高光譜遙感技術(shù)在建（構(gòu)）筑物震害識(shí)別中的應(yīng)用1

李 強(qiáng) 張景發(fā)

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高光譜遙感技術(shù)在建（構(gòu)）筑物震害識(shí)別中的應(yīng)用1

李 強(qiáng)1，2）張景發(fā)2）

1）中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所（中國(guó)地震局工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），哈爾濱 150080 2）中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所（地殼動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），北京 100085

高光譜遙感作為20世紀(jì)空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)重大進(jìn)步的產(chǎn)物，通過(guò)其較高的光譜分辨率，為人們提供了豐富的地球表面信息，在各個(gè)研究領(lǐng)域得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，并取得了卓越的成果。盡管高光譜遙感具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是針對(duì)其在震害評(píng)估領(lǐng)域中應(yīng)用的相關(guān)研究較少。本文在總結(jié)高光譜遙感的特征、優(yōu)勢(shì)及不同領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，開(kāi)展了其在震害評(píng)估領(lǐng)域的應(yīng)用研究?；贏SD地物波譜儀獲取的建（構(gòu)）筑物光譜曲線構(gòu)建可用于震害分析所需的光譜特征庫(kù)，對(duì)比光譜庫(kù)中地物曲線之間的差異后，發(fā)現(xiàn)高光譜遙感在震害評(píng)估領(lǐng)域中的應(yīng)用是可行的，因不同震害地物之間的光譜特征曲線存在差異，依據(jù)這種差異可區(qū)分不同的震害信息，從而對(duì)震害遙感圖像進(jìn)行精細(xì)分類。

高光譜遙感 光譜特征 地物光譜庫(kù) 震害評(píng)估

引言

空間對(duì)地觀測(cè)技術(shù)是20世紀(jì)科技發(fā)展的重大成果，以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的遙感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離非接觸性地球觀測(cè)（楊哲海等，2003）。近幾十年來(lái)，隨著遙感平臺(tái)、傳感器及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，遙感技術(shù)逐漸向微波和高光譜方向發(fā)展。高光譜遙感在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)，其光譜分辨率達(dá)到納米量級(jí)，形成的空間影像中的每個(gè)像素都具有其對(duì)應(yīng)的光譜特征，提高了人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)能力（童慶禧，2008）。

經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，利用高光譜遙感較高的光譜分辨率能獲取較常規(guī)遙感手段更為詳細(xì)的地面信息，受到了國(guó)內(nèi)外對(duì)地觀測(cè)研究領(lǐng)域及其他領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注，從數(shù)據(jù)獲取到數(shù)據(jù)的處理與應(yīng)用等方面都得到了快速的發(fā)展。高光譜遙感已在地球科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，如精細(xì)農(nóng)業(yè)、林業(yè)調(diào)查、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、地質(zhì)找礦及制圖、識(shí)別偽軍事目標(biāo)和海洋生物等得到了廣泛的應(yīng)用，并逐漸起到了越來(lái)越重要的作用。在海洋遙感方面，利用高光譜遙感光譜響應(yīng)范圍廣、分辨率高的優(yōu)勢(shì)，可以有效探測(cè)水色、水溫等，同時(shí)可用于探測(cè)海洋水體表面油層、海水中葉綠素濃度、深海中物質(zhì)的分布、海水中污染物的濃度等。通過(guò)研究海水中不同物質(zhì)成分的光譜特征，了解深海層中物質(zhì)的分布，更好地為海洋探測(cè)提供依據(jù)。在植被研究方面，由于不同植冠的組成成分不同，利用高光譜光譜范圍窄、光譜連續(xù)的特點(diǎn)，可提取植被覆蓋度、植被干物質(zhì)信息及監(jiān)測(cè)植被多樣性等，還可以利用高光譜遙感監(jiān)測(cè)植冠成分的變化，得到受病蟲害或大氣環(huán)境等影響的情況（宮鵬，1998）。在精細(xì)農(nóng)業(yè)方面，高光譜遙感可以監(jiān)測(cè)農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)，提取農(nóng)作物含水量、葉面指數(shù)等參數(shù)，定量評(píng)估農(nóng)作物產(chǎn)量，同時(shí)可以探測(cè)農(nóng)作物土壤含水量、礦物質(zhì)的含量等，為精細(xì)農(nóng)業(yè)提供技術(shù)保障（劉偉東，2002）。在地質(zhì)調(diào)查方面，高光譜具有很多不同于寬波段遙感的特點(diǎn)，利用波段窄的優(yōu)勢(shì)可以精確地探測(cè)到巖石中不同礦物質(zhì)的存在，根據(jù)光譜曲線的不同，區(qū)分不同的礦物質(zhì)組成成分（張成業(yè)等，2015）。高光譜遙感在蝕變帶及蝕變礦物、油氣探測(cè)、礦物識(shí)別與填圖等方面也應(yīng)用廣泛。趙志芳等（2012）等利用ASTER影像數(shù)據(jù)對(duì)云南省保山市礦區(qū)礦化異常信息進(jìn)行提取，利用USGS和AUS礦物光譜庫(kù)，得到鐵染蝕變異常信息，取得了比較好的效果。在軍事偵察、偽裝識(shí)別方面，由于目標(biāo)經(jīng)常隱藏在與自身色調(diào)一致的地物中，通過(guò)肉眼無(wú)法區(qū)分識(shí)別，依靠高光譜技術(shù)光譜分辨率高的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)目標(biāo)與偽裝材料光譜特征的不同，能夠在成像光譜儀獲取的影像中快速準(zhǔn)確地捕捉偽裝目標(biāo)。

