向?qū)竭b感震害評(píng)估系統(tǒng)研制*

陳 曦張景發(fā)趙福軍安立強(qiáng)

1）中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京100085

2）黑龍江科技學(xué)院，哈爾濱150027

向?qū)竭b感震害評(píng)估系統(tǒng)研制*

陳 曦1）張景發(fā)1）趙福軍2）安立強(qiáng)1）

1）中國地震局地殼應(yīng)力研究所，北京100085

2）黑龍江科技學(xué)院，哈爾濱150027

依托國家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目子專題，在總結(jié)、歸納已有震害評(píng)估系統(tǒng)處理方式、流程及優(yōu)缺點(diǎn)的前提下，研究了符合實(shí)際工作狀況的遙感震害評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了基于ENVI/IDL、ERDAS開發(fā)的影像處理模塊，可輔助提取高分辨率遙感影像中房屋倒塌、道路損毀、滑坡、泥石流、堰塞湖等震害信息。尤其是面向?qū)ο蠓诸惸K，對(duì)遙感影像各種特征進(jìn)行了綜合處理?；贏rcEngine開發(fā)的空間數(shù)據(jù)管理與分析模塊，可處理道路空間位置分布、地震烈度劃分、行政區(qū)劃及屬性等信息。并實(shí)現(xiàn)了對(duì)各模塊向?qū)降牧鞒袒{(diào)用，有效提高了震后災(zāi)害評(píng)估工作的效率。該系統(tǒng)已在地震應(yīng)急工作中發(fā)揮了有力的作用。

震害評(píng)估；遙感圖像處理；向?qū)教幚?/p>

引言

隨著遙感（RS）圖像處理軟件的成熟與在地震行業(yè)不斷廣泛、深入的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者已開始將相關(guān)功能模塊與地理信息系統(tǒng)（GIS）集成，以將遙感影像這一快速、有效的數(shù)據(jù)源與其他數(shù)據(jù)源，如地質(zhì)圖、道路分布空間矢量等進(jìn)行統(tǒng)一處理，對(duì)震害損失進(jìn)行更精確地評(píng)估。1996年日本與美國開始合作建立基于高分辨率衛(wèi)星遙感圖像和GIS下的“城市地震減災(zāi)決策系統(tǒng)（UJRUEDM）；1996年朱傅勤等［1］提出了RS與GIS結(jié)合進(jìn)行地震災(zāi)害信息快速提取的設(shè)想；1996年魏成階等［2］基于RS與GIS實(shí)現(xiàn)了地震烈度包絡(luò)線的快速生成；2003年王曉青等［3］利用巴楚-伽師地震數(shù)據(jù)進(jìn)行了基于RS與GIS的震害信息提取及損失評(píng)估系統(tǒng)的研究；2009年李萍等［4］將遙感數(shù)據(jù)處理模塊集成到防震減災(zāi)系統(tǒng)（EPDRS）中以獲得更好的等震線結(jié)果；也有部分研究人員已研制完成了基于RS和GIS的地震災(zāi)情信息快速提取與損失評(píng)估系統(tǒng)［5-8］。這些工作表明，遙感圖像處理模塊在宏觀的震害信息提取上可以達(dá)到一定的自動(dòng)化運(yùn)行程度。但對(duì)于個(gè)體的重點(diǎn)目標(biāo)，如房屋建筑、生命線的震害信息提取還是需要結(jié)合人工判讀，達(dá)不到完全的自動(dòng)損失評(píng)估。該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一是，利用圖像處理工具來增強(qiáng)、突出目標(biāo)信息，更好地輔助人工判讀。

而對(duì)于大型地震，在震后短時(shí)間內(nèi)難以完成對(duì)所有重點(diǎn)目標(biāo)的遙感影像目視解譯工作。一方面是因?yàn)殡y以大量培訓(xùn)既懂遙感數(shù)據(jù)處理技術(shù)，又懂震害評(píng)估全面理論的專業(yè)人才；另一方面，是因?yàn)榻庾g人員判讀的標(biāo)準(zhǔn)不同，結(jié)論往往存在差異，需要進(jìn)行協(xié)商。本震害評(píng)估系統(tǒng)使用XML技術(shù)把各功能模塊進(jìn)行組合，對(duì)評(píng)估步驟進(jìn)行向?qū)焦芾恚瑢?fù)雜的處理流程進(jìn)行引導(dǎo)，使普通的工作人員在掌握所需的震害評(píng)估知識(shí)后，能通過本系統(tǒng)馬上參與到工作流程中，降低了培訓(xùn)學(xué)習(xí)的周期，并能通過本系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同工作。這對(duì)于有效利用專家資源，統(tǒng)一處理結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)，具有重要意義。

