地震地质 ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (1): 167-188.DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2025.01.011
魏占玉1,2)(), 何宏林1,2), 邓亚婷1,2), 席茜1,2)
收稿日期:
2024-01-08
修回日期:
2024-03-24
出版日期:
2025-02-20
发布日期:
2025-04-09
作者简介:
魏占玉, 男, 1981年生, 博士, 研究员, 研究方向为活动构造与构造地貌, E-mail: weizhanyu@ies.ac.cn。
基金资助:
WEI Zhan-yu1,2)(), HE Hong-lin1,2), DENG Ya-ting1,2), XI Xi1,2)
Received:
2024-01-08
Revised:
2024-03-24
Online:
2025-02-20
Published:
2025-04-09
摘要:
地震破裂带附近同震位移和变形模式对于深入理解地震破裂过程、断层行为及活动断层与地形地貌关系等至关重要。文中提出一种迭代最近点(ICP)算法, 利用地震前后地形点云进行差分确定断层近场三维同震地表位移。在川西大凉山断裂带交际河断层上选取2期SfM地形点云叠加同震位移场模拟震前-震后点云, 测试ICP方法获取同震位移场的精度。该方法在网格边长>50m的条件下可准确恢复同震位移场的方向和幅度, 水平和垂直精度分别为20~10cm, 这与地形点云定位精度相当。随着点云密度和网格窗口尺寸减小, 该方法恢复同震位移场等的精度将降低。通过分析树木生长、房屋建设、河流侵蚀等地形变化对恢复位移场的潜在影响, 研究结果表明扩大网格尺寸可使震前-震后点云具有足够地形结构进行匹配, 以减小局部地形变化对恢复位移场的影响, 网格窗口尺寸是在具有足够地形结构的大尺度和具有更精细分辨率的小尺度之间的权衡。文中所述的ICP方法利用震前-震后高精度点云可获取地震破裂带附近精细的三维地表位移场, 为浅层断层滑动和破裂带变形提供了新的约束, 有助于研究地震破裂过程和断层生长过程。
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WEI Zhan-yu, HE Hong-lin, DENG Ya-ting, XI Xi. THREE-DIMENSIONAL SURFACE COSEISMIC DISPLACEMENTS FROM DIFFERENCING PRE- AND POST-EARTHQUAKE TERRAIN POINT CLOUDS[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2025, 47(1): 167-188.
控制点ID | X/m | Y/m | Z/m | X_err/m | Y_err/m | Z_err/m |
---|---|---|---|---|---|---|
GCP1 | 281937.2 | 3043654.3 | 2417.41 | 0.11 | 0.05 | 0.14 |
GCP2 | 281511.2 | 3043984.3 | 2447.69 | 0.07 | 0.12 | 0.18 |
GCP3 | 281599.8 | 3043479.6 | 2463.05 | 0.10 | 0.11 | 0.22 |
GCP4 | 281074.5 | 3044292.1 | 2463.67 | 0.08 | 0.10 | 0.11 |
GCP5 | 281145.7 | 3044564.7 | 2442.65 | 0.04 | 0.12 | 0.14 |
GCP6 | 280745.4 | 3044789.5 | 2491.84 | 0.11 | 0.07 | 0.16 |
GCP7 | 280864.7 | 3044540.2 | 2492.15 | 0.12 | 0.04 | 0.10 |
GCP8 | 281154.8 | 3043974.3 | 2491.36 | 0.09 | 0.05 | 0.13 |
GCP9 | 281479.9 | 3043723.6 | 2469.53 | 0.07 | 0.15 | 0.20 |
表1 地面控制点信息表
Table1 Ground control point information
控制点ID | X/m | Y/m | Z/m | X_err/m | Y_err/m | Z_err/m |
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GCP1 | 281937.2 | 3043654.3 | 2417.41 | 0.11 | 0.05 | 0.14 |
GCP2 | 281511.2 | 3043984.3 | 2447.69 | 0.07 | 0.12 | 0.18 |
GCP3 | 281599.8 | 3043479.6 | 2463.05 | 0.10 | 0.11 | 0.22 |
GCP4 | 281074.5 | 3044292.1 | 2463.67 | 0.08 | 0.10 | 0.11 |
GCP5 | 281145.7 | 3044564.7 | 2442.65 | 0.04 | 0.12 | 0.14 |
GCP6 | 280745.4 | 3044789.5 | 2491.84 | 0.11 | 0.07 | 0.16 |
GCP7 | 280864.7 | 3044540.2 | 2492.15 | 0.12 | 0.04 | 0.10 |
GCP8 | 281154.8 | 3043974.3 | 2491.36 | 0.09 | 0.05 | 0.13 |
GCP9 | 281479.9 | 3043723.6 | 2469.53 | 0.07 | 0.15 | 0.20 |
图1 实验地形点云数据采集 a 交际河断裂及数据采集位置, 黑块标识数据采集位置; b 数据采集区及附近断层位置, 底图为Google Earth影像; c SfM点云生成的DEM地势图, 白框为实验数据范围, 黑点及编号指示地面控制点位置及编号
Fig. 1 Experimental terrain point cloud data collection.
图2 2期SfM点云的高程渲染图和比较差异分布图 a、b SfM点云的高程渲染图; c 2期SfM点云比较差异的分布图
Fig. 2 Elevation rendering diagram and comparative difference distribution diagram of SfM point clouds in two periods.
图4 模拟同震位移场和震后点云 a 模拟的同震水平位移矢量图, 断层两盘左旋滑动各3m; b 模拟的同震垂直位移矢量图, 断层南西盘垂直抬升2m, 北东盘无垂直位移; c SfM地形点云叠加三维模拟同震位移场后的点云高程渲染图
Fig. 4 Simulated coseismic displacement field and post-seismic point cloud.
图6 三维刚体平移(T)和旋转(R)变换矩阵构成及坐标旋转示意图
Fig. 6 The transformation matrices for three-dimensional rigid body translation(T) and rotation(R), and the schematic diagram illustrating the coordinate rotation.
图7 基于震前-震后点云ICP算法提取同震位移矢量示意图
Fig. 7 Schematic diagram of co-seismic displacement vector extraction based on pre-earthquake-post-earthquake point cloud ICP algorithm.
图9 网格中心模拟位移矢量 d - ⇀与恢复位移矢量 d ' ⇀比较示意图 红色线代表模拟位移矢量, 浅红色为垂直和水平位移量; 蓝色线代表恢复位移矢量, 浅蓝色为垂直和水平位移量
Fig. 9 Comparison between simulated displacement d - ⇀ and recovered displacement d ' ⇀ in the center of grid.
图12 原点云数据在50m、20m和10m网格窗口下恢复同震位移场 图e和f中的黑框代表图14的范围
Fig. 12 The origin cloud data recovers the coseismic displacement field under the 50m, 20m and 10m grids.
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