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1、2009 年 5-6 期 激 光 雷 达 监 测 2000 和 2008 年 间 奥 地 利 Hinteres Langtal 冰 斗 冻 土 环 境 的 块 体 移 动 79激光雷达监测2000和2008 年间奥地利Hinteres Langtal 冰斗冻土环境的块体移动 *M. Avian等（Institute for Remote Sensing and Photogrammetry, GrazUniversity ofTechnology, Graz, Austria）翻译：葛秀珍；校对：何燮周【摘 要】 近年来，由于全球气候逐渐变暖，多年冻土区在自然灾害方面引起人们越来越多的关注。活
2、动的冰川石流是在相当长的时间内，冻土条件下，在高的地形环境中，岩屑和冰（不同起源）的混合体。这种冰川石流块体向下移动的形态和速度受地形和气候影响。由于表层移动速度非常快，冰川石流Hinteres Langtalkar是处于近10年大范围调整的阶段。自2000年起，每年一两次进行地表扫描（激光雷达），监测冰川石流前沿高活动地带地表动态。高清晰度的数字化地形模型是每年一次和年间进行地表海拔高度变化分析的基础工具。结果显示，观察的区域表现出正向的地表海拔变化，导致了地面在整个时期内的上升。然而，前三年观察的区域的地表抬升量的减少，得出了前几年斜坡上部物质迁移这一假定。而且，冰川石流前缘出现大范围的块
3、体漂移和部分冰川石流出现剥蚀现象特征。激光雷达的结果以及野外数据表明，该冰川石流前缘似乎是受冻土影响的滑坡。1 序言高山冻土漂移是冰川石流形最明显的现象。漂移自身的过程由诸如物质的性质、温度条件或者由冰川石流表面发生直观特征变形的下伏基岩的坡角决定。近10年，阿尔卑斯山脉的许多地区都可以观测到冰川石流的“波动”或者摇动。所有的这些典型的地形反映了诸如快速发育的横向裂缝上部地面沉降的特殊地表地形。三维地表移动的资料有助于了解冻土动态的内在过程，而且这些资料还被广泛地用于不同的应用领域。摄影测量和大地测量调查被认为是监测冰川石流地表动态的传统技术。在数据库完善的情况下，摄影测量法能提供足够的空间和
4、时间领域的分辨率。大地测量调查实施起来费用低廉，但是，冰川石流表面测量点的密度较低。差分GPS (DGPS) 是另外的一种陆地使用方法，尽管它与大地测量方法有共同的缺陷，但是它越来越多地用于监测冰川石流。适于空间的合成孔径雷达差分干涉测量(DInSAR)提供非常精确的数据，特别是垂直的地表位移的精确数据（cm到mm）。激光雷达LiDAR（光检波测距）或者航空激光扫描（ALS）以及地面激光扫描（TLS ）是非常新的测量冰川边缘的方法。本10年初，欧洲阿尔卑斯山脉就开始使用TLS方法测量冰川石流，用高精度的空间取样器获得了三维空间数据。长距离的TLS（400m以上）测量高山环境是备受关注的，它可以
5、提供不可接近地形的非常详细的地面模型。当测量距离达到2000m 时，很容易从安全的距离测量到危险的场地。在可比价格低廉的条件下，TLS长期监测为高清晰度、足够准确和高工作效率提供了保证。尽管有如此多的优点，但 LiDAR for monitoring mass movements in permafrost environments at the cirque Hinteres Langtal, Austria, between 2000 and 2008 Nat.Hazards Earth Syst.Sci.,9,1087-1094,2009 www.nat-hazards-earth-sy
