遙感震害快速定量評估方法及其在玉樹地震中的應用*

竇愛霞，王曉青，丁 香，袁小祥，王 龍，董彥芳，金鼎堅

(1.中國地震局地質研究所，北京100029;2.中國地震局地震預測研究所地震災害信息研究中心，北京100036)

遙感震害快速定量評估方法及其在玉樹地震中的應用*

竇愛霞1，2，王曉青2，丁 香2，袁小祥2，王 龍2，董彥芳2，金鼎堅2

(1.中國地震局地質研究所，北京100029;2.中國地震局地震預測研究所地震災害信息研究中心，北京100036)

在伽師地震、汶川地震遙感定量化災害評估基礎上，提出了基于少量現(xiàn)場調查樣本進行遙感解譯震害與地面實際震害定量評估的方法，以玉樹地震為例，建立了遙感解譯震害與現(xiàn)場調查結果的定量關系，并進一步得到了玉樹縣城結古鎮(zhèn)街區(qū)的等效震害指數(shù)和結古鎮(zhèn)綜合震害指數(shù)，結果顯示遙感震害快速定量評估結果與實際調查結果一致。該模型可應用于建筑物結構類型分布與玉樹縣結古鎮(zhèn)相似的城鎮(zhèn)遙感震害評估工作中。

航空遙感;建筑物;震害;定量評估;玉樹地震;伽師地震;汶川地震

0 引言

隨著衛(wèi)星和航空遙感技術的發(fā)展，破壞性大地震發(fā)生后，利用遙感手段能夠快速獲取災區(qū)房屋建筑震害［1－2］、道路交通損壞［3－4］、地震地質次生災害［5］、地震地表破裂［6］等震后重要災情信息，及時為地震應急救援、震害評估和恢復重建提供重要決策信息。遙感快速震害調查已經在伽師地震、汶川地震、海地地震、智利地震、玉樹7.1級地震、日本9.0級地震等多次國內外大地震中成功應用［7－11］，并且已經成為災后震害調查與評估的重要手段。早期遙感應用于地震災害調查主要是利用遙感影像進行災害程度的識別，并未與現(xiàn)場獲得的實際災害建立定量關系［12－13］。隨著遙感圖像多源、高分辨率、多時相的發(fā)展，應用高分辨率遙感影像提取震害結果越來越準確，如何使遙感解譯結果與地面調查真實結果具有可比性，王曉青等［14－15］提出了遙感震害定理化指標，并初步建立了2003年伽師一巴楚6.8級地震、2008年汶川地震的遙感震害與地面實際調查震害的定量化關系，利用汶川地震震害定量評估模型得到了汶川128個重要城鎮(zhèn)地面等效烈度，該結果與中國地震局發(fā)布的烈度分布圖非常吻合［16－17］。然而，汶川震害定量化統(tǒng)計模型以街區(qū)為統(tǒng)計單元，基于很長時間的地面現(xiàn)場調查的大量樣本統(tǒng)計得到的，但是有些地震發(fā)生后，由于客觀原因，現(xiàn)場調查建筑物相對較少。如何基于少量樣本建立定量化評估模型，對震后快速評估具有重要實用化價值和科學意義。

本文在新疆伽師地震、四川汶川地震遙感定量化研究的基礎上，利用2010年4月14日青海玉樹7.1級地震高分辨率遙感解譯結果和現(xiàn)場調查資料進行對比分析，建立了基于少量樣本的遙感震害與地面調查震害定量化統(tǒng)計關系模型，并對結果進行了分析討論。

1 遙感震害快速定量化評估模型

1.1 遙感震害定量化模型

在傳統(tǒng)的地面震害調查中，常采用震害指數(shù)來表征震害程度。震害指數(shù)的概念在1970年通海地震調查中提出來后，已廣泛應用于地震震害研究中［18］。某一調查點的房屋建筑震害程度采用震害指數(shù)表示，其定義為:式中:第i類房屋建筑震害指數(shù);dij表示某一區(qū)域(通常是以街區(qū)或自然村作為統(tǒng)計單元)i類房屋破壞等級為 j(j取1，2，3，4，5)的震害指數(shù);震害指數(shù)為1表示全部毀壞，為0表示完好無損，中間可劃分為若干等級。nij為i類房屋破壞等級為j的房屋幢數(shù)或建筑面積。

