基于地面LIDAR玉樹地震地表破裂的三維建模分析.pdf

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1、第34卷第1期地震地質(zhì)Vo1．34．No．12012年3月SEISMOL0GYANDGE0L0GYMar．，2012doi：10．3969／j．issn．0253-4967．2012．01．005基于地面LIDAR玉樹地震地表破裂的三維建模分析袁小祥王曉青竇愛霞董彥芳王龍金鼎堅(jiān)(中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京100036)摘要2010年4月14Et的玉樹7．1地震造成沿甘孜一玉樹斷裂的一系列NW向地表破裂。利用TrimbleGX3D地面激光三維掃描儀獲取了玉樹地震斷裂sE段禪古寺附近的典型地震地表破裂的精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。在對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、分割、濾波等預(yù)處理基礎(chǔ)上

2、，分析了地震地表破裂不同表面建模方式的原理和方法，選取了無投影的不規(guī)則三角網(wǎng)建模方式對(duì)該處地表破裂進(jìn)行三維建模實(shí)驗(yàn)，結(jié)合精配準(zhǔn)高清晰現(xiàn)場(chǎng)紋理照片，制作了地震地表破裂的三維圖像；并從模型的多個(gè)角度選取剖面進(jìn)行地震地表破裂精細(xì)三維量測(cè)分析，得到該處地表破裂的平均垂直位移為74cm，水平位移為10cm。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析了玉樹地震斷裂的性質(zhì)及其破裂特點(diǎn)。關(guān)鍵詞玉樹地震地面三維激光掃描(LIDAR)地震地表破裂建模中圖分類號(hào)：P316文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0253—4967(2012)01-0039—08O引言2010年4月14日的玉樹7．1地震是中國繼2008年汶

3、川大地震后發(fā)生的又一個(gè)災(zāi)難性地震，導(dǎo)致了2200多人死亡或失蹤，12000多人受傷(郭華東等，2010)，給社會(huì)發(fā)展、人們的經(jīng)濟(jì)生活造成了巨大的損失。為了給地震救援和決策提供及時(shí)有效的信息，在中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所組織協(xié)調(diào)下，中國地震局地震應(yīng)急協(xié)調(diào)小組(EERS)于地震發(fā)生當(dāng)日迅速開展了玉樹地震遙感應(yīng)急工作，主要包括基于遙感技術(shù)的建筑物震害識(shí)別、快速損失評(píng)估、地震次生災(zāi)害判讀、地震地表破裂解譯等。震后眾多學(xué)者對(duì)此次地表破裂進(jìn)行了調(diào)查和研究，得到了不同的認(rèn)識(shí)(張軍龍等，2010；孫鑫哲等，2010)。由地震引起的地表變形、破裂等極易受到自然動(dòng)力及人類活動(dòng)的破壞，

4、加之高原地區(qū)地形復(fù)雜、條件惡劣，使用傳統(tǒng)的測(cè)量手段很難獲取全面真實(shí)的地表破裂信息。激光三維掃描技術(shù)(LIDAR)作為新型的遙感技術(shù)具有非接觸、高精度、快速等特點(diǎn)，能夠迅速有效地獲得并永久記錄地表破裂的三維信息，為進(jìn)一步定量分析提供全面客觀的科學(xué)數(shù)據(jù)。作者采用TrimbleGX3D地面激光三維掃描儀，采集了玉樹斷裂sE段禪古寺附近的典型地震地表破裂的精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)。本文主要介紹基于地面激光雷達(dá)三維掃描儀獲取的地震地表破裂點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過三維建模分析玉樹地震的地表破裂特點(diǎn)。(收稿日期]201l一05一O3收稿，2011—07—26改回。[基金項(xiàng)目]地震應(yīng)急遙感關(guān)鍵技術(shù)研

5、究(2009DFA21610)課題和2010年中國地震局玉樹地震現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)考察項(xiàng)目震害遙感比對(duì)專題共同資助。1期袁小祥等：基于地面LIDAR玉樹地震地表破裂的三維建模分析41信息的能力和數(shù)據(jù)分析處理的特點(diǎn)，建立利用地面激光三維掃描儀進(jìn)行地震地表破裂建模和分析的基本流程：通過野外實(shí)地測(cè)量獲取玉樹地震產(chǎn)生的同震地表破裂SE段典型破裂點(diǎn)的三維精細(xì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)去噪、配準(zhǔn)等預(yù)處理，在此基礎(chǔ)上利用Trimble的數(shù)據(jù)后處理軟件，選擇不規(guī)則的三角網(wǎng)建模方法建立地震地表破裂的三維模型；結(jié)合地物電磁輻射紋理信息(地物照片)，重建地表破裂的精細(xì)三維圖像，從而為地震地表破裂分布

6、及其運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析提供定量依據(jù)；最后，利用三維重建模型對(duì)地震地表破裂進(jìn)行分析，估計(jì)該處地表破裂的垂直和水平位錯(cuò)，并在此基礎(chǔ)上討論玉樹一甘孜斷裂的性質(zhì)及其在這次地震中的破裂特點(diǎn)。3玉樹地震地表破裂現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量本文選擇的玉樹地震地表破裂測(cè)量點(diǎn)位于玉樹縣城以南約6km的禪古寺附近，該測(cè)量點(diǎn)位于甘孜一玉樹斷裂的sE段，現(xiàn)場(chǎng)掃描點(diǎn)位置見圖1b。玉樹地震地表破裂帶在本測(cè)量點(diǎn)的走向?yàn)镹34。W，破裂面傾向SW。在進(jìn)行地表破裂三維激光掃描的同時(shí)，采用手持GPS儀獲取掃描點(diǎn)已知站點(diǎn)和后視點(diǎn)的地理坐標(biāo)，利用Nikon相機(jī)獲取地表破裂的表面紋理信息(高清照片)。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量過程中，掃描

7、精度和覆蓋范圍是需要注意的兩個(gè)主要問題。LIDAR是在特定系統(tǒng)中獲取物體表面多點(diǎn)的三維坐標(biāo)(，Y，)。因此，所獲取的點(diǎn)越多(即掃描密度越高)，越能表現(xiàn)地表破裂的細(xì)節(jié)，但由于所獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)呈指數(shù)增長，掃描以及后處理的時(shí)間也越長。因此，綜合考慮掃描儀的單點(diǎn)掃描精度、GPS的定位精度以及掃描的時(shí)問，設(shè)置光斑大小為8ram@25m大小進(jìn)行掃描。為了獲取相對(duì)全面的地表破裂測(cè)量數(shù)據(jù)，盡量減少由起伏地面阻擋形成的數(shù)據(jù)漏洞(datagap)，同時(shí)考慮到河流在測(cè)量點(diǎn)NW側(cè)經(jīng)過，選擇在測(cè)量點(diǎn)的SE、NE以及E側(cè)共架設(shè)3站來獲取破裂的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(圖1是SE邊一站)。4數(shù)據(jù)預(yù)處理激光雷

8、達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理步驟主