遙感技術(shù)在地震震害監(jiān)測中的應(yīng)用

許仕敏，李文武，秦志遠(yuǎn)，張 萍

（1. 信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052；2. 68029部隊，甘肅 蘭州 730020）

遙感技術(shù)在地震震害監(jiān)測中的應(yīng)用

許仕敏1,2，李文武1,2，秦志遠(yuǎn)1，張 萍2

（1. 信息工程大學(xué) 地理空間信息學(xué)院，河南 鄭州 450052；2. 68029部隊，甘肅 蘭州 730020）

地震是人類無法抵御的嚴(yán)重自然災(zāi)害，利用遙感技術(shù)及時獲取震害信息開展救援是減輕損失的有效方法。在詳細(xì)總結(jié)震害遙感監(jiān)測主要技術(shù)及現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理、震害信息提取和次生災(zāi)害監(jiān)測方法進(jìn)行分析，提出震害遙感監(jiān)測的發(fā)展趨勢。

遙感；震害監(jiān)測；震害信息提取；次生災(zāi)害

地震是最危險的自然災(zāi)害之一。破壞性地震發(fā)生后，往往造成嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。及時獲取震害信息，開展救援行動，是有效減輕災(zāi)害損失的方法。

傳統(tǒng)震害監(jiān)測方法以人工實地調(diào)查為主，其監(jiān)測范圍和實效性都有很大局限性。遙感觀測具有范圍廣、時勢性強(qiáng)、觀測周期短等特點，同時可以多平臺、多傳感器、多分辨率獲取災(zāi)區(qū)數(shù)據(jù)，使其在震害監(jiān)測中發(fā)揮了重要作用。地震后，通過機(jī)載、星載遙感數(shù)據(jù)及時獲取震后災(zāi)害信息，包括建筑物倒塌、道路損毀、滑坡、堰塞湖、泥石流等的數(shù)量和分布情況，為地震應(yīng)急救援提供決策依據(jù)[1]。文中就遙感數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理、遙感震害提取和次生災(zāi)害監(jiān)測方法進(jìn)行總結(jié)和分析，并討論震害遙感監(jiān)測的發(fā)展趨勢。

1 遙感數(shù)據(jù)獲取及預(yù)處理

20世紀(jì)60年代，航空攝影遙感開始用于地震災(zāi)害調(diào)查與評估。到20世紀(jì)90年代，星載遙感數(shù)據(jù)分辨率有較大提高并開始用于震害監(jiān)測。2000年后，商業(yè)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)分辨率達(dá)到m級和亞m級，傳感器類型和數(shù)量也多樣化，星載遙感數(shù)據(jù)大量用于震害監(jiān)測。當(dāng)前震害監(jiān)測中所用數(shù)據(jù)更加多樣化，包括機(jī)載光學(xué)影像和SAR影像、機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)、無人機(jī)影像，以及星載光學(xué)影像和SAR影像等。

1.1 震害監(jiān)測遙感數(shù)據(jù)的獲取

地震造成不同類型的災(zāi)害，同時強(qiáng)余震及震后降雨會引起新的次生災(zāi)害，因此在震害監(jiān)測中需要利用多種傳感器獲取多源遙感影像用于災(zāi)害情況的普查和詳查，并不斷更新。其中，分辨率高于1 m的影像主要用于重點受災(zāi)區(qū)域的受災(zāi)程度詳查，分析建筑物倒塌情況、基礎(chǔ)設(shè)施損毀等細(xì)節(jié)信息。2～10 m中等分辨率影像用于監(jiān)測道路通達(dá)、規(guī)劃救援方案及災(zāi)后重建的詳細(xì)規(guī)劃等。10～30 m的中低分辨率影像由于覆蓋范圍大，可用于監(jiān)測震區(qū)次生災(zāi)害，如滑坡、泥石流、堰塞湖演變等較大的持續(xù)變化目標(biāo)的動態(tài)信息。震后數(shù)據(jù)獲取中應(yīng)重點獲取高分辨率數(shù)據(jù)，因此震后應(yīng)立即規(guī)劃獲取航空影像和無人機(jī)影像，以及高分辨率衛(wèi)星影像。