一般情況下，調查區(qū)內有多種建筑物類型，不同建筑物類型抗震性能存在顯著差異。為了定量化調查點的震害程度，通常用綜合震害指數(shù)來表征該調查點的震害程度。綜合震害指數(shù)定義如下:

受遙感圖像空間分辨率等因素影像，單體建筑物能夠識別的震害程度通常分為三個破壞等級，即倒塌、局部倒塌、未倒塌。參照地面綜合震害指數(shù)的思路，王曉青［15］等定義了遙感綜合震害指數(shù):

利用遙感解譯的建筑物震害程度，通過遙感震害定量化統(tǒng)計建立的遙感綜合震害指數(shù)與地面綜合震害指數(shù)的定量關系，得到等效的地面綜合震害指數(shù)。依據(jù)中國地震烈度表［19］(GB/T17742－2008)中綜合震害指數(shù)與地震烈度的對應關系，即可確定該地點的地震烈度。

1.2 遙感震害快速定量化模型

上述遙感震害定量化模型以某一區(qū)域為統(tǒng)計單元，基于大量現(xiàn)場調查資料得到的，然而有些地震，例如青海玉樹7.1級地震，破壞主要集中在人口比較密集的結古鎮(zhèn)，由于高寒氣候影響，再加上震后迅速開始的恢復重建，限制了震后現(xiàn)場調查的周期和房屋建筑數(shù)量。上述以街區(qū)為單元進行的定量化評估很難實現(xiàn)，本文參照遙感震害定量評估思路，直接以快速調查得到的少量有限單棟房屋建筑震害為統(tǒng)計對象，反推地面震害指數(shù)，從而進行定量評估分析。

2 玉樹地震現(xiàn)場震害調查及遙感震害提取

2.1 玉樹縣結古鎮(zhèn)建筑物災害調查

玉樹7.1級地震發(fā)生后，作者所在工作組于2010年5月8日對災區(qū)建筑物震害、地表破裂、地震地質次生災害進行了野外考察獲取大量的一手野外資料。其中玉樹縣城結古鎮(zhèn)對建(構)筑物進行了約350處調查，其中資料較完整的房屋建筑單體大約有250多棟(圖1)。調查涵蓋了磚木結構和土木結構、磚混結構、框架結構、鋼筋混凝土廠房和磚柱廠房建筑物等房屋結構類型。調查建筑結構類型及破壞程度統(tǒng)計見圖2。調查內容包括房屋建筑年代、樓層高度、建筑面積、破壞程度等。結古鎮(zhèn)中心地區(qū)房屋建筑以磚混結構為主，城區(qū)其他地區(qū)以磚木和土木結構為主，地震造成城鎮(zhèn)中心地區(qū)部分磚混結構嚴重破壞，城鎮(zhèn)西部和南部地區(qū)的磚木和土木結構房屋基本上全毀。

圖1 玉樹縣城區(qū)(結古鎮(zhèn))建筑物震害現(xiàn)場調查點分布圖

圖2 現(xiàn)場調查房屋建筑結構數(shù)量

2.2 結古鎮(zhèn)遙感震害提取

玉樹地震發(fā)生后，國內外遙感數(shù)據(jù)源獲取單位迅速獲取并及時提供了大量震前震后高分辨率影像。地震應急期內，主要使用了中國科學院對地觀測中心地震發(fā)生當天下午獲取的分辨率優(yōu)于0.4 m的航空遙感影像、北京天目科技有限公司提供的震前Quickbird影像(2004年11月6日獲取)和震后Quickbird影像(2010年4月15日獲取)、國家測繪局0.2 m航空遙感影像(2010年4月17日拍攝)等高分辨率衛(wèi)星影像。對結古鎮(zhèn)11 100多棟建筑物震害程度、結構類型、樓層高度進行了詳細判讀，并提取了每棟房屋的邊界。對于高分辨率遙感圖像未覆蓋區(qū)域主要居民點，使用北京視寶圖像有限公司提供的震前震后SPOT衛(wèi)星和國產衛(wèi)星影像對比分析判定其房屋建筑震害程度。地震科學考察時期，在綜合分析各類結構類型建筑物的不同破壞類型震害影像特征基礎上，逐棟房屋進行修正，得到了更加準確的建筑物震害提取結果。

