基于衛(wèi)星遙感技術(shù)的地震災(zāi)害評(píng)估研究

任峰

摘 要：遙感具有綜合、宏觀、快速、動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，是震害災(zāi)情信息快速獲取的重要數(shù)據(jù)源。我國(guó)繼資源三號(hào)衛(wèi)星升空之后，展開(kāi)了一系列衛(wèi)星的研制與發(fā)射，于2014年8月發(fā)射了空間分辨率為1 m的高分二號(hào)衛(wèi)星。該文以國(guó)產(chǎn)高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)為例，在分析不同震害目標(biāo)影像特征的基礎(chǔ)上，利用監(jiān)督分類、面向?qū)ο笮畔⑻崛〉确椒ㄌ崛×?015年4月25日尼泊爾地震加德滿都地區(qū)震害建筑物分布、次生災(zāi)害等信息。震害信息提取準(zhǔn)確度與效率較高.實(shí)驗(yàn)表明，高分二號(hào)衛(wèi)星已滿足災(zāi)害應(yīng)急與評(píng)估的需求，同時(shí)也可為地震應(yīng)急與震后災(zāi)害評(píng)估提供有效的信息支撐。

關(guān)鍵詞：高分二號(hào) 尼泊爾地震 震害建筑物 地震應(yīng)急 面向?qū)ο?/p>

中圖分類號(hào)：P237 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2017）07（a）-0008-03

地震是給人類帶來(lái)重大損失的突發(fā)式自然災(zāi)害，自2008年汶川地震以來(lái)，我國(guó)大陸境內(nèi)6級(jí)以上中強(qiáng)地震就有30余次，其中2010年青海玉樹(shù)地震、2013年四川蘆山地震、甘肅岷縣漳縣地震、2014年云南魯?shù)榈卣鸲紝?dǎo)致大量的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。近幾年的地震災(zāi)害表明，在地震發(fā)生后的快速應(yīng)急反應(yīng)能有效減輕災(zāi)害帶來(lái)的損失。而地震災(zāi)害信息的快速準(zhǔn)確獲取是做出正確應(yīng)急反應(yīng)的基礎(chǔ)，震后對(duì)災(zāi)情進(jìn)行評(píng)估，不僅可以輔助現(xiàn)場(chǎng)救援工作，還能對(duì)生命財(cái)產(chǎn)損失進(jìn)行估計(jì)，是救災(zāi)減災(zāi)的重要手段。

空間對(duì)地觀測(cè)方法的出現(xiàn)和發(fā)展為地震調(diào)查提供了一種經(jīng)濟(jì)、快速、安全的評(píng)估方式，遙感具有綜合、宏觀、快速、動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，是震害災(zāi)情信息快速獲取的重要數(shù)據(jù)源。在震前應(yīng)急準(zhǔn)備（預(yù)案）階段，遙感圖像為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考；在災(zāi)后應(yīng)急階段，遙感圖像用于災(zāi)害監(jiān)測(cè)和震害快速評(píng)估；在損失評(píng)估和重建階段，遙感圖像輔助震害調(diào)查、烈度評(píng)估等工作。多年以來(lái)，國(guó)內(nèi)遙感工作者做出了大量努力，取得的研究成果也很可觀。2008年汶川地震之后，遙感工作加快步伐，提高實(shí)用性，在2010年玉樹(shù)地震和2013年蘆山地震中都有良好表現(xiàn)。震后24 h內(nèi)，就利用高分辨率遙感數(shù)據(jù)對(duì)地震損毀程度進(jìn)行了初步評(píng)估，并向民眾發(fā)布大致災(zāi)情。高分辨率遙感影像進(jìn)行地震應(yīng)急與評(píng)估時(shí)，其影像所具有的高空間分辨率的特點(diǎn)，能夠詳細(xì)準(zhǔn)確的表現(xiàn)出震區(qū)震害地物目標(biāo)的分布狀況，具有中低分辨率影像難以達(dá)到的優(yōu)勢(shì)。