高光譜遙感不同于傳統(tǒng)的多光譜遙感技術(shù)，其在光譜分辨率上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可探測(cè)到地物目標(biāo)的細(xì)節(jié)信息。歸納其特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)如下（楊國(guó)鵬，2007；路威，2005）：

（1）波段多，波段連續(xù)，光譜分辨率高。在250—2500nm的全波段光譜范圍內(nèi)，高光譜遙感的光譜分辨率一般小于10nm，使得波段數(shù)目具有成百上千個(gè)，從而獲得近乎連續(xù)的光譜曲線。

（2）數(shù)據(jù)量大，信息冗余增加。較常規(guī)的遙感影像，高光譜遙感影像具有高數(shù)十倍的波段數(shù)目，數(shù)據(jù)量較為龐大。影像波段越多，數(shù)據(jù)量越大，兩者成指數(shù)關(guān)系；隨著波段數(shù)目增多，波段之間的相關(guān)性變大，使得冗余信息量變大。

（3）數(shù)據(jù)描述模型多，分析靈活。高光譜遙感影像具有與常規(guī)遙感影像同樣的圖像模型和特征模型，同時(shí)因光譜分辨率較高，增加了光譜模型，使得地物識(shí)別能力得到了極大提高，能夠精細(xì)探測(cè)到地表地物信息及覆蓋材料等。

（4）反演定量化信息。高光譜影像涵蓋的信息更加豐富，使得定量反演地表地物狀態(tài)成為可能。

高光譜遙感具有獨(dú)特的特征和優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在數(shù)據(jù)獲取及特征分析技術(shù)方面獲得了快速的發(fā)展，其影像數(shù)據(jù)也廣泛應(yīng)用于不同的行業(yè)，這項(xiàng)技術(shù)在地物精細(xì)分類、地質(zhì)目標(biāo)識(shí)別、地質(zhì)災(zāi)害識(shí)別與趨勢(shì)預(yù)測(cè)中占據(jù)著重要的位置。但在地震災(zāi)害識(shí)別領(lǐng)域，一方面受數(shù)據(jù)源獲取的制約，另一方面受光譜特征分析與災(zāi)害地物識(shí)別技術(shù)的影響，針對(duì)高光譜遙感技術(shù)在震害目標(biāo)識(shí)別方面的應(yīng)用還未開(kāi)展系統(tǒng)的研究。本文在分析高光譜技術(shù)在地震監(jiān)測(cè)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)建簡(jiǎn)單的典型震害地物光譜庫(kù)與分析地物目標(biāo)的特征差異，探究其在震害目標(biāo)識(shí)別中的應(yīng)用，為后續(xù)開(kāi)展高光譜震害識(shí)別系統(tǒng)研究奠定基礎(chǔ)。

