LiDAR技术在地质环境中的主要应用与展望

马晓雪; 吴中海; 李家存

LiDAR技术在地质环境中的主要应用与展望

马晓雪^{1, 2, 3,},
吴中海^2, ,,
李家存^{1, 3}

1.
首都师范大学资源环境与旅游学院, 北京 100048
2.
中国地质科学院地质力学研究所, 北京 100081
3.
资源环境与地理信息系统北京市重点实验室, 北京 100048

基金项目:

中国地质调查局地质调查项目 1212011120163

中国地质调查局地质调查项目 12120114002101

国家自然科学基金项目 41171009

中国地质科学院地质力学研究所基本科研业务费项目 DZLXJK201410

详细信息

作者简介:
马晓雪(1991-), 女, 硕士研究生, 主要从事3S技术与地学应用研究。E-mail:534611080@qq.com

通讯作者:
吴中海(1974-), 男, 博士, 研究员, 主要从事第四纪地质和活动构造研究。E-mail:wzhh4488@sina.com

中图分类号: P627
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出版历程
- 收稿日期: 2015-07-30
- 刊出日期: 2016-03-01

LiDAR TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION AND PROSPECT IN GEOLOGICAL ENVIRONMENT

MA Xiao-xue^{1, 2, 3
,},
WU Zhong-hai^{2
, ,},
LI Jia-cun^{1, 3}

1.
College of Resource Environment and Tourism, Capital Normal University, Beijing 100048, China
2.
Institute of Geomechanics, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100081, China
3.
Key Laboratory of 3-Dimensional Information Acquisition and Application, Ministry of Education, Beijing 100048, China

摘要

摘要: 介绍了LiDAR激光探测与测距系统的组成和基本原理, 并对LiDAR技术在地质灾害、活动断裂、冰川及海岸线测绘等地质环境领域的国内外应用现状与进展进行了系统分析和总结, 对该技术的应用前景进行了展望。LiDAR系统集激光、GPS和惯性导航系统(Inertial Navigation System, INS)三种技术于一身, 能够快速、精确地获取地面目标的三维空间信息, 是继GPS空间定位系统之后又一项测绘技术新突破。LiDAR作为一种新型的遥感测量技术未来在自动、快速提取滑坡体、自动提取与断裂相关的微地貌结构信息、海岸带附近精细地物分类、海岸带调查以及潮间带生物多样性研究等方面具有很大的发展空间。
- LiDAR /
- 地质环境 /
- 滑坡灾害监测 /
- 活动断裂 /
- 冰川及海岸线测绘
Abstract: Based on the composition and fundamental of LiDAR, we summarize its application status and progress in the field of geology, such as geological disasters, active faults, glaciers and coastline mapping, and prospect its application in the future. LiDAR system includes three technologies: laser, GPS and inertial navigation systems, which make a breakthrough in spatial mapping technology following GPS, it obtains three-dimensional information on ground targets quickly and accurately. As a new remote sensing technology, LiDAR will have great development in automatically extracting the landslides and the micro geomorphology structure information of faults. In addition, LiDAR will be widely used in terrain classification, coastal zone investigation and the study on biological diversity in intertidal coastal zone in the future.
- LiDAR /
- geological environment /
- monitoring of landslide hazard /
- active faults /
- glacier and coastline mapping

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0.   引言

当代信息革命标志着莫尔时代的结束, 载体革命时代的开始。即最大限度的缩减物质能量载体, 从而最大限度萃取信息密度^[1]^①。在此浪潮推动下造就了以纳米科学为代表的前沿科学领域, 研究更微观、更坚韧、更节能的新课题。它与地质科学研究的对象和内涵关系密切, 只是还没有引起足够的认识和重视。

① 闵乃本, 近代科学面临的挑战和机遇, 南京大学学术报告, 2006.04.05 (记录稿)