隨著遙感技術(shù)在地震應(yīng)急領(lǐng)域的應(yīng)用，我國(guó)繼資源三號(hào)衛(wèi)星升空之后，展開(kāi)了一系列衛(wèi)星的研制與發(fā)射。2010年5月12日，高分專項(xiàng)全面啟動(dòng)實(shí)施，2013年“高分一號(hào)”衛(wèi)星成功發(fā)射，高分一號(hào)是我國(guó)高分辨對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星，衛(wèi)星配置了2臺(tái)分辨率為2 m全色/8 m多光譜的高分辨率相機(jī)。于2014年8月發(fā)射了空間分辨率為1 m的高分二號(hào)衛(wèi)星，空間分辨率較之前的高分一號(hào)提升一倍，標(biāo)志我國(guó)遙感衛(wèi)星進(jìn)入亞米級(jí)“高分時(shí)代”。

2015年4月25日14時(shí)，尼泊爾發(fā)生8.1級(jí)地震，地震造成了加德滿都地區(qū)多處建筑物倒塌。尼泊爾地震之后，高分一號(hào)、二號(hào)衛(wèi)星緊急編制應(yīng)急觀測(cè)計(jì)劃，對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)，高分一號(hào)衛(wèi)星獲取了西藏樟木縣區(qū)域的遙感影像，高分二號(hào)獲取了尼泊爾加德滿都地區(qū)的遙感影像。在對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、融合、鑲嵌等簡(jiǎn)單預(yù)處理之后，基于人機(jī)交互的方式快速地實(shí)現(xiàn)了震害信息的識(shí)別與評(píng)估。

該文以國(guó)產(chǎn)高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)為例，在分析不同震害目標(biāo)影像特征的基礎(chǔ)上，利用監(jiān)督分類、面向?qū)ο笮畔⑻崛〉确椒ㄌ崛×四岵礌柕卣鸺拥聺M都地區(qū)震害建筑物分布、次生災(zāi)害等信息，及時(shí)地提交給地震相關(guān)指揮決策部門，為地震應(yīng)急與震后評(píng)估提供信息支撐。

2 建筑物震害遙感分類分級(jí)

根據(jù)國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局震后技術(shù)規(guī)范及震后宏觀調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)，建筑物震害等級(jí)劃分為基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、毀壞5個(gè)等級(jí)。

受遙感成像方式的制約，遙感影像中的建筑物信息與實(shí)地調(diào)查存在差異，倒塌房屋在影像中表現(xiàn)最明顯的為建筑物的幾何特征和色調(diào)信息的變化，根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮多種因素，在高分辨率影像震害建筑物目視解譯過(guò)程中，影像中的震害建筑物等級(jí)分為毀壞、破壞和基本完好三個(gè)級(jí)別。

圖1為震害建筑物影像，（a）為基本完好建筑物影像，可以發(fā)現(xiàn)建筑物形狀規(guī)整，排列有序，紋理清晰；（b）為中等破壞建筑物影像，可以發(fā)現(xiàn)房屋幾何形態(tài)局部變形，屋頂破落塌陷，地面可見(jiàn)到少量的瓦片或堆積物；（c）為損毀建筑影像，可發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)房屋完全倒塌，幾何形狀完全消失，地面上全是房屋倒塌形成的堆積物，紋理錯(cuò)亂，損毀房屋影像中的色調(diào)與完好建筑物色調(diào)存在差異。

3 面向?qū)ο蠓诸惣夹g(shù)

高分二號(hào)影像分辨率較高，因此可采用面向?qū)ο蟮姆椒ㄌ崛≌鸷Φ匚镄畔ⅰＣ嫦驅(qū)ο蟮膱D像分析是在基于像素的圖像分析不能很好解譯高分辨率遙感圖像之后出現(xiàn)的，它的處理單元不是像素，而是圖像對(duì)象，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更高級(jí)的圖像理解和分析。

