什么是激光雷达？

激光雷达 (Lidar) 代表光检测和测距，是一种使用激光测量两个物体之间距离的遥感方法。通过这些测量可以生成地球表面的精确三维模型。

激光雷达数据是如何收集的？

机载激光雷达是使用来自飞机或直升机的脉冲激光收集的。飞机上的传感器测量激光从目标（在本例中是地球表面）反射回来所需的时间。激光以已知的速度传播。通过测量激光返回飞机所需的时间，可以计算出飞机与地面之间的精确距离。激光雷达传感器还包括一个 GPS 接收器，用于在激光脉冲和传感器接收数据时检测飞机的位置和方向。

https://blog.bluemarblegeo.com/ 2017 / 04 / 27 /got-lidar-now-what/

收集到的激光雷达数据被转换成数百万个离散点，称为点云。返回的高度会有所不同，具体取决于激光雷达激光脉冲在地面上反射的物体的形状和大小。使用专门的计算机软件，这些点可以分为各种类型的回波：高大的树木、灌木丛、草地、沥青路面、建筑物等。地球科学家通常只关心地表的外观，而不关心植被。因此，仅使用地表或裸地回波，而排除植被和建筑物回波。然后使用该裸地点云生成地球表面的数字高程模型 (DEM)。

地球科学家如何使用激光雷达？

激光雷达帮助地质学家以比以前更高的精度和准确度观察地球表面。许多在激光雷达生成的 DEM 上可见的地质地貌无法通过传统的航空摄影（例如 Google 地球上的航拍）看到，甚至无法通过在地面上行走看到！

激光雷达 DEM 可用于显示地表高程，但地球科学家会制作衍生地图来帮助可视化景观。最常见的两种地图是山体阴影（或阴影地形）和坡度地图。山体阴影图描绘的是3 -D 中的景观。坡度图显示地形陡度的变化。当从暗到亮进行符号化时，深色代表陡峭区域，而浅色代表缓坡至平坦区域。这些坡度图或“坡度阴影”可以高细节地显示地形。

旧版 DEM 由美国地质调查局 (USGS) 制作，像素分辨率为30 米或10 米。这种分辨率比较粗糙，不能很好地显示地质地貌的细节。从新购置的 Virginia 激光雷达衍生的 DEM 可作为栅格提供，分辨率为 1-meter，这是一项重大改进。以下是 McAfee Knob 的旧版、低分辨率、10 米长的美国地质调查局 DEM 数据的示例，McAfee Knob 是 Roanoke 县阿巴拉契亚步道上著名的俯瞰点。与之相比，现在可以获得高分辨率的1 米激光雷达数据。

在此处下载 McAfee Knob 的激光雷达数据样本！您需要在计算机上安装 Google Earth 才能查看数据。

点击这里 弗吉尼亚州哪里可以获取激光雷达数据？

现在整个联邦都已获得完整的激光雷达数据覆盖。从2010到2020收集的大约30不同的激光雷达数据集可通过美国地质调查局和弗吉尼亚地理信息网络 (VGIN) 下载。请记住，激光雷达数据集包含数百万到数十亿个点，大小可达几千兆字节。激光雷达数据通常采用 LAS 或 LAZ 文件格式，这是一种用于存储3 -D 点云数据的行业标准二进制格式。用户必须拥有某种类型的地理信息系统 (GIS) 软件才能处理文件。第一步通常是将 LAS 文件转换为不同的格式。在地质和矿产资源方面，我们使用 ESRI ArcGIS 产品将 LiDAR 点云转换为您在上面看到的栅格图像，但也有几个免费软件程序可用于查看和转换激光雷达数据。

在哪里可以找到激光雷达数据？

激光雷达通过美国地质调查局 - 3 -D 高程计划( 3 DEP) 向公众开放。美国现有的激光雷达1米数据集可用作 LAS、LAZ、IMG 或 TIFF 文件。您可以从多个网站直接下载激光雷达数据，包括3 DEP LidarExplorer 、 USGS 直接下载网站和VGIN 激光雷达下载网站。请记住，您需要 GIS 软件将数据转换为山体阴影或坡度图。

单击此处了解有关下载和使用激光雷达数据的更多信息。

使用激光雷达识别地质特征

GMR 如何使用激光雷达？

我们的地质学家定期使用激光雷达数据来绘制基岩层和地表沉积物的分布图，定位断层和落水洞等自然地质特征，确定受人类活动影响的区域（例如历史采矿），并评估山体滑坡和其他地质灾害的影响。彼得堡国家战场最近的一个项目使用激光雷达数据来识别内战土方工程和堡垒结构！以下是我们的地质学家使用激光雷达识别的各种自然和人造特征的一些示例。