現(xiàn)代遙感技術(shù)的各種數(shù)據(jù)獲取手段在汶川地震中得到廣泛使用。汶川地震中所使用的機(jī)載數(shù)據(jù)包括光學(xué)影像、SAR影像和機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)，以及無人機(jī)影像。機(jī)載光學(xué)影像包括由Leica ADS40、Z/I Imaging DMC和SWDC-4等光學(xué)傳感器分別獲取的線陣和面陣數(shù)據(jù)，機(jī)載SAR在救災(zāi)過程中獲取大量數(shù)據(jù)，機(jī)載Lidar數(shù)據(jù)則是用Leica ALS50監(jiān)測唐家山堰塞湖所獲取的高程數(shù)據(jù)。星載數(shù)據(jù)包括我國自主對地觀測衛(wèi)星中巴資源衛(wèi)星和北京1號衛(wèi)星數(shù)據(jù)，以及由國際“空間與重大災(zāi)害國際憲章”機(jī)制提供的Topsat、Radarsat-1、SPOT、ALOS、ENVISAT、TerraSAR、EROS-B等衛(wèi)星的光學(xué)和SAR影像[1]。

1.2 遙感數(shù)據(jù)的預(yù)處理

震后遙感數(shù)據(jù)快速預(yù)處理包括機(jī)載影像和衛(wèi)星影像的糾正、拼接、鑲嵌、勻光等。遙感影像糾正后具有可定位、可量測的功能。適用于地震后地面控制點設(shè)置和量測。震后應(yīng)急是第一需要，所以影像糾正精度不是越高越好，而是在滿足需求的情況下越快越好，因而可從已有的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)中選擇少量控制點用于糾正。

航空影像的糾正方法根據(jù)傳感器系統(tǒng)的不同，可分別采用加密控制點的空中三角測量獲取外方位元素的糾正影像，以及利用GPS/IMU采集的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接糾正或GPS/IMU輔助空中三角測量獲取外方位元素的影像糾正，以保證影像拼接的精度[1-3]。無人機(jī)影像糾正可采用與同期高分辨率遙感影像配準(zhǔn)的方法進(jìn)行，配準(zhǔn)方法包括基于同名點、基于特征、基于區(qū)域的方法等[4]。衛(wèi)星影像糾正方法包括：基于有理多項式模型（RPC）的無控或少量地面控制點結(jié)合衛(wèi)星影像RPC 參數(shù)的糾正，基于二次多項式或其他模型的影像糾正[1-3]。汶川地震中武漢大學(xué)研制的基于RPC模型的星載光學(xué)和SAR影像處理軟件發(fā)揮了重要作用，對得到的衛(wèi)星光學(xué)和SAR影像進(jìn)行糾正處理，在少控制點的情況下獲得較高的定位精度[1]。

2 震害的遙感監(jiān)測

地震發(fā)生時，能量的突然釋放引起地球震動，造成人工建筑物的破壞，同時還會引起山體滑坡、堰塞湖、泥石流、海嘯以及火災(zāi)等次生災(zāi)害。遙感技術(shù)以其觀測范圍廣、速度快、更新周期短等特點，在震后災(zāi)害信息提取、次生災(zāi)害監(jiān)測等方面發(fā)揮了重要作用。

2.1 震害信息提取

從20世紀(jì)60年代航空攝影遙感技術(shù)就被引入到震害調(diào)查中，美日等發(fā)達(dá)國家把遙感技術(shù)作為地震應(yīng)急反應(yīng)中快速獲取震害信息的主要手段。我國自1966年邢臺地震開始，把遙感技術(shù)用于震害調(diào)查，并在之后的研究和應(yīng)用中獲得許多有價值的研究成果和應(yīng)用經(jīng)驗。遙感技術(shù)用于地震調(diào)查之初，依靠人工目視判讀從航攝像片中提取震害信息。20世紀(jì)90年代隨著遙感技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，研究者發(fā)展了基于變化檢測和影像分類的遙感震害信息自動提取方法。當(dāng)前遙感震害信息提取方法可分為3類：基于目視判讀的方法、基于變化檢測的方法、基于影像分類的方法。