何谓纳米粒子(nano-sized particle)?科学的定义是从固体物理深入到元素化学学科, 有着四层意思, 即个体极小(≤100nm, 是一米的10亿分之一)、大小均一、功能繁多、多元物质^[2]。鉴于纳米粒子尺度结构嵌入固体内部后, 会导致晶体粒子间相互作用, 产生高效物理效应和化学行为, 形成特殊势能, 进而出现高能带或高能带结构, 故早在上世纪前半叶此种现象刚被发现就引起自然科学各学科的广泛关注。自1977年召开的国际微观范畴工程的国际年度会议(International Conference on Microcircuit Engineering)就专门增设纳米科学讨论专题, 至1994年则改为微观和纳米工程国际会议(International Conference on Micro- and NanoEngineering), 一直延续至今^[2]。地质学最早由Hemenway等发现了nm级陨石(5 ~ 40nm宇宙尘)^[3], 嗣后, 相继在矿床和火山喷发物质中发现纳米级金属颗粒, 特别是纳米级金颗粒发现的较多^{[4, 5]}, 纳米颗粒的赋存状态都是零星分布。同构造地质学和地质力学学科相关的纳米级超微现象的发现, 多限于断裂带断层泥中纳米级颗粒的观察实验。有关的报道还是较多的^[6~9], 只是描叙纳米颗粒的赋存状态还是分散的, 本文所观察厘定岩石中的纳米粒子则是成层成型的。

1.   研究方法

1.1   取样制样

鉴于岩石纳米层样品采集多在剪切滑移面的表层, 尤其脆性破裂面的表层, 即所谓动力薄壳, 厚度薄、质地硬。需用凿具刻凿, 刀具刻刮, 再用软纸或棉花包好。取样时, 标本定向, 确定组构(a, b, c轴)。制样时在放大镜下清洁风干, 底面打磨平整。

1.2   电镜观测

用扫描电镜(型号:LEO-1530VP)观测, 并和X射线能谱仪(型号:OXFORDINCA300)同步测量。主要观察样的ab组构面(或ac面)。用南京大学物理系的真空镀膜仪镀金膜, 电压6KeV, 电流300μA, 流量1.2Å/sec, 一般镀20nm厚, 可视样品而异。

1.3   模拟实验

用贵阳地化所活塞式高温高压三轴岩石力学实验机(型号:Changjiang500)模拟实验。温度可达1000 ℃, 轴压2500MPa, 围压1000MPa。

2.   观察厘定

2.1   发现经过

作者于1988年美国加州Berkekey大学地质地球物理系王其允(Wang Chiyuen)教授主持的美国国家自然科学基金项目, 由San Andres断裂带中构造裂隙的发育确定现代构造应力场。在对其样品花岗质糜棱岩中超微滑移叶片扫描电镜(SEM, 型号:HITACHI, S-415A)观测时, 发现密集的超微球粒结构层, 厚度190 ~ 210nm, 球粒直径一般2 ~ 5nm, 大者7 ~ 10nm。认为此仅是个别现象, 论述上只称作超微颗粒(ultra-micron particle)^[10]。

2.2   叠次出现

自上世纪90年代起, 通过扫描电镜在国内外诸多地区于沉积岩、岩浆岩和变质岩三大岩类破裂结构面中, 均观测到纳米粒子层^{[11, 12]}。采样地点遍及陕西长庆(井下)、山东济阳(井下)、南黄海(井下)、江苏宁镇山脉、四川广安、湖北京山、江西星子、宜春武功山、安徽郯庐断裂带、日本长野大鹿中央构造线等, 拍摄电镜显微数码照500张(次)。这些破裂的结构面包括:扭性断裂面, 剪切节理面, 破劈理面, 顺层滑动面, 以及形成后期(或期后)顺其剪切滑动的千枚理面、片理面、片麻理面、糜棱面理面等多种面理面上。只是由于变动强弱、岩石强度和边界条件不同, 发育程度不同而已, 会分段彰显, 或见微米级。然总体上纳米粒子叠次出现具有一定的普遍性。特别是变质岩(包括动力变质岩), 由于面理异常发育, 就是从岩石学本身的角度讲, 纳米粒子的展布也是相当广泛的。

2.3   圆度球度

上述观察地点在山东济阳古近系沙河街组(Es)页岩层的顺层(微切层)劈理滑动面上, 表面光滑, 擦线细密。扫描电镜下, 页岩本身为细碎屑结构, 泥质矿物0.8 ~ 1.2μm(图 1a)。剪切滑移表面由低倍转高倍镜逐步深入观测, 可见直径一般为50 ~ 70nm的粒子, 大小均一、分选良好, 圆度(圆化程度)球度(球形程度)较佳, 且排列紧密, 层层叠叠, 甚为别致(图 1b)。同时有纳米线发育连成的吕德尔(Lüder)线。