圖3所示為結古鎮(zhèn)建筑物單體震害遙感提取結果，從圖中可以看出結古鎮(zhèn)建筑物大部分倒塌或局部倒塌，并且不同區(qū)域震害差別比較大，城南和城西以磚木和土木為主的房屋大多數(shù)倒塌，與現(xiàn)場調查結果的吻合。圖4顯示了不同結構類型震害影像特征，其中，A圖中箭頭所指的為一4層磚混結構房屋，位于扎曲南路和新道路交叉路口東北角，為商住兩用民房，底下兩層坍塌，數(shù)人傷亡。A影像(中國科學院對地觀測與數(shù)字地球科學中心0.4 m航空遙感影像，2010年4月15日拍攝)中顯示房屋周邊有落瓦，故判斷該建筑破壞未倒塌。B影像由于搶救埋壓人員，該房屋被全部推倒，顯示為部分倒塌。C為現(xiàn)場調查照片，攝于2010年5月11日。D影像顯示的房屋建筑位于結古鎮(zhèn)西部扎西科路南居民區(qū)，該區(qū)域房屋建筑結構以土木結構為主，該區(qū)域房屋幾乎全部倒塌。與震前Quickbird影像(2004年11月6日)比較，表明該區(qū)域較多房屋為2004年后增建房屋，照片(F圖)攝于2010年5月12日。

圖3 玉樹縣城區(qū)(結古鎮(zhèn))建筑物震害遙感解譯分布圖

圖4 典型震害影像

3 現(xiàn)場調查與遙感影像解譯對比分析

為了對比分析建筑物震害遙感解譯結果與地面實際調查結果的一致性，作者分別對現(xiàn)場調查的250多棟房屋建筑地面調查震害與遙感解譯震害進行統(tǒng)計對比分析，結果見表1和圖5。遙感解譯的倒塌建筑物實際地面調查均確認毀壞;遙感解譯的局部倒塌建筑物大部分(67.4%)地面調查確認毀壞，大約16.3%地面調查判定為嚴重或中等破壞;遙感解譯的未倒塌建筑物地面調查大部分(60.1%)結果為輕微破壞或基本完好。

從實際震害角度分析，毀壞建筑物中，有92.3%遙感解譯判定為倒塌或局部倒塌;輕微破壞或基本完好建筑物中，有93.7%遙感解譯判定為未倒塌;嚴重或中等破壞建筑物則比較復雜，大部分(87.0%)遙感解譯判定為未倒塌。因此，遙感解譯對于毀壞，基本完好和輕微破壞建筑物識別正確率比較高，但對嚴重或中等破壞建筑物誤判率比較高。這是由于地面調查嚴重破壞和中等破壞級別房屋主要震害特征為墻體裂縫嚴重或較多而房屋未倒塌，因此遙感影像將其多數(shù)識別為未倒塌級別。