1 工作流程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的目標(biāo)是在地震發(fā)生后，提供方便、實(shí)用的數(shù)據(jù)處理工具包，輔助專家從遙感影像上提取出已有及潛在災(zāi)害對(duì)象的位置，并在制圖時(shí)用對(duì)應(yīng)符號(hào)標(biāo)識(shí)在地圖中，最終形成格式化的報(bào)告，提供給決策者。對(duì)此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了如圖1所示的震害識(shí)別及評(píng)估流程。首先，利用估算的烈度值對(duì)評(píng)估區(qū)域進(jìn)行圈定。然后，對(duì)評(píng)估區(qū)內(nèi)的圖像進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)預(yù)處理的結(jié)果，在獲得震后高分辨率遙感影像或近地表遙感影像的城鎮(zhèn)區(qū)域，可目視解譯建筑物的破壞情況；在只獲得震后低分辨率遙感影像的區(qū)域，可以采用圖像增強(qiáng)方法，提取和識(shí)別次生震害信息；在獲得震前震后影像的地區(qū)，可采用變化檢測的方法識(shí)別震害信息；對(duì)于具有典型目標(biāo)的區(qū)域，可利用專家知識(shí)庫中的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對(duì)影像進(jìn)行面向?qū)ο蠓诸?。?duì)以上初步分析結(jié)果，結(jié)合道路、水系、斷層等地物的空間分布矢量數(shù)據(jù)，通過本系統(tǒng)提供的空間分析模塊，可提供災(zāi)區(qū)的生命線工程破壞情況分布圖、地震次生災(zāi)害分布圖等。最后將統(tǒng)計(jì)、分析的結(jié)果自動(dòng)生成評(píng)估報(bào)告。

圖1 系統(tǒng)處理流程圖

1.1 評(píng)估區(qū)域圈定

實(shí)際工作中地震影響場圈定是震后通過實(shí)地觀測進(jìn)行采樣，然后手工圈劃。本系統(tǒng)為達(dá)到快速評(píng)估的效果，通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、分析處理后，依據(jù)震中位置和震害指數(shù)自動(dòng)生成地震影響場，其表現(xiàn)形式為烈度圈。所借用的地震烈度衰減公式［9］為：

式中，I為烈度值，M為面波震級(jí)，R為震中距，a1、a2、a3及常數(shù)R0由地震等震線擬合求得。根據(jù)面波震級(jí)M求得烈度I的范圍。對(duì)于破壞性地震而言，利用遙感圖像能夠調(diào)查的最大烈度為Ⅶ度。

1.2 遙感圖像預(yù)處理

震后獲得的影像由于天氣等原因可能質(zhì)量不佳，需進(jìn)行直方圖拉伸、幾何校正、噪聲壓抑等預(yù)處理。本系統(tǒng)提供了對(duì)應(yīng)的遙感影像預(yù)處理模塊。各模塊在影像的定位精度和提取類別上可進(jìn)行特殊處理，以縮短處理周期，滿足救援決策者的應(yīng)急需求。例如對(duì)于航片，可在短期內(nèi)先進(jìn)行局部坐標(biāo)的配準(zhǔn)，將標(biāo)準(zhǔn)矢量數(shù)據(jù)相對(duì)其利用地表特征控制點(diǎn)進(jìn)行空間校正，從而進(jìn)行綜合分析。