6、st- 2009 年 5-6 期80是，TLS却很少用于监测冰川石流的移动。Kaab等在运用遥感技术监测与冻土相关的危害方面提出了大量的综述观点。本研究的目的是（a）：介绍2000-2008年间，快速移动的Hinteres Langtalkar冰川石流破环前缘 区域TLS 数据多时间段的分析；（b）：在更广泛的范围内讨论这些结果。2 Hinteres Langtalkar 冰川石流研究的Hinteres Langtalkar冰川石流 (N4659,E1247)位于奥地利Schober 山脉Hohe Tauern区域，从20世纪90年代中期起人们就开始进行地形主题研究。大约在1994年，一个凸起
7、开始发生的明显移动，这就是运用大地测量、摄影测量和激光雷达测量方法在科学上原因。冰川石流的长度和宽度分别是900m 和300m 。冰川石流的海拔高度大约从覆盖两个山根带的2700m 到冰川石流前缘的2455m。该冰川石流的破坏区域径向距离大约230m，高差大约 150m。大约1997年，这150m宽的冰川石流前缘延伸到了发育良好的阿尔卑斯牧场覆盖的平坦地带。1998年建立了一个大地测量网络，之后，每年进行测量。用十个时期的数据（1954、 1969、1974、1981、1991、1997、 1998、1999、2004、2006）进行多时间段摄影测量分析。计算出的整个冰川石流平均水平移动速度：
8、从19992000年的每年0.11m 增加到20032004的0.18m/y，然后，从20072008年降低到0.10cm /y。冰川石流最低的部分指出的明水平移动速度非常高。最大的移动范围从1.75m/y到3.60m/y 。3 资料获取和数字地面模型（DTM）抽取综合的激光雷达系统可以在1小时之内，按照多时间上数据的3D移动和冰川石流面的形变来描述3D地表面。LiDAR是一种飞行时间系统，当激光脉冲到达接收器之前，测量光电二极管发射的激光脉冲到返回接收器前经过时间。最大的射程主要取决于表面的反射率（雪、岩石或者岩屑最好）和大气的可见度（最好是可见，最差是薄雾和雾）。因为每一种单独的测量包括大
9、量的激光脉冲（第一脉冲、终了脉冲，最强脉冲）、不同的测量方式，所以，即便是在天气条件很差、表面情况不良的情形下（如有植被生长、潮湿或者地表结构粗糙，用其他方法就可能导致不明确的测量结果）也能给出相应的结果。3.1 资料获取本研究使用的激光雷达设备是进行长距离扫描用的，因而，其频率被限定在4Hz （更多的资料见表1）。为了校正传感器的外部方向，确定了5个参照点的大地测量网络。对每一个测量点，分别获得传感器外部方向。传感器放置于距离冰川石流前缘大约90m的位置。感兴趣区域（ROI）确定了测量光栅和距离测量参数，例如积分时间和方式。激光扫描仪器执行预先确定的测量计划，自动测量感兴趣区域。测量分辨率（
10、点密度）主要受资料采集时间的限制。确定了前坡中心格栅宽度为0.5m，相当于单次测量140200。2000年7月和8月对Hinteres Langtalkar 冰川石流和靠近Gssnitzkees 冰河覆盖的岩屑区域第一次进行TLS方法的测量。2001 年7月和8月重复进行了一次。从2004年开始，每年使用测量法的焦点集中在对冰川边缘进行分析，之后，由2006年启动的ALPCHANGE项目补充实施。由于2006、2007、2008（表2）年能源供给问题，测量的点密度不同，因而，扫描取样不得不减少。由于侧向山脊和山谷典型的地表地形，扫描扇形上面部分出现较大的阴影区域（图1）。3.2 数据处理3.2
11、.1 预处理2009 年 5-6 期 激 光 雷 达 监 测 2000 和 2008 年 间 奥 地 利 Hinteres Langtal 冰 斗 冻 土 环 境 的 块 体 移 动 81原始激光测量数据的分类可以提供检验距离测量的质量和可靠性。不准确的测量值加权小甚至在后来的评价中被忽略。这种分类是根据对反射率、RMSE （因为每一个单独测量包括一组大量的激光脉冲）、结构（例如检测制造物）和外部传感器（例如评估大气对激光测距影响的气象站）的分析。图 1 奥地利境内Hinteres Langtlakar 的位置图（A）和监测地的地形图（B ）。照片序号说明： (1) 冰川石流移动速度非常高的区