2.1.1 基于目視判讀的方法

20世紀(jì)60年代航空攝影遙感廣泛用于震害調(diào)查，主要使用黑白和假彩色紅外膠片進(jìn)行航空攝影，通過對航空像片的目視判讀和解譯獲取震害信息。之后的研究和應(yīng)用中，研究人員對震害信息的判讀標(biāo)志、解譯方法、分類分級標(biāo)準(zhǔn)、精度等進(jìn)行了總結(jié)。

張德成根據(jù)航空照片判讀原理，研究海城、唐山、龍陵地震航空照片中建筑物震害特點，建立了包括各類房屋、構(gòu)筑物、人工建筑以及重要生命線工程在內(nèi)的建筑物判讀標(biāo)志，并提出建筑物倒塌率與烈度的對應(yīng)關(guān)系[5]。陳鑫連等通過邢臺、唐山等震例系統(tǒng)研究了航空遙感獲取震害信息和影像中各類震害的判讀方法以及震害分類分級標(biāo)準(zhǔn)[6]。程家喻等用邢臺地震以來的地震資料統(tǒng)計了主要震害目標(biāo)的尺度及判讀概率，分析航空遙感震害調(diào)查的精度和攝影比例尺的選擇等問題[7]。王曉青等以新疆巴楚-伽師地震為例，采用目視判讀震害，提出遙感震害分級分類標(biāo)準(zhǔn)和地震烈度劃分標(biāo)準(zhǔn)，從而圈定基于影像的地震烈度分布圖[8]。當(dāng)前震害信息的提取仍然以目視判讀為主，以屏幕顯示的數(shù)字影像進(jìn)行人機(jī)交互判讀并統(tǒng)計震害信息。汶川地震、玉樹地震和雅安地震中，通過對大量光學(xué)和雷達(dá)影像的目視判讀獲取建筑物倒塌、道路損毀、滑坡、堰塞湖等各類震害信息，實現(xiàn)災(zāi)情的監(jiān)測和評估[1,9-13]。

2.1.2 基于變化檢測的方法

與震前影像相比，震后影像由于建筑物倒塌、滑坡等造成地物波譜特征和結(jié)構(gòu)特征發(fā)生較大變化，局部地貌也發(fā)生變化。當(dāng)震區(qū)有震前和震后遙感數(shù)據(jù)及空間數(shù)據(jù)時，可以利用變化檢測進(jìn)行震害信息的提取。變化檢測提取震害信息發(fā)展之初，主要是通過震前和震后新舊影像的像元級變化檢測實現(xiàn)，如光學(xué)影像、SAR影像間的變化檢測。之后發(fā)展了多源數(shù)據(jù)的特征級變化檢測，包括不同源影像、影像與地圖數(shù)據(jù)產(chǎn)品等的變化檢測，檢測范圍由二維發(fā)展到三維[1,14]。三維變化檢測可以精確地描述地震區(qū)域地物地貌的三維變化，其提取震害信息是針對災(zāi)前災(zāi)后兩個數(shù)字高程模型（DEM）的變化檢測。根據(jù)災(zāi)后DEM獲取方式可分為3類：①結(jié)合災(zāi)前DEM、DOM等數(shù)據(jù)，利用攝影測量的方法由災(zāi)后立體像對生成災(zāi)后DEM，從而與災(zāi)前DEM進(jìn)行變化檢測；②結(jié)合災(zāi)前DEM、SAR數(shù)據(jù)，將災(zāi)后獲取的SAR數(shù)據(jù)利用InSAR技術(shù)計算DEM或用D-InSAR技術(shù)直接獲取三維變化信息；③結(jié)合災(zāi)前DEM，利用機(jī)載Lidar獲取震區(qū)點云數(shù)據(jù)反演災(zāi)后DEM數(shù)據(jù)從而分析地形變化。