表1 玉樹地震結古鎮(zhèn)建筑物震害遙感解譯結果與實際震害對比 棟

圖5 玉樹地震結古鎮(zhèn)建筑物破壞等級地面調查與遙感解譯對比

4 玉樹地震建筑物遙感與現(xiàn)場調查定量關系

根據(jù)建筑物震害快速定量評估思路，將遙感解譯的建筑物單體震害指數(shù)分別取值為:1－倒塌取值1.0，2－局部倒塌取值0.5，3－未倒塌取值0.01，實際建筑物單體震害指數(shù)分別為:1－毀壞(倒塌)取值1.0;2－毀壞(未倒塌)取值0.9;3－嚴重破壞取值0.7;4－中等破壞取值0.4;5－輕微破壞取值0.2;6－基本完好取值0.01。則可分別計算遙感解譯平均震害指數(shù)和建筑物實際震害指數(shù)。根據(jù)地面調查與遙感解譯震害對比調查數(shù)據(jù)，以遙感震害調查建筑物的同一震害級別為分組依據(jù)，按照平均震害指數(shù)的統(tǒng)計方式，統(tǒng)計確定了對應的實際震害指數(shù)(表2)，得到玉樹地震結古鎮(zhèn)遙感震害與實際震害定量關系多項式擬合結果(圖6)和直線擬合結果(圖7)。

表2 玉樹地震結古鎮(zhèn)建筑物震害定量對比分析

圖6 玉樹地震結古鎮(zhèn)實際震害與遙感震害多項式擬合定量關系

圖7 玉樹地震結古鎮(zhèn)實際震害與遙感震害線性擬合定量關系

圖6和圖7中定量關系表明，遙感震害指數(shù)相對比實際震害指數(shù)小，這與遙感識別震害的能力有限的實際情況是相符的，但遙感震害指數(shù)與實際震害指數(shù)表現(xiàn)了很好的相關性。分別采用多項式擬合和線性擬合的遙感震害指數(shù)與實際震害指數(shù)的定量關系，結果如下。

采用多項式擬合的定量關系公式:

采用線性擬合的定量關系公式:

式中:DIRS為遙感解譯震害指數(shù)，是基于震后高分航空遙感建筑物震害解譯結果確定的震害指數(shù);DIG為實際震害指數(shù)，是依據(jù)現(xiàn)場建筑物震害調查結果確定的震害指數(shù)。

比較上述兩種擬合結果，線性擬合結果不如多項式擬合結果精確，而且在震害指數(shù)比較高的時候，會出現(xiàn)超過1的不合理情形。因此，選擇多項式擬合結果作為玉樹地震結古鎮(zhèn)高分辨率光學遙感影像震害解譯結果與實際震害的定量轉換關系。

5 玉樹縣結古鎮(zhèn)建筑震害遙感快速定量評估

基于玉樹縣結古鎮(zhèn)單棟房屋建筑的高分辨率航空遙感影像震害判讀結果，以街區(qū)為計算單元，統(tǒng)計計算了玉樹縣結古鎮(zhèn)各街區(qū)的遙感震害指數(shù)，利用式(4)得到每個街區(qū)對應的等效地面震害指數(shù)，空間分布如圖8所示。

圖8 玉樹縣結古鎮(zhèn)街區(qū)等效地面震害指數(shù)分布圖

圖8顯示結古鎮(zhèn)西部和南部破壞較嚴重，東部和北部破壞較輕，建筑物破壞整體分布特征與玉樹地貌類型［20］、地震斷裂、地表破裂密切相關。玉樹地震發(fā)生在甘孜—玉樹—風火山斷裂帶的玉樹段，造成長約31km的地表破裂［21］。地表破裂帶從位于玉樹城區(qū)南部賽馬場以西(扎曲河以南)至加吉村東側山梁，沿玉樹－巴塘公路加油站西側山坡向東南，穿越巴曲河后，從結古鎮(zhèn)禪古村南側通過，抵達禪古村小學操場終止［22］。遙感影像定量評估的震害指數(shù)分布展示了沿地表破裂與斷裂較近的范圍內建筑物破裂嚴重，稍遠地區(qū)破壞相對較輕，與馬寅生［23］等的現(xiàn)場調查分析結論相吻合。

同時，對結古鎮(zhèn)所有房屋建筑震害程度進行統(tǒng)計，得到整個結古鎮(zhèn)遙感震害指數(shù)為0.35，依據(jù)定量關系公式(4)得到等效地面綜合震害指數(shù)為0.64，根據(jù)中國地震烈度表，結古鎮(zhèn)地震烈度為Ⅸ度，該結果與中國地震局的地面調查烈度［24］一致。