1.3 面向?qū)ο蟮牡匚锓诸愖R(shí)別

遙感影像空間分辨率的不斷提高使分類提取細(xì)部震害信息，如重點(diǎn)地物損毀狀況，堰塞湖分布情況等成為可能。由于自然環(huán)境的復(fù)雜性，傳統(tǒng)方法大都需要專家先目視解譯，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置處理參數(shù)。但僅通過人工識(shí)別，很難在短時(shí)間內(nèi)提取出全部信息。因此，本系統(tǒng)對(duì)圖像進(jìn)行面向?qū)ο蠓诸?，先將圖像基于經(jīng)驗(yàn)值劃分為區(qū)塊，再直接利用經(jīng)過專家反復(fù)實(shí)驗(yàn)得到的空間位置關(guān)系、空間形狀、紋理特征等多種典型特征參數(shù)進(jìn)行更加全面的分類識(shí)別，最后將識(shí)別結(jié)果以矢量對(duì)象的形式在專業(yè)GeoDatabase中進(jìn)行建模，以有效統(tǒng)一管理。參考《地震災(zāi)害損失評(píng)估規(guī)定（試行）》中的經(jīng)濟(jì)損失類型的劃分方法，本系統(tǒng)將評(píng)估對(duì)象歸為建筑物、重點(diǎn)目標(biāo)、構(gòu)筑物、生命線、次生災(zāi)害5大類。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

針對(duì)專業(yè)圖像處理用戶及普通用戶兩種不同角色，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種用戶視圖。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。專業(yè)用戶可直接在綜合平臺(tái)下選擇工具快速處理不同階段的結(jié)果。而普通用戶通過流程管理器，可在短期培訓(xùn)后使用向?qū)幚砥脚_(tái)。向?qū)幚砥脚_(tái)為震害評(píng)估預(yù)定了一系列工作流程，自動(dòng)調(diào)用系統(tǒng)中的功能子模塊，引導(dǎo)用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作，大大提高了工作效率。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 向?qū)搅鞒炭刂圃O(shè)計(jì)

用戶執(zhí)行向?qū)教幚砹鞒痰慕涌跒榱鞒坦芾砟K（圖3）。具體實(shí)現(xiàn)基于兩個(gè)XML格式文件：模塊索引文件，流程定義文件；3個(gè)子模塊：XML文件解析器，流程向?qū)Ч芾砥鳎▓D4），流程定義器。當(dāng)用戶選擇執(zhí)行向?qū)搅鞒虝r(shí)，啟動(dòng)流程向?qū)Ч芾砥?，調(diào)用XML文件解析器將XML文件解析為關(guān)系表，如將模塊索引文件解析為數(shù)據(jù)處理子模塊名稱及其對(duì)應(yīng)的調(diào)用方式、調(diào)用路徑、唯一標(biāo)識(shí)碼；將流程定義文件解析為執(zhí)行流程名稱及其各子步驟調(diào)用模塊的唯一標(biāo)識(shí)碼。再根據(jù)所選功能流程讀取流程定義表內(nèi)對(duì)應(yīng)的子模塊唯一標(biāo)識(shí)碼，在模塊索引表中查詢對(duì)應(yīng)的調(diào)用方式、調(diào)用路徑等，以自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的ENVI、ERDAS、ArcGIS功能模塊，并在系統(tǒng)前臺(tái)提示用戶輸入?yún)?shù)來執(zhí)行功能模塊。當(dāng)該子模塊結(jié)束使用時(shí)將觸發(fā)流程向?qū)Ч芾砥?，自?dòng)調(diào)用下一步驟子模塊。每一流程都可以通過流程定義器來調(diào)整、增減相關(guān)的子步驟。用戶也可自定義工作流程，實(shí)際工作中可根據(jù)分工選取相關(guān)步驟。

圖3 流程管理模塊設(shè)計(jì)圖

圖4 向?qū)Э刂破髡{(diào)用各子模塊。正中藍(lán)色對(duì)話框?yàn)橄驅(qū)Э刂破鞯膱D形界面

2.3 數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)及其并行訪問

系統(tǒng)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于Arc-GIS GeoDatabase中，支持矢量、柵格、關(guān)系表等多種結(jié)構(gòu)。該數(shù)據(jù)庫對(duì)于網(wǎng)絡(luò)訪問的支持（圖2）使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程調(diào)用［10］，可使多人協(xié)同進(jìn)行評(píng)估工作。此外，系統(tǒng)也支持直接讀寫.TIF，ENVI Image格式的影像文件。