面向?qū)ο筮b感圖像分類處理的最小單元是含有更多語(yǔ)義信息的多個(gè)相鄰像素組成的影像對(duì)象，其基本原理是分類時(shí)不僅依靠地物的光譜特性，更多的是綜合考慮了光譜統(tǒng)計(jì)特征及形狀特征、大小特征、紋理特征、上下文語(yǔ)義信息等一系列相關(guān)特征，通過(guò)人機(jī)交互構(gòu)建知識(shí)庫(kù)，自動(dòng)提取出符合實(shí)際目標(biāo)的地物。其基本思路是將不同的像素按照某種原則和閾值組合成不同的對(duì)象，不同的對(duì)象也可以按照某種原則和閾值組合成新的對(duì)象，然后采用監(jiān)督分類和非監(jiān)督分類等方法對(duì)不同的對(duì)象進(jìn)行分類。

面向?qū)ο笥跋穹治龇椒ǚ治鲞^(guò)程主要包括：遙感影像的選擇，影像分割（主要依據(jù)光譜特征、紋理特征等進(jìn)行分割尺度的選擇）、構(gòu)建分割分類規(guī)則集、面向?qū)ο蟮姆诸?、分類后精度評(píng)定等步驟，其具體流程圖見(jiàn)圖2。

3.1 影像分割

影像分割是依據(jù)影像像元的灰度、顏色、紋理等特征，將影像劃分為若干互不交疊的多個(gè)區(qū)域的過(guò)程。影像分割的目的是為了生成大小不同的地理單元對(duì)象，進(jìn)而通過(guò)圖像分類等判別方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)地物的識(shí)別。影像分割所遵循的基本原則是使某一區(qū)域內(nèi)部的特征保持一致，以區(qū)別于相鄰區(qū)域的特征，即使生成的影像對(duì)象在光譜特征、形狀特征和紋理特征上具有最大的同質(zhì)性（最小異質(zhì)性）。

影像分割算法可以分為兩種：一種是利用區(qū)域間特征的不連續(xù)性，即基于邊緣的圖像分割算法；另一種是利用區(qū)域內(nèi)部特性的相似性，即基于區(qū)域的圖像分割算法。不同的方法應(yīng)用于不同的圖像；得到的結(jié)果亦不相同，所以分割方法的好壞是以針對(duì)的數(shù)據(jù)和分割的目的為依據(jù)的。

3.2 對(duì)象特征規(guī)則集構(gòu)建

地物的功能特征是難以在高分辨率遙感圖像中直接展示出來(lái)的，通過(guò)多種典型的特征來(lái)描述地物，才能實(shí)現(xiàn)更好的識(shí)別和分類，因此，地物的特征就成了非常重要的研究方面。從概念上來(lái)說(shuō)，影像特征可以分為以下幾類：

固有特征：即影像對(duì)象的物理屬性，由真實(shí)的地理實(shí)體和成像狀態(tài)（主要是傳感器和太陽(yáng)輻射）所決定。主要是指對(duì)象的光譜、形狀、紋理等特征。

拓?fù)涮卣鳎好枋鰧?duì)象間或者整個(gè)影像的幾何關(guān)系特征，諸如靠左、靠右或者距離某一對(duì)象一定距離的位置或是位于影像的某一特定區(qū)域等。

上下文特征：描述對(duì)象的語(yǔ)義關(guān)系特征，如街區(qū)被道路所隔開(kāi)。

在面向?qū)ο笥跋穹治鲋校鲜鎏卣魍ǔＳ脤?duì)象特征、類間相關(guān)特征和全局特征來(lái)表示。

3.3 對(duì)象分類

面向?qū)ο蟮倪b感圖像分析是從基于像素的遙感圖像分析傳承和發(fā)展而來(lái)的，面向?qū)ο蟮膱D像分析方法針對(duì)圖像多尺度分割得到的分割對(duì)象進(jìn)行分析，基于像素的圖像分析方法可以應(yīng)用到面向?qū)ο蟮膱D像分析之中，人工智能和模式識(shí)別方法完全可以用來(lái)對(duì)分割對(duì)象進(jìn)行分析。目前有眾多的分析方法都被用于圖像對(duì)象的分析方面，模糊分類方法、決策樹(shù)分類法和最近鄰分類方法是面向?qū)ο髨D像分析的典型方法。