在變化檢測的震害提取研究中，Estrada等對1999年土耳其地震前后的LandsatTM影像計算植被指數(shù)，用變化檢測確定建筑物震害的分布范圍，但不能確定建筑物的受損程度及類型[15]。Rathje等用QuickBird高分辨率影像對2003年伊朗巴姆地震進(jìn)行變化檢測，通過相關(guān)系數(shù)識別影像中紋理變化來提取震害信息[16]。張景發(fā)等以張北地震為例，采用相關(guān)性、平均灰度、平均方差等參數(shù)對地震前后的SAR影像進(jìn)行變化檢測，確定建筑物的破壞范圍、程度并提取震害指數(shù)[17]。劉云華等利用汶川地震前后SAR幅度影像，通過比值法變化檢測、干涉相關(guān)影像失相關(guān)分析法識別受災(zāi)區(qū)域并提取震害信息[18]。潘倩利用IRS-P5立體像對提取平武地區(qū)汶川地震前后的DEM，然后用坡度、坡向分析以及DEM差值法檢測地形變化信息，從而提取地質(zhì)災(zāi)害信息[19]。武漢大學(xué)對北川地區(qū)災(zāi)前SPOT、災(zāi)后福衛(wèi)異源數(shù)據(jù)進(jìn)行變化檢測，對檢測結(jié)果進(jìn)行分類提取震害[1]。趙福軍用面向?qū)ο笞兓瘷z測方法提取伊朗巴姆地震前后震區(qū)QuickBird影像中建筑物震害，用汶川地震北川縣城附近地震前后的福衛(wèi)-2衛(wèi)星影像提取典型次生災(zāi)害，同時研究用震前震后雷達(dá)影像相關(guān)系數(shù)、干涉相干變化指數(shù)提取震害的方法，用ENVISAT ScanSAR數(shù)據(jù)分析汶川地震中部分城鎮(zhèn)的建筑物破壞程度[20]。

2.1.3 基于影像分類的方法

由于震后影像中倒塌建筑物、滑坡、泥石流區(qū)域與未破壞區(qū)域在光譜、形態(tài)上有較大差異，研究者提出基于單時相遙感影像分類的震害信息提取方法。中低分辨率影像主要采用基于像素分類的震害提取方法。高分辨率遙感影像中可以清晰地分辨單個建筑體，細(xì)節(jié)信息更加豐富?；谟跋穹诸惖恼鸷π畔⑻崛⊙芯拷?jīng)歷了三個階段：基于像素分類、基于區(qū)域分類和面向?qū)ο蠓诸惖恼鸷π畔⑻崛　?/p>

在基于像素分類的震害信息提取方面，Mitomi等利用機(jī)載MSS數(shù)據(jù)進(jìn)行光譜特征值分析識別震后砂土液化和火災(zāi)信息[21]；Matsuoka等采用判別式從1995年神戶地震的Landsat和SPOT遙感影像中提取倒塌建筑物、震后火災(zāi)和砂土液化等震害信息[22]；Mitomi等采用主成分分析對圖像特征進(jìn)行變換，以最大似然分類法從航空遙感數(shù)據(jù)中自動識別和檢測震后建筑物[23]；張景發(fā)等對震害影像進(jìn)行分級并分析影像特征，建立震害信息提取的統(tǒng)計模型，結(jié)合樣本圖像初步表征各種震害特征[24]。以上利用光譜特征、統(tǒng)計特征、最大似然分類等提取震害的方法都可以歸為基于像素分類的方法。柳稼航首次對區(qū)域分類的建筑物震害提取進(jìn)行研究，通過對高分辨率遙感影像進(jìn)行分割得到獨立的建筑區(qū)域，以區(qū)域為單元提取特征信息并綜合分析，根據(jù)完好建筑與破壞建筑的區(qū)域特性進(jìn)行分類，自動獲取建筑物震害信息[25]。面向?qū)ο蠓诸惙矫?，Thuy等對伊朗巴姆地震后QuickBird影像用面向?qū)ο蟮姆椒ㄌ崛⊥旰媒ㄖ锖推茐慕ㄖ?，實驗表明該方法用于震害信息提取有較好前景[26]。汶川地震中面向?qū)ο蟮恼鸷μ崛〉玫酱罅繎?yīng)用。任玉環(huán)等對震后道路破壞情況進(jìn)行檢測[27]；王巖等對都江堰城區(qū)震后航空遙感影像分類提取建筑物中的毀壞區(qū)域[28]；趙福軍對汶川地震震后高分辨率衛(wèi)星影像及航空影像提取建筑物、道路、橋梁信息以及泥石流、滑坡、崩塌等多種類型震害信息[20]。