整个联邦常见地质特征的激光雷达图像

利用激光雷达识别山体滑坡

山体滑坡是指地球物质（岩石、土壤等）沿斜坡重力下滑的现象。它们被视为地质灾害，因为它们会对基础设施（道路、建筑物、公用设施等）造成相当大的破坏，并对公共安全构成威胁。山体滑坡有很多种类型。每种类型都根据向下移动的物质类型（岩石、泥土等）和运动机制（坠落、滑落、流动）进行分类。所有这些类型的山体滑坡，当存在且规模足够大时，都可以在激光雷达 DEM 上清晰可见。

泥石流

弗吉尼亚州纳尔逊县戴维斯溪地区1米分辨率激光雷达坡度阴影

上图显示的是纳尔逊县戴维斯溪地区分辨率为1米的激光雷达坡面阴影。1969的飓风卡米尔 (Camil) 来袭期间，紫色轮廓区域内产生了多处泥石流。泥流是一种快速移动的山体滑坡，长度可达数百英尺至数英里，宽度狭窄，并有明显的坡顶。由于飓风卡米尔带来的强降雨， 1969年间，纳尔逊县、阿尔伯马尔县和阿默斯特县发生了数千起泥石流。新的激光雷达数据正在帮助我们的地质学家识别出比以前所知更多的飓风卡米尔泥石流。这些信息有助于地质学家确定最容易发生山体滑坡的斜坡阈值，以及地质因素是否在山体滑坡发生的地点发挥作用。

弗吉尼亚州纳尔逊县明杜斯附近的泥石流

这张图片显示了飓风卡米尔期间在纳尔逊县明杜斯附近产生的一系列汇聚泥流。图像上的字母将激光雷达数据上的泥石流崖顶位置与 Tom Gathright 在1969拍摄的照片中的位置进行了比较。

点击此处下载 Myndus 泥石流的激光雷达数据样本。您需要在计算机上安装 Google Earth 才能查看数据。

碎片和岩石滑坡

山体滑坡可以以不同的方式向山下蔓延。有时它们会流动，就像上面的例子一样，有时它们会滑动，要么作为整个材料块，要么分解成更小的碎片。与上面的泥石流相比，它们在激光雷达数据上看起来非常不同。

弗吉尼亚州布兰德县长溪附近的大沃克山

布兰德县长脊附近大沃克山发生大规模山体滑坡。请注意这次山体滑坡是如何从山坡上脱落并以整块物质的形式顺坡而下的。

弗吉尼亚州纳尔逊县斯凯勒附近发生泥石流

这是纳尔逊县斯凯勒附近的一次小型泥石流。滑坡顶部的斜坡出现明显断裂，运输的物质已碎成碎片。此次山体滑坡可能与1969的飓风卡米尔有关。

 

缓慢移动的山体滑坡

山体滑坡可以移动得非常迅速（高达每小时30英里），也可以缓慢而逐渐地移动，一年仅移动几英寸。这些移动速度较慢的山体滑坡会撕裂山坡，并可能给道路和业主带来持续的维护问题。

弗吉尼亚州吉尔斯县纳罗斯镇附近，美国460沿线发生缓慢移动的山体滑坡

自1900世纪初以来，这种缓慢移动的泥石流（红色箭头）一直是美国460公路沿线吉尔斯县纳罗斯镇附近的一个问题。沿着滑坡底部的挖掘导致其不断向下移动，给公路和铁路带来了维护问题。您可以在此处阅读有关此次山体滑坡的更多信息。

弗吉尼亚州塔兹韦尔县的一块爬行巨石场

这张图片显示的是一片巨石区，由来自上方悬崖的岩石组成，正缓缓地从塔兹韦尔县的熊镇山南坡蔓延下来。

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使用 LiDAR 识别天坑

天坑是地球表面的凹陷，随着地质年代的推移，基岩溶解，形成空洞。石灰岩等可溶性岩石之下的区域可能会形成多个落水洞——落水洞是地质学家所说的“喀斯特地形”的一部分。大多数天坑（如果存在）在 LiDAR 数据上都清晰可见。

下图显示了罗阿诺克县卡托巴山谷低矮山脊沿线狭窄区域内的众多落水洞。这些落水洞是在比克曼敦地层和康诺科切格地层接触面上的石灰岩层中形成的。虽然图示区域内存在大量碳酸盐岩，但在这一特定层系中，落水洞的发育显然更为活跃。

