基于地面LIDAR玉树地震地表破裂的三维建模分析

袁小祥 王晓青 窦爱霞 董彦芳 王 龙 金鼎坚

(中国地震局地震预测研究所，北京 100036)

基于地面LIDAR玉树地震地表破裂的三维建模分析

袁小祥 王晓青 窦爱霞 董彦芳 王 龙 金鼎坚

(中国地震局地震预测研究所，北京 100036)

2010年4月14日的玉树MS7.1地震造成沿甘孜-玉树断裂的一系列NW向地表破裂。利用Trimble GX 3D地面激光三维扫描仪获取了玉树地震断裂SE段禅古寺附近的典型地震地表破裂的精细点云数据。在对点云数据进行校正、分割、滤波等预处理基础上，分析了地震地表破裂不同表面建模方式的原理和方法，选取了无投影的不规则三角网建模方式对该处地表破裂进行三维建模实验，结合精配准高清晰现场纹理照片，制作了地震地表破裂的三维图像;并从模型的多个角度选取剖面进行地震地表破裂精细三维量测分析，得到该处地表破裂的平均垂直位移为74cm，水平位移为10cm。在此基础上进一步分析了玉树地震断裂的性质及其破裂特点。

玉树地震 地面三维激光扫描(LIDAR) 地震地表破裂 建模

0 引言

2010年4月14日的玉树MS7.1地震是中国继2008年汶川大地震后发生的又一个灾难性地震，导致了2200多人死亡或失踪，12000多人受伤(郭华东等，2010)，给社会发展、人们的经济生活造成了巨大的损失。为了给地震救援和决策提供及时有效的信息，在中国地震局地震预测研究所组织协调下，中国地震局地震应急协调小组(EERS)于地震发生当日迅速开展了玉树地震遥感应急工作，主要包括基于遥感技术的建筑物震害识别、快速损失评估、地震次生灾害判读、地震地表破裂解译等。震后众多学者对此次地表破裂进行了调查和研究，得到了不同的认识(张军龙等，2010;孙鑫哲等，2010)。

由地震引起的地表变形、破裂等极易受到自然动力及人类活动的破坏，加之高原地区地形复杂、条件恶劣，使用传统的测量手段很难获取全面真实的地表破裂信息。激光三维扫描技术(LIDAR)作为新型的遥感技术具有非接触、高精度、快速等特点，能够迅速有效地获得并永久记录地表破裂的三维信息，为进一步定量分析提供全面客观的科学数据。作者采用Trimble GX 3D地面激光三维扫描仪，采集了玉树断裂SE段禅古寺附近的典型地震地表破裂的精细点云数据。本文主要介绍基于地面激光雷达三维扫描仪获取的地震地表破裂点云数据，通过三维建模分析玉树地震的地表破裂特点。

1 地面三维激光扫描仪及其应用

激光雷达(Light Detection and Ranging，LIDAR)，又称为激光扫描(Laser Scanning)，具有非接触、高精度、快速等特点。地面激光雷达是LIDAR系统中的一种，早期应用于文化遗产的3D虚拟现实(Beraldin et al.，2000)和工业的逆向工程中(Sequeira et al.，2003);随着雷达扫描系统和数据后处理技术的快速发展，地面激光雷达作为一种强有力的工具在各种研究领域得到广泛应用，如在地学领域被广泛应用于火山活动监测、地质及其灾害调查和活动构造调查等(Hunter et al.，2003;Bitelli et al.，2004;Abellán etal.，2006;Buckley etal.，2008;Baran etal.，2010;Wei et al.，2010)。