在汶川、玉樹、雅安地震的震害信息獲取中，目視判讀、變化檢測、分類識別的方法都得到應(yīng)用。目視判讀提取的震害信息精度和可靠性較高，但存在工作量大、效率不高等問題，而且判讀結(jié)果與判讀人員的專業(yè)知識和經(jīng)驗有關(guān)，難以滿足應(yīng)急的需求。變化檢測方法效率較高，但基于影像的變化檢測需影像配準(zhǔn)精度較高且對兩幅圖像的差異非常敏感，應(yīng)用中要獲得時間相關(guān)性好的震前震后遙感影像較為困難，故提取的震害信息誤差較大。分類的方法也存在分類參數(shù)缺乏一致性選擇、分類精度不高等問題。震害的自動提取已有很多研究，但還沒有適用于大范圍震區(qū)和海量遙感數(shù)據(jù)的普適性自動識別方法。人工判讀與自動提取相結(jié)合將可獲得最佳的震害識別效果，因而發(fā)展人機(jī)交互判讀系統(tǒng)，提高交互判讀中震害提取的自動化程度和精度將是研究的重點方向。

2.2 次生災(zāi)害監(jiān)測

強(qiáng)震發(fā)生后常誘發(fā)各種次生災(zāi)害。2008年汶川地震后誘發(fā)大量滑坡以及崩塌和泥石流，造成交通受阻、居民地被掩埋，對災(zāi)后救援造成極大阻礙，同時滑坡體堵塞河道形成堰塞湖，嚴(yán)重威脅河流上下游安全，其中唐家山堰塞湖是震后最為嚴(yán)重的次生災(zāi)害。2004年印尼地震和2011年日本地震引起的海嘯造成了嚴(yán)重的災(zāi)害損失。

利用遙感技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測的次生災(zāi)害主要是崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖和海嘯。次生災(zāi)害類型由震源區(qū)域的地理環(huán)境決定，相應(yīng)的監(jiān)測手段有較大差異。崩塌、滑坡、泥石流、堰塞湖由內(nèi)陸地震引起，多在山地、丘陵地區(qū)發(fā)生，其中泥石流和堰塞湖又大多由滑坡引起。滑坡又分同震型滑坡、震后降雨型滑坡、余震型滑坡。震后降雨型滑坡數(shù)量較多，對這類災(zāi)害應(yīng)動態(tài)監(jiān)測，尤其要重點監(jiān)測河流、道路及居民地周邊區(qū)域，防范滑坡對道路的破壞和堰塞湖的形成。監(jiān)測手段包括光學(xué)成像、雷達(dá)成像及Lidar測量，尤其是雷達(dá)成像可全天候工作且實現(xiàn)三維監(jiān)測，基于InSAR和Lidar的三維變化檢測方法有較好的應(yīng)用前景。汶川地震中，邵蕓等用SAR影像重點監(jiān)測滑坡和堰塞湖并解譯災(zāi)害信息[11]；張繼賢等利用光學(xué)和SAR影像對滑坡、泥石流、堰塞湖等次生災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測和評估[12]；武漢大學(xué)研究小組在唐家山堰塞湖動態(tài)監(jiān)測中，通過多時相遙感影像的變化檢測，提取堰塞湖水面形態(tài)的變化，同時利用機(jī)載Lidar對震后堰塞湖區(qū)域地形進(jìn)行高精度測量，結(jié)合災(zāi)前DEM數(shù)據(jù)分析震后地形變化，實現(xiàn)對堰塞湖形態(tài)的動態(tài)監(jiān)測和庫容分析[1]。