遙感圖像像素是規(guī)則采樣獲得的，像素排列規(guī)則、像素之間的空間關(guān)系是明確的，而圖像對(duì)象之間的空間關(guān)系是不規(guī)則的，相互之間的關(guān)系需要在圖像分割得到分割對(duì)象之后確定，因此，需要設(shè)計(jì)對(duì)象之間的關(guān)系模型，只有建立了多尺度分割對(duì)象之間的關(guān)系模型才能利用對(duì)象之間的空間關(guān)系和上下文關(guān)系實(shí)現(xiàn)更好的圖像分析，得到更加令人滿意的分析結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

2015年4月25日06：11：26（UTC，尼泊爾當(dāng)?shù)貢r(shí)間11時(shí)56分），在尼泊爾發(fā)生8.1級(jí)強(qiáng)烈地震，根據(jù)中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，該地震震中（28.2°N，84.7°E）位于郭爾喀博卡拉附近（尼泊爾首都加德滿都的西北方向約80 km處），震源深度20 km（見(jiàn)圖1）；34 min后在主震東北方向15 km處發(fā)生7.0級(jí)強(qiáng)余震；我國(guó)西藏日喀則市聶拉木先、吉隆縣和定日縣震感強(qiáng)烈。主震后約24 h（UTC，尼泊爾當(dāng)?shù)貢r(shí)間26日11時(shí)54分），在加德滿都以東約70 km處發(fā)生Ms7.1級(jí)強(qiáng)余震。主震17天后的5月12日12時(shí)50分（尼泊爾當(dāng)?shù)貢r(shí)間）在加德滿都以東約75 km處再次發(fā)生Ms7.5級(jí)強(qiáng)余震。截至2015年5月31日，我地震臺(tái)網(wǎng)供記錄到災(zāi)區(qū)余震7.0～7.9級(jí)3次，6.0～6.9級(jí)1次，5.0～5.9級(jí)4次。根據(jù)有關(guān)報(bào)道，地震造成尼泊爾8 792人死亡、印度130人死亡、孟加拉國(guó)4人死亡、我國(guó)西藏地區(qū)27人死亡，其中5月12日余震造成218人死亡。地震造成23 000多人受傷、近30萬(wàn)人不同程度受災(zāi)。

地震發(fā)生后，我國(guó)相關(guān)部門緊急啟動(dòng)了應(yīng)急預(yù)案，快速獲取了震區(qū)遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行應(yīng)急，影像覆蓋區(qū)域范圍如圖3所示，獲取的影像主要分布在尼泊爾加德滿都地區(qū)、加德滿都地區(qū)西北及南部區(qū)域。

4.1 震害人工解譯

尼泊爾地震造成加德滿都地區(qū)大量的房屋倒塌、古建筑受損、次生災(zāi)害導(dǎo)致道路損毀，獲取高分二號(hào)數(shù)據(jù)后，可快速的對(duì)震區(qū)建筑物及道路信息進(jìn)行人工解譯，從而快速的判定震區(qū)道路通行能力及建筑物受損嚴(yán)重區(qū)域，從而為地震救援提供指向。

4.2 監(jiān)督分類

為提高建筑物震害識(shí)別效率，采用監(jiān)督分類的方法實(shí)現(xiàn)震害建筑物的快速提取，根據(jù)人工解譯得到的震害建筑物樣本，采用最大似然法的方法實(shí)現(xiàn)震害建筑物的快速提取，監(jiān)督分類的方法方便快捷，震害建筑物分布提取精度較高，能有效的探測(cè)震害建筑物的分布，從而高效地指導(dǎo)地震應(yīng)急工作。