1a 页岩的细碎屑结构

1a. Fine clastic texture in shale

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1b 密集展布的纳米粒子(ab面)和X型构造(箭头示)(Photo No.4567)

1b. Closely spaced nano-sized particles (ab plane)and X-type structure (shown by an arrow)

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3.   成层成型

3.1   颗粒变异

颗粒变异或成异化(alienation/isomerization), 系指颗粒在剪切运动过程中的形体和体积发生变化, 不仅个体(single)被压扁、拉长和改形, 且会聚集成团, 结成复体(compound)。例如, 采自南京幕府山铁石岗下二叠统孤峰组(P_{1_g})硅质页岩顺层滑动层(产状N45°E/NW ∠74°)表层样品, 电镜下可见单体纳米颗粒直径75 ~ 85nm略显不规则状, 所集结成的复体颗粒, 小者100 ~ 120nm, 个别大者可达800nm, 且圆度球度极佳(图 2)。

图 2 个体纳米颗粒集结成复体颗粒(ab面)(Photo No.550)

Figure 2. Compound particles formed by clustering of single nano-sized ones (ab fabric plane)(Photo No.550)

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3.2   层状结构

由于褶皱作用的弯曲滑移(flexural-slip), 断裂作用的平行层的滑移(Layer-parallel slip)^[13]。实质上, 在构造变动中层滑(Layer-slip)作用是极为普遍的。岩石中的纳米颗粒构成纳米线, 再形成纳米层。在层滑作用下层状结构明显, ac组构面上尤为清晰。例如, 采自南京幕府山铁石岗上泥盆统五通组(D_3W)砂岩逆断层(产状N54°E/NW ∠46°)表层样品, 电镜下可见变异的纳米颗粒(直径85 ~ 95nm)叠覆展布, 层次分明, 每层390 ~ 410nm (图 3)。

图 3 密集纳米颗粒成层状结构(ac面)(Photo No.2950)

Figure 3. Layered texture with close-spaced nano-sized particles (ab fabric plane)

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3.3   成型构造

不论宏观、微观或超微观构造, 它们成群发生的构造形迹, 在其力学属性、运动方式、应力应变和成因机制上具有同一性, 有着发生联系的结构要素可形成一定的构造型式。图 1b 所示的X形纳米线, 当是棋盘格式构造在纳米级超微观域的显示。值得提出的是, 其剪切共轭角中的钝角恰为110°, 只是此样品电镜下难以确定最大主压应力方向, 对于这个当代构造地质学研究的热点问题, 尚需注意深入观测^{[14, 15]}。在江西武功山中生代变质核杂岩中的片麻状花岗质糜棱岩的透入性面理上, 电镜下见到斜列云母鱼呈多字型构造, 所组成的S-C面理呈入字型构造^①。类似一些成型构造在岩石高温高压形成的剪裂隙表层也能观察到。诸如, 采自江西星子县东牯山中生代细粒花岗岩, 制成规范样品(17mm ×17mm ×40mm), 在轴压960MPa、围压80MPa和室温下加压15分钟, 于剪裂隙表面取样电镜观察, 可见部分异化的纳米颗粒一般50 ~ 60nm, 由其组成的纳米层已破碎成大小碎片, 并相互叠置。其中有两处组成的多条纳米线, 形似帚状构造(图 4a, 图 4b), 疑为碎片旋转所致。纳米层碎片转动现象, 在安徽肥东郯庐断裂带南段取的样品中较为常见^②。

① 刘浩, 孙岩, 舒良树, 等.华南武功山地区韧性剪切带纳米尺度量测研究, 2007 (送审稿)

② Sun Yan, Lu Xiancai, Liu Deliang et al., Characteristics of Nano-sized Grinding Grains in the Southern Tan-Lu Fault Zone, Eastern China, 2007 (rough draft)

4a 纳米线组成的似帚状构造(ab面)(Photo 4583)

4a. Broom-like structure composed by nano-sized lines (ab fabric plane)

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4b 图 4a (左边)局部放大(ab面)(Photo 4585)

4b. Partial magnification (left side)of Fig. 4a (ab fabric plane)