海嘯由深海地震引起，深海地震發(fā)生后根據(jù)測定的相關(guān)參數(shù)決定是否發(fā)布海嘯預(yù)警，并利用星載雷達(dá)、激光高度計監(jiān)測海平面變化，可監(jiān)測海嘯的發(fā)展動態(tài)。美日等國都在海嘯的衛(wèi)星遙感監(jiān)測方面進(jìn)行研究和計劃，其中美國和法國聯(lián)合研制的Jason-1海洋觀測衛(wèi)星利用雷達(dá)高度計已經(jīng)監(jiān)測到傳播的海嘯波[29]。

3 震害遙感監(jiān)測的發(fā)展趨勢

遙感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于震害監(jiān)測，遙感平臺從航攝飛機(jī)、無人機(jī)到衛(wèi)星，波譜范圍從可見光、紅外到微波，遙感數(shù)據(jù)從二維影像到三維空間數(shù)據(jù)。隨著遙感技術(shù)和信息處理技術(shù)的發(fā)展，以及應(yīng)急響應(yīng)機(jī)制的健全和完善，震害遙感監(jiān)測在數(shù)據(jù)獲取方面將形成空天地一體化立體觀測，在數(shù)據(jù)處理方面將向著多源數(shù)據(jù)集成與融合、數(shù)據(jù)處理實時化定量化的方向發(fā)展。

1） 空天地一體化立體觀測。當(dāng)前各類遙感平臺和傳感器構(gòu)成的觀測系統(tǒng)大多為孤立系統(tǒng)，觀測數(shù)據(jù)共享困難，無法滿足地震應(yīng)急快速響應(yīng)的需求，因此構(gòu)建和發(fā)展空天地一體化對地觀測系統(tǒng)是我國對地觀測的發(fā)展方向。同時震害監(jiān)測中需要對災(zāi)區(qū)進(jìn)行高分辨率重復(fù)觀測，這就需要提高我國高分辨率遙感數(shù)據(jù)獲取能力，尤其加強(qiáng)無人機(jī)和衛(wèi)星遙感觀測的投入，加快高分辨率對地觀測系統(tǒng)的建設(shè)，實現(xiàn)對震害的全方位立體高分辨監(jiān)測。

2）多源數(shù)據(jù)集成與融合。震害遙感監(jiān)測中獲取了大量不同平臺和傳感器的多源遙感數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)集成與融合，可以充分利用各類傳感器的優(yōu)勢，實現(xiàn)信息互補(bǔ)，有效地獲取震害信息。如具有全天候工作能力的SAR可有效補(bǔ)充光學(xué)傳感器震后降雨觀測能力的不足；Lidar能直接獲取三維空間數(shù)據(jù)，對滑坡、堰塞湖等可實現(xiàn)高效的動態(tài)立體觀測。多源遙感數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)的集成與融合，對救援行動規(guī)劃、震害評估有重要意義。

3）數(shù)據(jù)處理實時化定量化。地震應(yīng)急救援的緊迫性要求數(shù)據(jù)處理有較高時效性，因此提高遙感數(shù)據(jù)處理及信息提取能力，研究不依賴地面控制點的遙感影像糾正和拼接、自動/半自動的震害信息提取方法，實現(xiàn)實時/近實時的數(shù)據(jù)處理，滿足救災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)的需求是遙感數(shù)據(jù)處理研究的方向。數(shù)據(jù)處理定量化即震害信息解譯結(jié)果的定量化，為救災(zāi)決策提供參考，也將促進(jìn)遙感監(jiān)測的應(yīng)用不斷深化。

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1672-4623（2014）05-0009-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2014.05.004

許仕敏，碩士，研究方向為遙感信息處理與應(yīng)用。

2013-10-30。

項目來源：總裝十二五預(yù)研項目。