3 向?qū)搅鞒炭刂颇K編程實(shí)現(xiàn)

震害信息的提取是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要結(jié)合地質(zhì)、地震工程、地球物理學(xué)方面的功能模塊計(jì)算影響場，其次結(jié)合遙感預(yù)處理模塊進(jìn)行影像校正、增強(qiáng)，結(jié)合圖像處理模塊提取紋理、形狀特征，分割對(duì)象［11-14］，然后結(jié)合GIS功能模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的空間分析及其管理，最后還需結(jié)合辦公自動(dòng)化模塊自動(dòng)輸出處理結(jié)果。只有有效的集成不同軟件工具，綜合分析遙感影像的各種特征，才能真正實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化的遙感震害信息提取。而這一過程又往往達(dá)不到完全的自動(dòng)批處理，需要一種基于人工交互的半自動(dòng)處理系統(tǒng)。

本系統(tǒng)基于Microsoft VS2005開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行子模塊開發(fā)及集成，使用C＃語言調(diào)用ADO.NET、Arc Object、ENVI/IDL、ERDAS C Developer’s Toolkit、MS Office.Interop.Word等開發(fā)框架下的功能模塊。其中關(guān)鍵的向?qū)搅鞒炭刂颇K具體分為兩部分：一是對(duì)于XML文件進(jìn)行解析，以管理流程的步驟；二是對(duì)于不同軟件工具包中子模塊進(jìn)行調(diào)用。

3.1 控制流程解析

系統(tǒng)對(duì)于XML文件的控制流程解析是基于ADO.NET框架實(shí)現(xiàn)。ADO.NET是一組用于和數(shù)據(jù)源進(jìn)行交互的面向?qū)ο箢悗欤鞠到y(tǒng)通過使用其中的Dataset及DataTable類對(duì)象讀取格式化定義的XML文件，并在內(nèi)存中生成對(duì)應(yīng)關(guān)系表。為了達(dá)到良好的交互性，各關(guān)系表通過與VS.NET框架中的List View，ListBox等控件動(dòng)態(tài)綁定，實(shí)現(xiàn)圖形化的流程編輯界面。

3.2 功能子模塊調(diào)用

系統(tǒng)對(duì)于各功能子模塊的調(diào)用分為兩個(gè)層級(jí)：基于函數(shù)編程接口的調(diào)用，以及基于編譯后子程序的調(diào)用。

本系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)管理框架基于Arc Object.NET SDK的C＃接口，面向行業(yè)專題數(shù)據(jù)編程實(shí)現(xiàn)；對(duì)于部分圖形化用戶交互界面，如地圖顯示、圖層管理等，則直接使用Arc Object.Net SDK所提供的控件，在系統(tǒng)后臺(tái)通過控件屬性、接口函數(shù)編程管理對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)，節(jié)省了大量復(fù)雜的圖形用戶接口（User Interface，UI）的編寫工作。

系統(tǒng)的影像處理模塊主要基于ENVI/IDL實(shí)現(xiàn)，使用IDL語言調(diào)用ENVI提供的功能函數(shù)接口或自主編程實(shí)現(xiàn)算法，并封裝為.SAV格式的獨(dú)立功能庫文件。運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)框架先綁定ENVI的ax IDLDraw Widget控件并作初始化，然后通過該控件調(diào)用。SAV功能庫文件實(shí)現(xiàn)用戶交互及數(shù)據(jù)處理操作。同時(shí)，系統(tǒng)中也集成了部分ERDAS影像處理模塊作為擴(kuò)展。ERDAS采用EML（ERDAS Macro Language）語言設(shè)計(jì)GUI圖形界面，并在C Developer’s Toolkit（C Toolkit）中封裝了C API供程序員使用。系統(tǒng)根據(jù)所需的功能進(jìn)行多層次的組合、包裝，可在工作流程中選取合適工具。