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4.   成因探讨

由于有关岩石中纳米粒子层的厘定尚未有参照系可供借鉴, 资料积累和研究程度有待提高, 就其成因的探讨也更显肤浅, 故意见分歧, 莫衷一是, 在所难免。我们将资料详细提供有关纳米研究专家, 他们有两种不同的观点:一种可谓剪切摩擦说; 一种可谓高温冷凝说。

4.1   剪切摩擦说

地质上的剪切摩擦同材料的机械摩擦一样, 是远离平衡态的, 力本身就起到一种催化剂的作用, 材料表面的熵值增加, 在摩擦力作用下破损物变成细小微粒, 形成一种纳米涂层(戴振东, 2004)^①。

① 与戴振东教授(南京航空航天大学仿生技术研究所)于2004年7月8日答疑讨论记录稿

4.2   高温冷凝说

岩石中的纳米离子层同物理学上所论述的纳米粒子典型的产生方式一样, 由于SiO₂的熔点相对较低, 高温下物质蒸发而后冷凝。相同条件下圆球体最小, 表面张力下, 形成圆球形纳米颗粒(都有为, 2004)^②。

② 与都有为院士(南京大学物理系)于2004年6月21日, 7月25日答疑讨论记录稿

作者倾向第一种剪切摩擦成因观点^{[16, 17]}。岩石中剪切纳米层实质是滑移摩擦粘性转换带(frictional-viscous transition zone)^[18], 是一种有序的耗散结构(dissipative structure)^[19]。诚然, 对这两种观点都需要深入研究, 反复实验。虽然我们测的摩擦带浅色应力矿物形成温度(均一法包裹体测温)大都在200 ~ 300 ℃, 可是瞬时高温的形成尚待测验。特别对一些纳米粒子出现镶嵌结构的现象, 需深入进行成因探讨。

5.   地质意义

李四光先生早就指出:“ ……与结构面接近部分岩矿颗粒的形变特征。这一方面的工作, 肯定是很有前途的。”^[20]。若这种颗粒达到纳米级尺度, 那它的力学、物理和化学效应将是多种的、新奇的^[21], 尚待开发。

5.1   理论方面

自1988年发现岩石剪切面纳米粒子层十多年来, 在国内外又叠次见到方撰文诠释阐述^{[11, 12, 16, 17]}。仅从纳米粒子层作为弹粘性滚动滑移这种特性来说, 对原构造地质学有关剪切作用、构造变形、韧性断裂、流变构造等的形成机制就需重新认识, 提出新的理念, 建立新的范式, 开拓新的研讨领域。涉及到显微构造学中的粒间滑移、粒内滑移, 尤其位错滑移与纳米粒子滑移关系的一些基础理论问题就更值得探讨了。

5.2   实践方面

涉及的面较广, 就石油地质和地震地质, 长庆油田、胜利油田等都在盖层中发现了广布的纳米粒子层^[21]。华南碳酸盐岩地区的油气勘探40年至今未获工业油气流, 其实关键是油气保存和封盖。是该开拓新思路、考虑新理念了。

2007年11月, 日本静冈大学林爱民教授告知^③, 对日本神户大地震和台湾集集大地震发震构造的研究, 其发震断裂的起始宽度可以只有几毫米(曾提出只有几厘米)^{[22, 23]}, 认为疑似一个剪切纳米滑移薄层带, 拟制样观测验证。无疑, 有关方面的研究国内外都刚刚艰难起步, 还有很长的路要走。

③ 林爱民(Aiming Lin), Dept of Geosciences, Shizuoka University, Shizuoka, 422~529, Japan

图 1 机载LiDAR系统^[2]

Figure 1. Airborne LiDAR system

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图 2 机载LiDAR的基本原理

Figure 2. Basic principle of airborne LiDAR

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图 3 基于Leica ALS50Ⅱ机载激光雷达获取的都江堰—汶川公路高分辨率DEM立体影像的滑坡解译结果^[6]

Figure 3. Results of the landslide interpretation of high resolution DEM stereo images obtained from the airborne LiDAR based on ALS50Ⅱ Leica airborne LiDAR

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图 4 海原断裂微地貌形态和断层几何的高清晰度三维再现^[13]