12、域（细的虚线界内）；(2)明显的基岩山脊；(3) 侧向终碛山脊(小冰期,公元1850)；(4)标志高应变速率的冰川石流上的几个横向裂缝； (5) 气象站 (6)最近堆积的散布在阿尔卑斯牧场的飘石。扫描器的位置大约在距离冰川石流前缘90m。白色箭头标的是物质从附近斜坡到冰川石流移动的方向表 1 Riegl LPM-2k 长距离扫描仪的扫描参数和数值扫描器参数 值（范围）量程：最佳的反射目标-最差的反射目标 最大2000m800m测距精确度 +50mm定点的准确度 测量时间/点0.25s1s测定光束发散度 1.2 mrad激光波长 900nm扫描距离 -水平-垂直 400gon 180gon水文地
13、质工程地质技术方法动态 2009 年 5-6 期823.2.2 方位为了保证测量的可对比能力，对方位（例如，由于扫描台的隐蔽角度误差）和测定距离（由于大气影响）作了校对。利用固定在坚固表面，在扫描仪观测到的球状视野内的反射目标连续进行重复的传感器方位校对（3075m 内有5个目标扫描定位）。激光反射因素图像上的矩心定位规则系统获得目标坐标的角分量。计算这个距离作为覆盖这个目标的所有个体距离测量值的加权平均值。由于我们的LPM-2k版本不包括例如标准的经纬仪的电子水准测量传感器，所以我们参考目标方法确定所有的未知位置和方位参数。因而，下面的任务对于确定准确的方向和定位过程中必要的分量是非常重要的
14、：稳定分布定位目标(主要根据研究位置的条件) ；稳定地全自动评估目标测量的可用性； 各种限定条件下，用于传感器定位的可靠的数学方法和算法。表 2 采集数据的时期和质量参数（回归分析之后的移动平均偏差）日 期 总的点数 有效点数 PR(1) OA（2）07/2000 27 048 26 51708/2000 27 048 26 43707/2001 27 048 26 27408/2001 26 910 26 31208/2004 20 424 19 81808/2005 27 048 17 84309/2006 7836 6048 0.77 0.0209/2007 6384 5739 0.90
15、 0.0208/2008 6384 9315 0.90 0.023.3 DTM改进为了在用户选择的参照坐标系中说明每一个测量值，我们将定向的激光点云转换为密实DTM。DTM是以局部地表的分析模型为基础的一种具有期望分辨率的有规律的空间网格，最简化的情形是水平或者垂直面。它用于在网格点上存储垂直距离的高度。由于大多数潜在的不安全表面都是陡峭的前沿，我们将DTM 推广到任意的参照面使用 ，使之能够描述最佳分辨率的地表数据。在本研究实例中，根据球面3维点云，冰川石流的前缘近似为一种最佳拟合平面。从传感器球状系到DTM笛卡儿坐标空间的直接编图能得出分散的和不一致的立面图，特别是大的距离间隔的情况下。为
16、了避免人为插入，DTM改进的激光器轨迹法可以为平角数据获取提供强有力的工具，而且支持错误检测，能够利用距离传感器提供的附加信任值。由于不同地表测量法的DTMs是地理参照的，所以DTMs 之间简单的差异反应在标高变化（图2）。因此，我们得出了完整的标高变化的描述以及绘制由此产生的模型的空间分布图或地表的随机剖面（图）。4 结果在第一个地点，TLS提供了后来从点云中依据用户指定的空间分辨率算出DTM 一个三维点云。由于各地获取数据的点密度的变化，所以DTM在实际地表重复的质量是不均匀的。Hinteres Langtalkar 冰川石流的 DTM得出的空间分辨率为1m，因此，地表粗糙（漂砾石的大小超出了这个空间分辨率），有时则只能大约地描述（漂砾石较小或者小的裂缝）。2000年2008年，根据每年6个在时期中计算（每年2次）的