根据测量距离的远近，地面激光雷达系统可分为长距离、中距离和近距离(Schulz et al.，2004;Buckley et al.，2008)。测量精度通常与扫描距离有关，扫描距离越长，测量精度越低。对于中距离的激光扫描仪，其测量距离通常通过基于时间漂移(time-of-flight)的激光返回时间测量确定(Wehr et al.，1999)。本文使用的Trimble GX 3D激光扫描仪(图1a)是一款中等距离的扫描仪，其在距离和精度方面比较适中，最大扫描距离为350m，单点位置精度为12mm@100m，距离精度为7mm@100m，而且噪声更少(Jones et al.，2009)，完全适合本研究的需要。另外，该仪器扫描速度最高达5000点/s，为野外构造信息的快速获取提供了保证。

图1 扫描玉树地震地表破裂点位置分布图Fig.1 The scanned location of surface rupture caused by Yushu earthquake using Trimble GX 3D.

2 研究思路

本文的基本研究思路是，分析地面三维激光扫描仪获取测量目标高精度和高密度空间位置信息的能力和数据分析处理的特点，建立利用地面激光三维扫描仪进行地震地表破裂建模和分析的基本流程:通过野外实地测量获取玉树地震产生的同震地表破裂SE段典型破裂点的三维精细点云数据，并进行数据去噪、配准等预处理，在此基础上利用Trimble的数据后处理软件，选择不规则的三角网建模方法建立地震地表破裂的三维模型;结合地物电磁辐射纹理信息(地物照片)，重建地表破裂的精细三维图像，从而为地震地表破裂分布及其运动学和动力学分析提供定量依据;最后，利用三维重建模型对地震地表破裂进行分析，估计该处地表破裂的垂直和水平位错，并在此基础上讨论玉树-甘孜断裂的性质及其在这次地震中的破裂特点。

3 玉树地震地表破裂现场测量

本文选择的玉树地震地表破裂测量点位于玉树县城以南约6km的禅古寺附近，该测量点位于甘孜-玉树断裂的SE段，现场扫描点位置见图1b。玉树地震地表破裂带在本测量点的走向为N34°W，破裂面倾向SW。在进行地表破裂三维激光扫描的同时，采用手持GPS仪获取扫描点已知站点和后视点的地理坐标，利用Nikon相机获取地表破裂的表面纹理信息(高清照片)。

在现场测量过程中，扫描精度和覆盖范围是需要注意的两个主要问题。LIDAR是在特定系统中获取物体表面多点的三维坐标(x，y，z)。因此，所获取的点越多(即扫描密度越高)，越能表现地表破裂的细节，但由于所获取的点云数据呈指数增长，扫描以及后处理的时间也越长。因此，综合考虑扫描仪的单点扫描精度、GPS的定位精度以及扫描的时间，设置光斑大小为8mm@25m大小进行扫描。

为了获取相对全面的地表破裂测量数据，尽量减少由起伏地面阻挡形成的数据漏洞(data gap)，同时考虑到河流在测量点NW侧经过，选择在测量点的SE、NE以及E侧共架设3站来获取破裂的点云数据(图1是SE边一站)。

4 数据预处理

激光雷达点云数据的预处理步骤主要包括:点云匹配、噪声消除、分割、坐标变换、图像匹配。从不同站点扫描获得的点云需要进行正确的匹配，统一到一个坐标系中，以便对目标进行建模和定量化分析。通常采用以下2种匹配方法(Buckley et al.，2008;Jones et al.，2009):1)将扫描的同一个规则形状目标作为匹配的公共点坐标，将多站点的点云统一到特定的相对坐标系中;2)通过GPS提供各个扫描站点的精确地理坐标，从而使所有点云转换到固定的地理坐标系中，这种方法能获得所有点云的真实地理位置，便于后期与其他遥感数据进行协同分析。本文采用后一种方法，对于扫描过程中出现的点云不匹配主要基于Trimble的后处理软件Realworks Survey进行手动配准。

在配准基础上，采用基于地形的重采样和基于手工的点云选择进行植被、噪声等的消除。对处理的点云进行分割，以便对感兴趣的目标进行建模处理。同时，为了便于提取剖面线进行分析，需要对点云的坐标进行旋转，使得断裂的走向平行于x轴。最后对获取的高清晰纹理照片与点云进行配准，为三维模型提供纹理信息。