Figure 4. High resolution three-dimensional reconstruction of the Haiyuan fault and the fault geometry of the micro topography

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图 5 富蕴地震地表破裂带及走滑位移分布图^[15]

Figure 5. The 1931 Fuyun earthquake surface rupture zone and distribution of cumulative slips

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图 6 Taylor Rock及Andrews冰川LiDAR DEM与USGS DEM的比较^[19]

Figure 6. Curvature comparisons for LiDAR and USGS DEM sources for Taylor Rock Glacier and Andrews Glacier

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图 7 基于机载LiDAR数据的自然岸线提取结果及推算岸线与“908专项”航空遥感海岸线叠加效果图^[23]

Figure 7. Natural coastline extracted based on airborne LiDAR data and estimated coastlines overlying with "908 coastline"

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表 1 四种LiDAR系统的比较

Table 1. Comparison of four LiDAR systems

LiDAR类型	搭载平台	常见LiDAR系统	应用领域	优势	空间分辨率
地面	地面固定站点	Leica公司的Cyrax； Optech公司的ILRIS-3D； RIEGL公司的各种产品	林业调查；基础测绘；文化遗产保护；“数字城市”建设；工程测量；地质地貌调查监测	快速获取小型的零件、商品，到文物、雕塑，再到大型的建筑、街道城市的三维信息	cm或mm级
车载	汽车	3D Laser Mapping系统； Street Mapper系统	农田三维地形测量；铁路复测；区域边界层污染监测	主要对地物的侧面进行激光扫描	平面精度和垂直精度均10 cm以下
机载	飞机或直升机	LeicaALS系列；Optech的ALTM系列；Falcon系列；LitterMaper系列	带状目标地形图测量；城市三维建模；森林资源调查；水利；电力	高速度、高性能、长距离、效率高、覆盖面积广，能获取高分辨率的地面信息	m到cm级
星载	卫星	主要是美国NASA发射的ICESat卫星上的GLAS激光雷达	全球植被；极地冰川；云层和大气的研究	运行轨道高、观测视野广，可以触及世界的每一个角落	平面精度20 cm，垂直精度13.8 cm

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0. 引言
1. 研究方法
1.1 取样制样
1.2 电镜观测
1.3 模拟实验
2. 观察厘定
2.1 发现经过
2.2 叠次出现
2.3 圆度球度
3. 成层成型
3.1 颗粒变异
3.2 层状结构
3.3 成型构造
4. 成因探讨
4.1 剪切摩擦说
4.2 高温冷凝说
5. 地质意义
5.1 理论方面
5.2 实践方面

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LiDAR技术在地质环境中的主要应用与展望

作者简介: 马晓雪(1991-), 女, 硕士研究生, 主要从事3S技术与地学应用研究。E-mail:534611080@qq.com

通讯作者: 吴中海(1974-), 男, 博士, 研究员, 主要从事第四纪地质和活动构造研究。E-mail:wzhh4488@sina.com

计量

出版历程

LiDAR TECHNOLOGY AND ITS APPLICATION AND PROSPECT IN GEOLOGICAL ENVIRONMENT

0. 引言

1. 研究方法

1.1 取样制样

1.2 电镜观测

1.3 模拟实验

2. 观察厘定

2.1 发现经过

2.2 叠次出现

2.3 圆度球度

3. 成层成型

3.1 颗粒变异

3.2 层状结构

3.3 成型构造

4. 成因探讨

4.1 剪切摩擦说

4.2 高温冷凝说

5. 地质意义

5.1 理论方面

5.2 实践方面

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出版历程

目录

0. 引言

1. 研究方法

1.1 取样制样

1.2 电镜观测

1.3 模拟实验

2. 观察厘定

2.1 发现经过

2.2 叠次出现

2.3 圆度球度

3. 成层成型

3.1 颗粒变异

3.2 层状结构

3.3 成型构造

4. 成因探讨

4.1 剪切摩擦说

4.2 高温冷凝说

5. 地质意义

5.1 理论方面

5.2 实践方面

作者简介:
马晓雪(1991-), 女, 硕士研究生, 主要从事3S技术与地学应用研究。E-mail:534611080@qq.com

通讯作者:
吴中海(1974-), 男, 博士, 研究员, 主要从事第四纪地质和活动构造研究。E-mail:wzhh4488@sina.com