等.基于不同濾波算法差異的機載LiDAR數(shù)據(jù)橋梁提取[J].測繪工程，2014,23(11): 67-70.

[14] KONDO H,TODA S,OKUMURA K,et al.A fault scarp in an urban area identified by LiDAR survey: A Case study on the Itoigawa-Shizuoka Tectonic Line,central Japan[J].Geomorphology,2008,101(4):731-739.

[責任編輯：郝麗英]

The identification of fault structure based on airborne LiDAR data

MA Huihui1,2,ZENG Chunwei1,2

(1.School of Surveying and Land Informationengineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;2.Key Laboratory of Mine Spatial Information Technologies,State Bureau of Surveying & Mapping,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China)

Abstract：Interpretation of fault structure provides guidelines for locating mineral deposits and their distribution,meanwhile,it is related to the interpretation of seismic activity.Aiming at the low efficiency of fault structure,the paper generates the DEM based on airborne LiDAR point cloud data,then,the method of combining DEM hill shading and DEM directional filtering is given to study the interpretation symbols and rules of the fault structure.Thereafter,this paper interprets a fault structure through human-computer interaction.Compared with the available geological information,it proves correct.The test shows that,with the support of the airborne LiDAR technology,it is feasible and efficient to interpret the fault structure using the method of human-computer interaction.

Key words：airborne LiDAR; DEM; fault structure

DOI:10.19352/j.cnki.issn1671-4679.2016.03.001

收稿日期：2016-03-11

基金項目：國家自然科學基金資助項目(U1304402)；河南理工大學博士基金資助項目(B2009-80)

作者簡介：馬慧慧(1990-)，女，碩士研究生,研究方向：遙感原理及應用.

中圖分類號：P542

文獻標識碼：A

文章編號：1671-4679(2016)03-0001-05