1 高光譜遙感發(fā)展現(xiàn)狀及其在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

1.1 高光譜遙感發(fā)展現(xiàn)狀

1983年，美國(guó)國(guó)家航空和航天管理局（NASA）噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)研制了世界上第一臺(tái)航空高光譜成像儀，獲取的影像數(shù)據(jù)成功應(yīng)用于地質(zhì)填圖、植被研究等領(lǐng)域，受到眾多發(fā)達(dá)國(guó)家及研究者的重視。進(jìn)入90年代后，各個(gè)國(guó)家均開(kāi)始研制光譜成像儀，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展，研制成功的一系列不同類型的高光譜成像系統(tǒng)在不同研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，取得了豐碩的成果。到目前為止，高光譜遙感的相關(guān)研究已經(jīng)產(chǎn)出了足夠的可用于解決實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題的技術(shù)方法，正由實(shí)驗(yàn)室研究階段向?qū)嶋H應(yīng)用過(guò)渡。

前期高光譜影像主要以航空影像為主。隨后航天高光譜傳感器研制成功，裝載MODIS傳感器的Terra衛(wèi)星、美國(guó)NASA EOS計(jì)劃中的Aqua衛(wèi)星、裝載GLI傳感器的日本ADEOS-II衛(wèi)星分別于1999、2002年相繼發(fā)射升空，標(biāo)志著高光譜遙感技術(shù)已經(jīng)步入與航空和航天相結(jié)合的階段。2000年澳大利亞成功發(fā)射了一顆具有65個(gè)波段的光譜成像小衛(wèi)星（ARIES），其波段涵蓋了可見(jiàn)光、短波紅外、近紅外波段，衛(wèi)星以地質(zhì)勘測(cè)和礦藏資源作為主要遙感對(duì)象。2002年3月歐洲空間局（European Space Agency，ESA）發(fā)射了裝載有10個(gè)衛(wèi)星探測(cè)器的ENVISAT衛(wèi)星，其中搭載的MERIS衛(wèi)星探測(cè)器為高光譜成像儀，其獲取的影像波段有15個(gè)。2000年攜帶高級(jí)陸地成像儀（Advanced Land Imager，ALI）和高光譜成像儀（Hyperion）的美國(guó)地球觀測(cè)1號(hào)（Earth Observing-1，EO-1）系統(tǒng)以及攜帶海洋海岸成像光譜儀的HRST衛(wèi)星的相繼升空（EO-1 User Guide，2003），為高光譜技術(shù)的研究、實(shí)驗(yàn)提供了大量的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，我國(guó)密切關(guān)注國(guó)外高光譜技術(shù)的發(fā)展，并且結(jié)合我國(guó)的實(shí)際需求，在光譜成像儀研制方面也取得了較大的進(jìn)步。針對(duì)某種特定的需求，相繼研制成功了各自的專題應(yīng)用光譜儀，如IR/UV海洋環(huán)境遙感監(jiān)測(cè)專用掃描儀、VIS/MIR/IR森林火災(zāi)探測(cè)專用掃描儀、FIMS/ATIMS遙感地質(zhì)礦物識(shí)別多光譜掃描儀等。2002年3月“神舟三號(hào)”飛船攜帶著中國(guó)科學(xué)院研制的中分辨率光譜儀升空，影像波段既包括可見(jiàn)光近紅外波段，又包括短波紅外、熱紅外波段，獲取的影像空間分辨率為500m，使得中國(guó)航空成像光譜儀技術(shù)達(dá)到世界先進(jìn)水平，從而更好地為地球全面觀測(cè)和監(jiān)測(cè)提供服務(wù)（胡秀清等，2009）。

