三維影像技術(shù)在承災(zāi)體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查中的應(yīng)用——以吐魯番市主城區(qū)為例1

李金香 溫和平 張治廣 蘭 陵 金 花

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三維影像技術(shù)在承災(zāi)體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查中的應(yīng)用——以吐魯番市主城區(qū)為例1

李金香 溫和平 張治廣 蘭 陵 金 花

（新疆維吾爾自治區(qū)地震局，烏魯木齊 830011）

承災(zāi)體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是地震災(zāi)害評(píng)估的核心數(shù)據(jù)，是制定防災(zāi)減災(zāi)政策的基礎(chǔ)，具有十分重要的地位。數(shù)據(jù)獲取主要靠野外調(diào)查，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，研究承災(zāi)體數(shù)據(jù)的快速獲取方法刻不容緩。本文以新疆維吾爾自治區(qū)吐魯番市主城區(qū)為例，對(duì)三維影像技術(shù)在承災(zāi)體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，以無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用三維模型構(gòu)建、遙感信息提取與地理信息系統(tǒng)空間分析方法，進(jìn)行區(qū)域房屋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息提取，獲取了研究區(qū)真實(shí)房屋空間分布、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、建筑面積及層數(shù)等數(shù)據(jù)，為該地區(qū)地震預(yù)測(cè)預(yù)防、地震應(yīng)急、震時(shí)救災(zāi)以及震后恢復(fù)等防震減災(zāi)工作服務(wù)。

三維模型 無(wú)人機(jī) 遙感 承災(zāi)體 吐魯番

引言

地震是一種嚴(yán)重危害人類(lèi)生存安全、阻礙社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、破壞社會(huì)穩(wěn)定的自然災(zāi)害，其突發(fā)性和瞬時(shí)破壞性特點(diǎn)已成為全球嚴(yán)重的公共安全、社會(huì)問(wèn)題，甚至是政治問(wèn)題（曹彥波等，2007）。人類(lèi)的生命、所擁有的財(cái)產(chǎn)、賴(lài)以生存的資源和環(huán)境以及正常生產(chǎn)和生活遭受地震危害的部分為地震災(zāi)害承災(zāi)體（高興和，2002）。離開(kāi)承災(zāi)體減災(zāi)就無(wú)從談起，因此，要重視對(duì)承災(zāi)體的考察研究；而充分評(píng)估自然異變和社會(huì)承災(zāi)能力的災(zāi)害預(yù)報(bào)才具有現(xiàn)實(shí)的減災(zāi)意義（王鋒，1991）。深入考察研究承災(zāi)體是制定減災(zāi)對(duì)策的重要基礎(chǔ)（殷杰等，2012）。

災(zāi)害承災(zāi)體調(diào)查工作是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性工作，此項(xiàng)工作可以加強(qiáng)國(guó)家對(duì)災(zāi)區(qū)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)變化情況的了解，為減輕和防御災(zāi)害提供基礎(chǔ)信息支撐。地震災(zāi)害給承災(zāi)體造成的損害和破壞主要以建筑生產(chǎn)線的損毀為主。在實(shí)際災(zāi)害的形成過(guò)程中，人類(lèi)生存及活動(dòng)的主場(chǎng)所（房屋）倒塌最為常見(jiàn)和頻繁（陳有順等，2009；王瑛等，2009；李慧明等，2010；常想德等，2017）。房屋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的調(diào)查與收集是進(jìn)行防震減災(zāi)對(duì)策研究最為重要和難度最大的工作。目前，地震災(zāi)害主要承災(zāi)體（房屋）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取主要靠野外調(diào)查（張繼文等，2009），2000年合肥市地震局開(kāi)展了合肥市房屋基礎(chǔ)資料調(diào)查，并建立房屋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)（甘承釗等，2000）；2008年中國(guó)地震局地質(zhì)研究所開(kāi)展了南北地震帶房屋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)抽樣調(diào)查；2012年新疆地震局對(duì)新疆所有縣市區(qū)200多個(gè)抽樣點(diǎn)進(jìn)行格網(wǎng)野外房屋抽樣調(diào)查。在其他行業(yè)，同樣依靠野外調(diào)查獲得承災(zāi)體數(shù)據(jù)，如康薇薇等（2011）進(jìn)行了房屋調(diào)查在特高壓項(xiàng)目中的應(yīng)用研究；楊耀中等（2014）進(jìn)行了江蘇省海洋災(zāi)害承災(zāi)體調(diào)查研究，其成果對(duì)減少災(zāi)害損失、提高對(duì)災(zāi)害的應(yīng)對(duì)能力和應(yīng)急處置水平以及對(duì)開(kāi)展災(zāi)害預(yù)警報(bào)工作、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和區(qū)劃工作起到了積極的作用。