5 地震地表破裂的三维建模和分析

利用激光三维扫描仪获取的三维原始点云信息是不连续的，对地表破裂的显示不够直观。利用点云进行三维建模可解决这一问题。最常用的建模软件为AutoCAD。这种方法在工业上被广泛应用于逆向工程中以建立规则形状物体。但是地震所产生的地表破裂形状不太规则，难以手工操作。而三角网建模方法对于处理断裂线、构造线等具有高效、高精度等特点(谭仁春等，2006)。因此本文采用了不规则三角网方法建立地表破裂的三维模型。Realworks Survey Advanced软件提供了5种生成三角网的方法:基于平面投影的方法、基于圆柱体投影的方法、基于屏幕视角投影的方法、基于测站投影的方法以及无投影的方法。前4种投影适合于规则几何表面的建模。第5种方式适合非平面、不规则、复杂几何体的建模。因此，选用最后一个模式来重建地表破裂的三维模型(图2a，b)。再利用经过匹配的纹理信息(即照片)对建立的三维模型进行贴图，得到地震地表破裂的三维显示结果，较真实地再现了现场地表破裂的状况(图2c，d)。

图2 地震地表破裂的三维建模Fig.2 3D modelling of surface rupture caused by Yushu earthquake.

重建的三维模型有助于理解和定量或半定量地分析地表破裂的几何学、运动学和动力学特征，从而获得地震断裂的分布及其活动特征。如图2c所示，断层上盘A处地表形态相对较好，B处以及下盘D处(图2d)相对破碎。该处破裂的走向为N34°W(其展布如图3)，倾向SW。通过垂直于地表破裂带走向的多条剖面量测，得到地表破裂的垂直位移平均值为74cm，最大值为97.8cm(图4)，上盘显著上升。同时，通过对三维建模图上震前同一特征点在地震中错断的距离进行测量，测得其沿着断层走向的水平位错约为10cm。从地表破裂所反映的产状、错动方式和错动幅度(图2b，d)来看，此处地表破裂反映地震断层为左旋逆断层。

地表破裂的组合特征也反映了断层的上述活动性质。如图2c中，下盘产生的“人”字形挤压鼓包走向与断裂展布方向一致，高29cm，长约200cm，揭示了断裂的SW盘(上盘)向NE盘(下盘)的挤压运动。图2c之C处松软表层沉积物挤压抬升后失稳，受重力作用形成一系列的拉张裂隙，其空间展布如图3所示。由于断裂左旋剪切作用形成2条与断裂近于平行的裂隙(图3中L1、L2)，其中L1将L错断15cm左右。同时，下盘的南侧由于挤压及重力作用出现滑塌(图3d处)。图5是图4中剖面A处的精细点云的线性拟合，定量反映了地震断层逆冲过程中上盘向上抬升、断层附近挤压变形的特征。

图3 点云生成的地震地表破裂综合特征Fig.3 Synthesized characters of surface rupture interpreted using point clouds.

图4 地表破裂的垂直剖面分析Fig.4 Vertical profile analysis of surface rupture.

6 讨论与结论

本文展示了利用Trimble GX 3D地面激光三维扫描仪，定量记录玉树禅古寺附近的地震地表破裂，并进行建模分析的流程，利用三角网建模和纹理贴图等处理再现了地表破裂的野外场景，实现了该处地表破裂信息的永久保存，为其他科研人员进行进一步研究分析提供了可能。

图5 剖面点云所显示的地表垂直位错及变形Fig.5 Vertical displacement and distortion of ground surface displayed by point cloud profile.断层上盘表面由于遮挡作用，点云显示不连续特征