在典型地物目標(biāo)光譜特征數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)技術(shù)方面，美國(guó)最早開(kāi)始進(jìn)行研究，并建立了噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）波譜數(shù)據(jù)庫(kù)和美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（United States Geological Survey，USGS）波譜數(shù)據(jù)庫(kù)，2個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)免費(fèi)開(kāi)放，可供全球相關(guān)研究人員下載應(yīng)用。除此之外，還有ASTER和IGCP-264 2個(gè)經(jīng)典的波譜數(shù)據(jù)庫(kù)，其涵蓋了地表絕大部分地物的光譜曲線。除了通用的波譜數(shù)據(jù)庫(kù)之外，同時(shí)也針對(duì)特定用途建立了專門的更為精細(xì)、更能滿足專業(yè)應(yīng)用的專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，如英國(guó)為研究海水顏色的變化模型搭建的海水光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，也取得了較大成果，尤其在光譜分析與數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建方面成果斐然。20世紀(jì)90年代初，中國(guó)科學(xué)院光機(jī)所、遙感所等單位通過(guò)野外采集典型地物光譜曲線、室內(nèi)補(bǔ)充部分曲線的方法獲取了一批光譜曲線，基于此，構(gòu)建了我國(guó)第一個(gè)光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。此數(shù)據(jù)庫(kù)涵蓋的地物類型豐富，類別多樣，是一個(gè)綜合性的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。1988年中國(guó)國(guó)土資源遙感航空物探與遙感中心針對(duì)行業(yè)應(yīng)用，采集整理了地質(zhì)行業(yè)中巖石礦物的光譜曲線，構(gòu)建了典型礦物光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，從性質(zhì)上來(lái)講，此數(shù)據(jù)庫(kù)為一個(gè)專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)。2000年中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所收集整理了地物光譜并建立了典型地物數(shù)據(jù)庫(kù)及管理系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了波段曲線的動(dòng)態(tài)生成和遙感器波段模擬功能。

自20世紀(jì)80年代開(kāi)始至今，地物波譜儀、航空、航天高光譜成像儀得到了快速地發(fā)展，大幅度提高了高光譜影像光譜分辨率。美國(guó)Hyperion衛(wèi)星波段數(shù)目為220，影像空間分辨率為30m（Kruse等，2011）；德國(guó)、意大利、加拿大等國(guó)家計(jì)劃發(fā)射ENMAP、HERO、PRISMA衛(wèi)星空間分辨率均為30m（Kruse等，2011；Mielke等，2014，Bergeron等，2008；Rogge等，2014）；我國(guó)2008年發(fā)射升空HJ-1A衛(wèi)星波段數(shù)目為115個(gè)，空間分辨率為100m，2011年發(fā)射升空的“天宮一號(hào)”的空間分辨率為20m和30m，是我國(guó)到目前為止空間分辨率最高的成像光譜儀（周子勇，2014），即將發(fā)射升空的“高分五號(hào)”衛(wèi)星空間分辨率也為30m。大型計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理技術(shù)提高了遙感影像信息處理的效率，同時(shí)使得信息處理的算法不斷更新完善，光譜分辨率的提升及典型地物光譜特征數(shù)據(jù)庫(kù)的完善，使得利用高光譜探測(cè)原先傳統(tǒng)遙感無(wú)法探測(cè)到的信息成為可能。