從整體來看，當(dāng)前大部分的商業(yè)的GIS、RS軟件都提供了在VS.NET框架下的編程調(diào)用方式，區(qū)別在于各自模塊的執(zhí)行層次不同。系統(tǒng)集成的難點(diǎn)在于協(xié)調(diào)各個(gè)開發(fā)平臺(tái)所提供接口的不同層次，使系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)能流暢的做到在不同子模塊間的切換。此外，部分平臺(tái)使用了類似于運(yùn)行時(shí)的架構(gòu)，例如，ENVI的.SAV方式打包、ERDAS EML。這要求系統(tǒng)打包、封裝時(shí)提供對(duì)應(yīng)的配置方式，在安裝后能夠準(zhǔn)確地定位軟件中間層的版本、路徑。本系統(tǒng)基于流程管理器的XML解析模塊進(jìn)行這一管理工作。

圖5 （a）震后北川縣城地區(qū)福衛(wèi)2號(hào)衛(wèi)星多光譜影像；（b）次生災(zāi)害面向?qū)ο蠓诸惤Y(jié)果

4 數(shù)據(jù)處理試驗(yàn)及其結(jié)果分析

試驗(yàn)采用前文提到的中低分辨率光學(xué)影像變化檢測流程［11-12，15］，進(jìn)行次生災(zāi)害提取操作。使用的是中國地震局地殼應(yīng)力研究所收集、整理的汶川地震相關(guān)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)場范圍由系統(tǒng)估算烈度值得到。示例數(shù)據(jù)為北川縣城地區(qū)（31.80°～31.86°N，104.42°～104.51°E）福衛(wèi)2號(hào)多光譜影像（圖5a），近垂直觀測具有8 m空間分辨率。處理步驟包括影像粗配準(zhǔn)、精配準(zhǔn)、區(qū)域裁剪、顏色增強(qiáng)、面向?qū)ο蠓诸悺?shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析與評(píng)估、結(jié)果輸出等。結(jié)果見圖5b。整個(gè)處理周期為3小時(shí)。此外，還進(jìn)行了多人基于局域網(wǎng)的協(xié)同處理試驗(yàn)，不同人員分別負(fù)責(zé)圖像配準(zhǔn)，面向?qū)ο蠓诸?，監(jiān)督及報(bào)告生成等步驟，在處理每7～10幅圖像的情況下，整體處理速度由1天半縮短到1天。主要原因是把專家資源使用在分類參數(shù)設(shè)定等較費(fèi)時(shí)的關(guān)鍵步驟，有效提高了整體工作效率。結(jié)合作者參與地殼應(yīng)力研究所組織的汶川地震實(shí)地考察的結(jié)果，分類結(jié)果較好的描述了震后次生災(zāi)害的空間分布，空間覆蓋的準(zhǔn)確率約為70%，具有一定的可靠度。由于光學(xué)遙感數(shù)據(jù)的投影特性，山體情況的判讀部分存在錯(cuò)誤，需結(jié)合地形等輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

（作者電子信箱，陳曦：chenxioffice＠126.com）

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Development of earthquake disaster assessment system with wizard module based on remote sensing images

Chen Xi1），Zhang Jingfa1），Zhao Fujun2），An Liqiang1）
1）Institute of Crustal Dynamics，CEA，Beijing 100085，China
2）Heilongjiang Institute of Science and Technology，Harbin 150027，China

In this paper，the processing method，workflow，advantages and disadvantages of previous earthquake disaster assessment systems are summarized at first，and an earthquake disaster assessment system based on remote sensing images is designed.This system integrates plenty of remote sensing image processing modules using software development kits of ENVI/IDL，ERDAS，and could help operators extract disaster information of building collapse，road damage，landslide，debris flow and barrier lakes from high-resolution remote sensing images.Especially，the object-oriented classification module could combine different features of remote sensing images；the management and analysis modules for spatial data based on software development kit of ArcEngine could process the distribution information of road，earthquake intensity and economy information of Chinese administrative division.The wizard module could call the function modules according to the predefined workflow.The semiautomatic feature could help workers improve the work efficiency.This system has played a significant role in earthquake emergency work.

earthquake disaster assessment；processing of remote sensing images；wizard module

P315.9；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2012.01.006

2011-03-23；

2011-05-27。

國家“十一五”科技支撐計(jì)劃課題子專題（編號(hào)：2006BAC13B03-0102）。