Trimble GX 3D扫描仪在扫描距离为100m时，位置分辨率为12mm，距离分辨率为7mm，建模精度为±2m。本文设置扫描位置和距离分辨率为8mm@25m，现场目测扫描地表破裂的最远距离在25m之内，因此实际获取的目标点云的精度理应优于8mm@25m。同时在数据获取时，前视和后视标靶之间的误差控制在1mm以内。因此认为，利用激光三维扫描仪得到的水平和垂直位移参数能达到cm级精度。

地面激光三维扫描技术改变了传统的地震断层的调查及分析方法。本文在三维建模以及精细点云的定量分析基础上分析了地震地表破裂的分布和产状、破裂错动方式和幅度等。并从理论上说明，可从任意角度观测地表破裂的特征与定量量测，可定量确定地震断层的几何要素、错动特征和动力作用特点。

定量研究确定了玉树地震地表断裂在禅古寺附近表现为左旋逆断层性质。这与孙鑫哲等(2010)调查的地表破裂中段甘达村西以及果庆益荣松多两处典型地表断裂所表现出来的右旋走滑为主而未见显著垂直运动的特征有所差别。可能是由于本文测量点接近玉树地震地表破裂的西南终止端，断裂SW盘向SE运动时受阻，水平运动分量减弱，垂直分量增大，使断层错动性质发生改变。由于禅古寺附近地表破裂存在显著的垂直运动分量，导致其附近的禅古寺和禅古村建筑物损坏严重。

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TERRESTRIAL LIDAR-BASED 3D MODELING ANALYSIS OF SURFACE RUPTURE CAUSED BY YUSHU EARTHUAKE

YUAN Xiao-xiang WANG Xiao-qing DOU Ai-xia DONG Yan-fang WANG Long JIN Ding-jian

(Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration，Beijing 100036，China)

Yushu MS7.1 earthquake，occurring on April14，2010，has caused a series of co-seismic surface ruptures.The surface deformation and ruptures caused by earthquake can easily be changed due to natural environment changes and from human activities.Moreover，the complex topography and severe natural environment in the Tibet Plateaumake it difficult to acquire original features of surface rupture wholly via traditional surveyingmethods.However，as a new type of remote sensing technique，due to its characteristics of non-touching，high-resolution，rapid acquisition，terrestrial LIDAR technique can obtain the 3D information of surface rupture quickly and effectively，and provide the comprehensive scientific data for the further quantitative analysis.This paper introduces the characteristic of terrestrial laser scanner-Trimble GX 3D，and based on which the finite point clouds of the typical co-seismic surface rupture located on the southeast segment of Ganzi-Yushu Fault zone near Changu Temple were acquired.Based on the point cloud data prepossessing of registration，segmentation，smoothing and so on，the different principles and methods for surfacemodelling of co-seismic surface rupture were analysed，and themodelling experimentwas conducted on surface rupture.After that，combining with the high resolution texture photos obtained on site，which had been preciselymatched with point cloud data，the surface rupture 3Dmodelwas created based on the non projectionmode.Also，the profiles from different perspectiveswere chosen tomeasure and analyse the displacement of the rupture exactly in the 3D view.The result shows that the average vertical displacement is about 74cm and the average left-lateral strike-slip displacement is about 10cm.Finally，the characteristics of Ganzi-Yushu Fault and characteristic of its rupture were analyzed and discussed.

Yushu earthquake，terrestrial LIDAR，surface rupture，3D modelling

P316

A

0253-4967(2012)01-0039-08

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.01.005

2011-05-03收稿，2011-07-26改回。

地震应急遥感关键技术研究(2009DFA21610)课题和2010年中国地震局玉树地震现场科学考察项目震害遥感比对专题共同资助。

袁小祥，男，1983年出生，2006年毕业于西北农林科技大学地理信息系统专业，现为中国地震局地震预测研究所在读硕士研究生，主要从事遥感与GIS在地震中的应用研究，E-mail:yuan--xiaoxiang@163.com。