1.2 高光譜遙感在地震監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

隨著高光譜傳感器的陸續(xù)發(fā)射、遙感數(shù)據(jù)種類的增多以及影像圖像處理技術(shù)與應(yīng)用能力的不斷提高，高光譜遙感與傳統(tǒng)遙感相比具有更強(qiáng)的精細(xì)地物識(shí)別能力和定量反演能力，在微觀方面表現(xiàn)更突出。目前，在地震相關(guān)的工作中基于高光譜遙感技術(shù)展開(kāi)了一系列的研究，但是其應(yīng)用并不成熟，僅有的一些應(yīng)用是利用高光譜數(shù)據(jù)探測(cè)地震氣體地球化學(xué)信息，以探討地震活動(dòng)并預(yù)測(cè)未來(lái)地震的空間位置（崔月菊等，2011）。地震的發(fā)生是由斷層的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的，斷層的錯(cuò)動(dòng)會(huì)引起近地表氣體、濕度、溫度等變化，高光譜遙感影像能捕捉到細(xì)微異常信息的變化，尤其是與地震相關(guān)的CO、水汽、O3、氣溶膠與溫度變化異常，通過(guò)對(duì)異常變化信息進(jìn)行分析判斷地震強(qiáng)度與空間分布位置，進(jìn)而達(dá)到檢測(cè)地震的目的。國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究已證實(shí)近地表斷層的異常與地震的發(fā)生緊密相關(guān)，如姚清林等（2005）分析緬甸北部S6.9地震時(shí)期的高光譜影像發(fā)現(xiàn)，震前震中附近地表顯示出CO含量異常；Singh等（2001a）發(fā)現(xiàn)2001印度GujaratS7.8地震的震前影像也存在CO含量異常；郭廣猛等（2006）發(fā)現(xiàn)2002年臺(tái)灣S7.5地震影像也存在CO含量異常。除此之外，崔麗華（2009）對(duì)比分析2001年印度GujaratS7.8地震前后遙感影像發(fā)現(xiàn)，震后震中附近近地表位置存在水汽增高的異?，F(xiàn)象，除此之外，在1985年墨西哥 MichoacanS8.1地震（Pulinets等，2007）和2008年汶川S8.0地震（Okada等，2004）中也發(fā)現(xiàn)了地震前后震中位置水汽含量出現(xiàn)了增高異常。此外，Ganguly（2011）分析2006年印度GujaratS5.5地震影像發(fā)現(xiàn)地震引起了O3濃度和大氣氣溶膠異常變化，這些異常變化在2002年11月的Denali地震（Singh等，2007）和2010年1月12日的海地地震（Singh等，2010b）中也被監(jiān)測(cè)到。以上研究表明，高光譜遙感技術(shù)可以在一定程度上監(jiān)測(cè)地表氣體化學(xué)異常，從而反演地震發(fā)生的空間位置與大致時(shí)間，但引起地球化學(xué)異常的因素復(fù)雜多樣，其成因機(jī)制也較復(fù)雜，遙感影像探測(cè)到的變化異常是否是由地震斷層錯(cuò)位引起還未有明確的解釋。

隨著高光譜技術(shù)的發(fā)展，不同地物信息定量化提取及光譜數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理技術(shù)成為高光譜遙感研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。光譜特征曲線的豐富及自動(dòng)識(shí)別的實(shí)現(xiàn)為高光譜應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬提供了良好的基礎(chǔ)。

2 高光譜遙感在震害識(shí)別中的應(yīng)用

與地震化學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù)相比，高光譜遙感在震害識(shí)別中的應(yīng)用研究相對(duì)較少，國(guó)內(nèi)外并未有系統(tǒng)的研究。由于地震破壞，地震地區(qū)下墊面特征與環(huán)境顯得異常復(fù)雜。現(xiàn)階段地震遙感調(diào)查過(guò)程中，采用的多光譜遙感影像具有較高的空間分辨率，能識(shí)別地物的空間位置與破壞情況，但是其光譜分辨率較低，在地物的精細(xì)過(guò)程中，普遍存在“同物異譜”和“異物同譜”的現(xiàn)象，從而影響地物提取精度。高光譜遙感影像將原有的波段范圍進(jìn)行細(xì)化分段，使得探測(cè)的地物光譜曲線更加精細(xì)，目標(biāo)種類的數(shù)量也相應(yīng)的增多，從而實(shí)現(xiàn)地物的精細(xì)分類。地震造成的地物破壞可引起影像相對(duì)應(yīng)的光譜特征發(fā)生變化，不同的地物目標(biāo)具有不同的光譜特征，通過(guò)識(shí)別其曲線的差別，將精細(xì)光譜特征與空間位置特征相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多特征信息的融合，以開(kāi)展高光譜震害信息提取與震害評(píng)估研究，實(shí)現(xiàn)高光譜遙感影像震害目標(biāo)的探測(cè)。

圖1（a）為幾種不同建筑材料的光譜特征曲線。從圖中可看出，建筑物混凝土與瀝青混凝土的光譜曲線波形相似，但是在300—1200nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，其反射率存在差異，瀝青混凝土的反射率大于建筑物混凝土。建筑瀝青及建筑黑漆指建筑物屋頂鋪設(shè)瀝青層或涂上黑漆，兩者的光譜曲線在0—300nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)可與混凝土區(qū)分開(kāi)。建筑物屋頂?shù)臑r青或黑漆可在600nm波長(zhǎng)附近進(jìn)行區(qū)分，黑漆的光譜曲線在附近存在一個(gè)波谷，而瀝青不存在。