6 結論

本文在伽師地震、汶川地震震害定量化評估基礎上，提出了基于少量現(xiàn)場調查樣本建立遙感解譯震害與地面實際震害定量評估的方法和理論模型;對玉樹地震遙感震害解譯與現(xiàn)場調查結果進行了分析，建立了兩者定量關系，并進一步得到了街區(qū)等效震害指數(shù)和結古鎮(zhèn)綜合震害指數(shù)。盡管文中建筑震害統(tǒng)計分析時，使用了平均震害指數(shù)，而沒有考慮建筑物結構類型對震害程度的影響，但結果顯示無論是以街區(qū)為單元的遙感震害分布，還是玉樹縣綜合震害指數(shù)都與實際調查結果一致。

本文定量模型針對城鎮(zhèn)建筑物是基于0.2 m和0.4 m的航空影像得到的，具有一定的適應性。該模型可應用于建筑物結構類型分布與玉樹縣結古鎮(zhèn)相似的城鎮(zhèn)遙感震害評估工作中。

地震應急期間，根據(jù)地震現(xiàn)場的調查資料，應用本文基于少量調查樣本的震害快速定量評估方法，可快速確定災區(qū)的定量評估模型，應用該模型能夠得到更接近實際災情的遙感評估結果，實現(xiàn)地震應急快速定量評估，及時為地震應急指揮與救援決策服務。

致謝:玉樹地震建筑物震害現(xiàn)場遙感對比調查由中國地震局“玉樹7.1級地震科學考察”項目資助，得到了青海省地震局、玉樹州地震局、玉樹地震臺等單位的幫助。玉樹地震應急期間，中國科學院對地觀測與數(shù)字地球科學中心、北京遙感信息研究所、北京視寶衛(wèi)星圖像有限公司、中國四維測繪技術總公司、國家測繪局、北京東方道邇信息技術有限責任公司、北京博思科空間信息技術有限公司、北京宇視藍圖信息技術有限公司等國內外有關單位和公司及時提供了大量的高分辨率為主的衛(wèi)星和航空光學與雷達遙感影像，為保證應急遙感分析處理工作的開展奠定了重要的基礎。特此致以深深的謝意!

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Quantitative Methods of Rapid Earthquake Damage Assessment Using Remote Sensing and Its App lication in Yushu Earthquake

Dou Aixia1，2，Wang Xiaoqing2，Ding Xiang2，Yuan Xiaoxiang2，Wang Long2，Dong Yanfang2and Jin Dingjian2
(1．Institute of Geology，China Earthquake Administration．Beijing 100029，China;2．Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration．Beijing 100036，China)

Based on the quantitative damage assessment of Jiashi and Wenchuan Earthquake via remote sensingmethod，the authors bring out a new method for quantitative assessment of earthquake damage，which need only few in suit survey samples to be investigated by remote sensing method and few actual ground earthquake damage to quantitatively assess the earthquake damage．What’smore，the quantitative relationship between the earthquake damage gained by remote sensing method and the actual damage gained by actual survey is setup on basis of Yushu Earthquake．The equivalent damage index and comprehensive damage index in Jiegu Town of Yushu City are gained．It shows that the result got by rapid remote sensing quantitative assessment is consistent with the result gained by actual survey．This model can be applied in building type distribution assessment and urban earthquake disaster assessment using remote sensing in the similar cities as Jiegu Town of Yushu City．

aerial remote sensing;building;earthquake damage;quantitative method;assessment;Yushu earthquake;Jiashi earthquake;Wenchuan earthquake

P315.9;V279

A

1000－811X(2012)03－0075－06

2011－11－07

2012－01－29

科技部中美國際科技合作項目“地震應急遙感實用化關鍵技術研究”(2009DFA21610);中國地震局“玉樹7.1級地震科學考察”項目

竇愛霞(1977－)，女，山東高密人，博士研究生，副研究員，現(xiàn)從事地震災害遙感提取、定量評估應用研究與軟件開發(fā)．E-mail:axdothy@163.com