该图片中心的落水洞位于罗阿诺克县的
Beekmantown-Conococheague 地层接触带

当碳酸盐岩大面积暴露时，天坑就会广泛发育。下图是从吉尔斯县的美国460高速公路望去的，显示了可溶性中奥陶纪石灰岩层上方地表的“坑坑洼洼”的外观。这种密度的落水洞发展会给建筑施工和工程项目带来挑战。

吉尔斯县460高速公路附近诺克斯群的沉洞

天坑有各种形状和大小，取决于地下塌陷的规模。下图顶部附近的大型天坑形成于布兰德县中奥陶纪石灰岩下方的区域，可能是几次较小坍塌事件的综合影响。其直径约为500英尺。请注意围绕其下边缘弯曲的道路。

布兰德县发生巨大天坑

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使用激光雷达识别人造地貌

通过高分辨率激光雷达数据可以看到地表的任何显著扰动。地质与矿产资源部最近完成了彼得堡国家战场地质测绘项目，该项目使用1米激光雷达数据来识别内战时期的土方工程、战壕和堡垒结构，而这些是很难通过航空摄影甚至步行看到的！

内战堡垒

下图中的偶数线代表切斯特菲尔德县的一个树木农场的耕作。农业和土方开挖经常会留下在裸地激光雷达上清晰可见的痕迹

弗吉尼亚州切斯特菲尔德县的树木农场

这个美丽的花朵形状实际上是纽波特纽斯一座运动场周围的五个棒球场。如果你仔细观察，你甚至可以找出投手丘！

弗吉尼亚州纽波特纽斯市体育中心

激光雷达可以帮助我们识别废弃的矿场，如下图所示，是弗卢万纳县的Bertha 和 Edith 砂金矿。了解有关弗吉尼亚州废弃矿井的更多信息。

弗吉尼亚州弗卢万纳县的 Bertha 和 Edith 砂金矿

利用激光雷达识别地质地貌

地貌被定义为地球表面自然形成的特征。地球的景观或地形由地貌组成，它们在景观中的排列被称为地形。以下是地球科学家可以在1米 lldar 衍生数据中看到的一些地貌示例。

蜿蜒截止

为了最大限度地提高水的运输效率，河流不断演变并在地球表面移动其位置。当河流中的曲流（或弯道）被废弃时，河道中就会充满沉积物，留下其过去位置的记录。通过1米激光雷达获取的数据可以清晰地看到这些沉积物。

蜿蜒截止

辫状河

下图显示的是塔兹韦尔县的一条“辫状”河流。在近代地质历史中，这条河流的河道迅速改变，因为流经周围山脉的小而陡峭的溪流为其提供了超出其运输能力的沉积物。当活跃流动的河道被巨石和砾石堵塞时，河道会稍微改变其流向更有效的路径。该过程产生了这里看到的复杂重叠通道。

弗吉尼亚州塔兹韦尔县古辫状河谷

熨斗大厦

山谷岭省和蓝岭省西部的山脉是在坚硬的砂岩或石英岩上发育的，这些岩石比相邻的岩层（如页岩、千枚岩或石灰岩/白云岩）更耐侵蚀。在激光雷达山体阴影图上可以清晰地看到支撑山脊的砂岩和石英岩序列的分层性质。这张图片显示了吉尔斯县彼得斯山东南面的“熨斗”。当平行的溪流切过倾斜的砂岩层时，相邻的 V 形山谷将砂岩斜坡分成这里看到的三角形面。

弗吉尼亚州吉尔斯县彼得斯山上的熨斗山

海洋梯田

沿海平原地质区的这些地貌相对平坦，水平表面之下是沉积物，记录着过去海平面上升的历史。海岸阶地通常含有沙子和砾石等重要的自然资源。下图中帕芒基河沿岸的阶地可以通过高分辨率1米激光雷达生成的山体阴影图清晰可见。

弗吉尼亚州坦斯托尔附近帕蒙基河沿岸的几层海岸阶地

卡罗莱纳湾

下图中的椭圆形洼地不是天坑，而是被称为卡罗莱纳湾的洼地。这些特征遍布整个大西洋沿岸平原，通常呈西北-东南方向。关于海湾的形成有几种理论；它们可能是陨石撞击坑的结果，可能是上次冰川期后冰融化的结果，也可能是海流作用的结果。您可以在下图中识别出多少只卡罗莱纳湾鲑鱼？

弗吉尼亚沿海平原的卡罗来纳湾

古沙丘

您在图片中看到的细长山脊代表着德玛瓦半岛沿岸的古老沙丘。这些残留的沙丘显示了海岸线在地质时期内如何随着海平面变化而移动。

古沙丘