圖1（b）為表面光滑和粗糙紅磚、松木、煤渣、瓷磚這幾種常見(jiàn)建筑物材料的光譜曲線。可以看出，不同建筑材料的光譜曲線是不同的。即使相同的建筑材料，因表面光滑程度不同其光譜曲線也存在差異，如表面光滑與粗糙的紅磚，在波長(zhǎng)為50—270nm范圍內(nèi)，其反射率存在很大的差異，尤其在波長(zhǎng)為80nm附近，表面粗糙的紅磚存在一個(gè)波峰及波谷，而光滑的紅磚反射率沒(méi)有變化。

建筑物房屋、道路由不同的建筑材料構(gòu)成，而不同建筑材料具有不同的光譜特征，收集整理這些光譜特性曲線并建立典型震害特征光譜庫(kù)，利用震后獲取的震區(qū)高光譜遙感影像與標(biāo)準(zhǔn)震害光譜庫(kù)進(jìn)行匹配，分析倒塌建筑物、損毀道路形成的碎屑與周邊地物光譜特征的差異，便可快速精細(xì)地實(shí)現(xiàn)倒塌建筑物及損毀道路的提取，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)震害損毀程度遙感定量化評(píng)估?；诟吖庾V遙感影像的震害信息識(shí)別技術(shù)流程如圖2所示。

3 典型震害地物目標(biāo)識(shí)別

基于上述理論與流程，設(shè)計(jì)野外光譜數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。收集城市典型地物的光譜曲線，初步構(gòu)建地物光譜特征庫(kù)。地震發(fā)生時(shí)，震害地物主要表現(xiàn)為建筑物的破壞倒塌與道路的損壞。本文實(shí)驗(yàn)中選擇的地物目標(biāo)材料為建構(gòu)筑常用的建筑材料，雖未處于震區(qū)，但在光譜采集過(guò)程中選取部分建構(gòu)筑物破碎地帶或邊緣進(jìn)行光譜收集，因此曲線一定程度上能反映震害地物目標(biāo)的特征。實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)ASD（Analytical Spectral Devices）公司的FieldSpec 3便攜式地物波譜儀，采集時(shí)間選擇光照強(qiáng)度良好的10時(shí)到14時(shí)，以滿足光譜采集光照強(qiáng)度要求。實(shí)驗(yàn)共采集14種地物光譜曲線，每種地物至少采集3個(gè)樣本，每個(gè)樣本采集10條光譜曲線，采集的地物類型歸納為3類，分別為道路、建筑物屋頂和建筑物墻體。剔除壞的光譜曲線，統(tǒng)計(jì)計(jì)算獲取的每種地物樣本光譜曲線的均值并將其作為最終參考曲線。

圖3為實(shí)驗(yàn)采集的3種不同材質(zhì)道路的光譜曲線。分析圖3，可以發(fā)現(xiàn)不同材質(zhì)的道路在300—1100nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)反射率具有明顯的差異，水泥道路的反射率最高，土質(zhì)道路的反射率其次，瀝青道路的反射率最低。通過(guò)獲取的高光譜影像中反射率的差異便可區(qū)分提取不同材質(zhì)道路信息。地震發(fā)生時(shí)，道路損毀情況主要分為2種，一種是地震的直接作用導(dǎo)致路基毀壞、路面斷裂、塌陷、隆起，造成車輛無(wú)法通行；二是地震間接作用，如滑坡、泥石流、崩塌等地震誘發(fā)的次生災(zāi)害導(dǎo)致道路被掩埋或路面上存有崩落的大塊滾石。地震直接作用導(dǎo)致的道路損毀因出露新鮮斷面或露出底部泥土，導(dǎo)致與原路面的反射率不同，可直接提取損毀道路段；地震次生災(zāi)害導(dǎo)致的道路損毀情況下大量的堆積物在路面上，便可通過(guò)分析反射率獲得堆積物所在的區(qū)域，從而達(dá)到提取損毀道路的目的。