4.3 面向?qū)ο笮畔⑻崛?/p>

依據(jù)建立的震害特征庫(kù)，構(gòu)建震害建筑物提取規(guī)則集，從而實(shí)現(xiàn)建筑物的快速提取，加德滿都地區(qū)建筑物分布密集，分割得到的中等破壞建筑物對(duì)象較為破碎，因此在特征構(gòu)建時(shí)，將中等破壞建筑物的對(duì)象合并至倒塌建筑中。面向?qū)ο蠓诸惙椒ㄔ谡鸷μ卣鲙?kù)構(gòu)建的前提下，能準(zhǔn)確有效的實(shí)現(xiàn)震害建筑物分布提取，提取精度較監(jiān)督分類高，且提取建筑物分布規(guī)整，見(jiàn)圖3。

5 結(jié)語(yǔ)

高分二號(hào)衛(wèi)星作為我國(guó)對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)的第二顆衛(wèi)星，是目前我國(guó)分辨率最高的光學(xué)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，具有米級(jí)空間分辨率、高輻射精度、高定位精度和快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力，與在軌運(yùn)行的高分一號(hào)衛(wèi)星相互配合，推動(dòng)高分辨率衛(wèi)星數(shù)據(jù)在地震應(yīng)急與震害評(píng)估中的應(yīng)用。在尼泊爾8.1級(jí)地震之后，根據(jù)獲取的高分二號(hào)數(shù)據(jù)，快速對(duì)影像解譯獲取了震害分布結(jié)果，大致可得出如下結(jié)果：（1）獲取震后高分二號(hào)數(shù)據(jù)之后，根據(jù)典型地物目標(biāo)震害特征，可對(duì)震害目標(biāo)進(jìn)行人工解譯，可識(shí)別出大型次生災(zāi)害導(dǎo)致的損毀道路及小區(qū)域建筑群體倒塌；（2）采用監(jiān)督/非監(jiān)督分類的方法提取震害建筑物時(shí)，損毀建筑物與周邊裸土易混淆在一起，因而在識(shí)別時(shí)會(huì)造成錯(cuò)分和誤分，但在地震應(yīng)急階段，為指示救援人員前往建筑倒塌嚴(yán)重的區(qū)域，其錯(cuò)分率可忽略不計(jì)；（3）高分二號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)分辨率較高，采用面向?qū)ο蠓诸惖姆椒蓪?shí)現(xiàn)不同震害程度建筑物的提取，且識(shí)別精度較高，由于尼泊爾加德滿都地區(qū)房屋分布密集，較難實(shí)現(xiàn)單體建筑物的識(shí)別，部分區(qū)域可實(shí)現(xiàn)單體建筑物識(shí)別，大部分區(qū)域只能探測(cè)群體建筑物分布；（4）高分二號(hào)數(shù)據(jù)影像清晰，影像中損毀道路、次生災(zāi)害、損毀建筑物信息層次分明、紋理清晰、信息豐富。

上述研究結(jié)果表明，震后如果能及時(shí)的獲取高分辨率的遙感影像，則可以通過(guò)遙感手段快速宏觀地確定地震災(zāi)情分布。高分二號(hào)衛(wèi)星是我國(guó)自主研制的首顆空間分辨優(yōu)于1 m的民用光學(xué)遙感衛(wèi)星，觀測(cè)幅寬達(dá)到45 km，在亞米級(jí)分辨率國(guó)際衛(wèi)星中幅寬達(dá)到先進(jìn)水平，同時(shí)具備快速機(jī)動(dòng)側(cè)擺能力和較高的定位精度，有效地提升了衛(wèi)星綜合觀測(cè)效能，其在地震防災(zāi)減災(zāi)方面，在地震應(yīng)急模式下為地震應(yīng)急與震后災(zāi)害評(píng)估提供有效的信息支撐。

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