圖4為實(shí)驗(yàn)采集的5種不同材質(zhì)的屋頂和墻體的光譜曲線。由圖4分析，可發(fā)現(xiàn)墻體涂層的反射率最高，石棉瓦材質(zhì)屋頂?shù)姆瓷渎首畹汀Ｔ?00—900nm范圍內(nèi)，鐵皮屋頂反射率降低，在700nm時(shí)達(dá)到谷底，而大理石墻體在此范圍內(nèi)反射率升高，形成一個(gè)波峰，在750nm時(shí)達(dá)到波峰，依據(jù)此便可區(qū)分鐵皮與大理石材質(zhì)。

以“天宮一號(hào)”數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因天宮一號(hào)衛(wèi)星升空后，未拍攝到明顯的震后場(chǎng)景，故以2013年廣元市數(shù)據(jù)為例，因地面光譜曲線采集的地物目標(biāo)與影像所處位置的地物存在差異，因此取多條地面光譜曲線的均值作為標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線，影像與標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線進(jìn)行光譜匹配識(shí)別不同的地物目標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線為模擬震區(qū)特征曲線，因此在光譜匹配過(guò)程中，設(shè)置光譜匹配一致度閾值為60%，即當(dāng)匹配的2種光譜特征一致性優(yōu)于60%時(shí)，影像中對(duì)應(yīng)的像元即為光譜曲線對(duì)應(yīng)的地物類型。由于地面實(shí)驗(yàn)中并未采集水體特征曲線，因此采用USGS波譜庫(kù)中的水體特征曲線，采用光譜角分類的方法對(duì)地物進(jìn)行分類識(shí)別，分類結(jié)果如圖5所示。

由圖分析可見(jiàn)高光譜影像構(gòu)筑物提取信息效果較好，建筑物、橋梁、道路都能清晰地表現(xiàn)出來(lái)。以目視解譯結(jié)果作為參考基準(zhǔn)，以提取的面積為單位計(jì)算提取精度，建筑物提取精度達(dá)98.65%。絕大部分橋梁信息能區(qū)別提取出來(lái)，可在圖像上辨別區(qū)分。道路的提取效果不如建筑物和橋梁效果理想，但是國(guó)道、省道以及一些主要干道能完好地提取，只有個(gè)別的城市道路提取效果不理想。

根據(jù)上面的實(shí)驗(yàn)分析，可知不同材料具有不同的光譜特征，在遙感影像中將以不同的反射率表現(xiàn)出來(lái)，從而可與獲取的高光譜影像對(duì)應(yīng)。高光譜遙感影像波段間隔較高空間分辨率遙感短，因此能識(shí)別其無(wú)法識(shí)別的精細(xì)信息，尤其是震害屋頂?shù)募?xì)微變化，同時(shí)基于不同地物光譜特征建立遙感地物目標(biāo)指數(shù)，可實(shí)現(xiàn)震害信息的定量化分析，因此與傳統(tǒng)的震害信息提取方法相比，利用高光譜遙感技術(shù)進(jìn)行震害信息提取的類別更精細(xì)，更趨向于定量化分析。

4 結(jié)論與展望

近幾年隨著傳感器及傳感平臺(tái)的發(fā)展，高光譜數(shù)據(jù)的獲取途徑越來(lái)越廣泛。地面ASD光譜儀或地面成像光譜儀可獲取不同類型地物目標(biāo)的光譜曲線特征，基于此可建立不同典型地物目標(biāo)光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。地面光譜儀、無(wú)人機(jī)航拍都可獲取圖譜合一的圖像，尤其是我國(guó)空間分辨率和光譜綜合指標(biāo)最高的空間光譜成像儀隨“天宮一號(hào)”目標(biāo)飛行器的成功升空后，在完成的地球環(huán)境監(jiān)測(cè)等一系列實(shí)驗(yàn)中獲取了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在地物分類、波段范圍等多方面已接近或達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品水平。一系列高光譜數(shù)據(jù)的獲取，為高光譜遙感在地震中的應(yīng)用提供了便利的條件。獲取的遙感影像可與地物光譜庫(kù)進(jìn)行對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)星地?cái)?shù)據(jù)的交叉驗(yàn)證，進(jìn)而提高信息識(shí)別精度與效率。

高光譜數(shù)據(jù)獲取過(guò)程中存在大氣、光照及其他條件的影響，震區(qū)現(xiàn)場(chǎng)地物復(fù)雜，影像存在混合像元的難題，影像光譜特征分析與匹配準(zhǔn)確度在一定程度上限制了高光譜影像的應(yīng)用。隨著遙感圖像處理技術(shù)的發(fā)展，基于光譜曲線剔除大氣等條件影響的算法已相對(duì)比較成熟，從而保證了光譜特征曲線分析的精度?；旌舷裨纸獾年P(guān)鍵在于計(jì)算混合像元中不同類型地物所占比例，現(xiàn)在已有成熟的算法，并在商業(yè)軟件中可實(shí)現(xiàn)處理。現(xiàn)階段，我國(guó)的遙感震害識(shí)別主要依賴高空間分辨率遙感，隨著遙感傳感器技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的傳感器更加注重光譜分辨率與空間分辨率的結(jié)合，如何綜合高光譜技術(shù)的地物精細(xì)分類與高空間分辨率的快速識(shí)別將是未來(lái)震害識(shí)別領(lǐng)域發(fā)展的趨勢(shì)。本文重在論述高光譜技術(shù)在震害識(shí)別中的應(yīng)用，對(duì)高空間分辨率影像與高光譜影像的結(jié)合未作深入探討。

作為21世紀(jì)對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域最重要的技術(shù)之一，高光譜技術(shù)在不同的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展，但是在地震觀測(cè)尤其是遙感震害評(píng)估領(lǐng)域應(yīng)用較少，總結(jié)其原因主要有兩點(diǎn)：①高光譜數(shù)據(jù)較難獲取，尤其是免費(fèi)獲??；②缺乏普遍的研究方法及專業(yè)的光譜庫(kù)。高光譜遙感技術(shù)在遙感影像上將不同地物的變化以反射率表現(xiàn)出來(lái)，形成不同的光譜曲線，從而獲取地物微觀信息。將高光譜技術(shù)引入到遙感震害評(píng)估領(lǐng)域能有效地提高震害評(píng)估類別精度，從而實(shí)現(xiàn)震害信息的定量化提取。

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Preliminary Application of Hyperspectral Remote Sensing Technology in Earthquake Damage Assessment

Li Qiang1，2）and Zhang Jingfa2）

1） Institute of Engineering Mechanics， CEA （Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, CEA）, Harbin 150080, China 2） Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, CEA, Beijing 100085, China

As the development and major progress of the space to earth observation technology in the twentieth century, hyper spectral remote sensing has been extensively applied in various fields of research with its high spectral resolution, which provides rich information of earth surface. Although hyper spectral remote sensing is of unique superiority, no much effort has been put on seismic damage. assessment so far. Based on the summary of the characteristic advantages and application situation, earthguake damage assessment is carried out by using hyper spectral remote sensing. A typical damaged feature spectral library is constructed through collecting the spectral characteristic curves of different structures. The difference between the different spectral curves was identified, and the relationship between spectral curve and seismic damage information was explored. Our results suggest that it is feasible to apply hyper spectral remote sensing in earthquake disaster assessment. Different damage features have different spectral characteristic curves. And then, earthguake damage information can be well classified based on the spectral differences.

Hyper spectral remote sensing；Spectral feature；Spectral library；Earthquake damage assessment

1基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41374050）和國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2012AA121304）

2016-03-17

李強(qiáng)，男，生于1987年。博生研究生。研究方向?yàn)檫b感震害評(píng)估。E-mail：liqiang08@163.com

李強(qiáng)，張景發(fā)，2017．高光譜遙感技術(shù)在建（構(gòu)）筑物震害識(shí)別中的應(yīng)用探究．震災(zāi)防御技術(shù)，12（1）：96—106． doi：10.11899/zzfy20170110