為更好地建立新疆地震應(yīng)急區(qū)域房屋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，展現(xiàn)真實(shí)房屋空間分布，完善區(qū)域房屋屬性等相關(guān)信息，而非僅僅局限于野外調(diào)查區(qū)域數(shù)據(jù)和格網(wǎng)估算數(shù)據(jù)，本研究引進(jìn)三維遙感技術(shù)，將小型無(wú)人機(jī)作為圖像獲取的載體，獲取清晰度高、時(shí)效性強(qiáng)、場(chǎng)景特征豐富的無(wú)人機(jī)航拍遙感影像。綜合運(yùn)用RS和GIS手段，提取區(qū)域房屋占地面積，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效的場(chǎng)景三維重建。在高精度三維城市地圖上，進(jìn)行區(qū)域房屋樓層及房屋紋理結(jié)構(gòu)目視解譯，完成區(qū)域房屋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息提取，獲取研究區(qū)真實(shí)房屋空間分布、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、建筑面積、層數(shù)等信息，完善新疆地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，為該地區(qū)地震的預(yù)測(cè)預(yù)防、地震的應(yīng)急工作、救援以及震后恢復(fù)等防震減災(zāi)工作服務(wù)，同時(shí)也能為防御城市其他災(zāi)害以及城市規(guī)劃、建筑等事業(yè)服務(wù)。

1 研究方法

已有的研究中，承災(zāi)體數(shù)據(jù)的獲取主要靠野外調(diào)查，主要采用現(xiàn)場(chǎng)查看、咨詢(xún)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等方法；根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用多元回歸分析算法計(jì)算區(qū)域格網(wǎng)房屋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（韓貞輝，2013；丁文秀等，2015）。該類(lèi)數(shù)據(jù)以1km2為基礎(chǔ)計(jì)算單元，對(duì)比以縣級(jí)行政區(qū)劃為計(jì)算單元的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，雖然精度更高，卻仍為估算數(shù)據(jù)，而非實(shí)際量測(cè)值，數(shù)據(jù)精度有限。本研究采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行了大重疊度無(wú)人機(jī)遙感影像三維場(chǎng)景重建，打破了傳統(tǒng)正射攝影垂直拍攝建筑物屋頂?shù)木窒扌裕梢詮亩鄠€(gè)角度完整地獲取建筑物表面的紋理信息，真實(shí)展現(xiàn)建筑物的紋理結(jié)構(gòu)。同時(shí)結(jié)合遙感數(shù)據(jù)處理方法，最終獲取各類(lèi)型建筑物的面積信息，減少了野外工作的任務(wù)量，提高了數(shù)據(jù)精度。

表1 本研究方法獲取房屋數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)

本研究的實(shí)驗(yàn)方法和研究主要步驟如下：

（1）基于傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的建筑物三維模型構(gòu)建。主要包括影像預(yù)處理、特征提取、三維結(jié)構(gòu)解算、點(diǎn)云模型構(gòu)建、正射影像圖和三維模型構(gòu)建。

（2）面向?qū)ο螅ɡ钫?guó)等，2011）房屋空間分布信息自動(dòng)提取。即基于獲得的研究區(qū)正射影像圖進(jìn)行房屋空間分布信息提取，面向?qū)ο蟮男畔⒆詣?dòng)提取方法主要包括影像分割、提取規(guī)則建立、目標(biāo)提取及后處理優(yōu)化。

（3）基于光譜、紋理信息的目視解譯。在高精度三維地圖上，通過(guò)基于光譜、紋理信息的目視解譯，獲取研究區(qū)房屋結(jié)構(gòu)及層數(shù)等基本屬性信息。

（4）計(jì)算房屋建筑面積。統(tǒng)計(jì)基于面向?qū)ο蠓椒ㄌ崛〉姆课莸恼嫉孛娣e，結(jié)合目視解譯方法獲取的層數(shù)信息，計(jì)算房屋建筑面積。

圖1 技術(shù)路線圖

技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

2 建筑物信息提取

2.1 建筑物三維模型構(gòu)建

獲取三維模型的方法可以分成3類(lèi)：①利用數(shù)學(xué)方法構(gòu)建模型；②利用掃描設(shè)備掃描物體構(gòu)建模型；③利用圖像立體成像構(gòu)建模型。數(shù)學(xué)方法和掃描方法構(gòu)建的模型精度高，但難以構(gòu)建大區(qū)域場(chǎng)景模型，因此，在區(qū)域建筑物三維模型構(gòu)建中圖像建模方法的應(yīng)用較多。

目前，無(wú)人機(jī)航拍廣泛應(yīng)用于軍事偵察、城市規(guī)劃、土地及水資源調(diào)查、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、公共安全國(guó)防事業(yè)及廣告攝影等領(lǐng)域。本研究將無(wú)人機(jī)航拍圖像與基于序列圖像的三維重建技術(shù)相結(jié)合，圍繞室外場(chǎng)景進(jìn)行三維重建，建立了吐魯番市市區(qū)三維地圖；將遙感與GIS相結(jié)合，獲得研究區(qū)房屋基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過(guò)無(wú)人機(jī)低空影像采集平臺(tái)上安裝的5個(gè)面陣相機(jī)，按照固定程序每1秒鐘同時(shí)曝光拍攝5張照片，從不同角度拍攝同一物體。作業(yè)區(qū)域位于吐魯番市主城區(qū)，測(cè)區(qū)為平地，無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)于2014年4月12日獲取，地面分辨率為59mm，航向重疊度為80%，旁向重疊度為70%，攝影儀用SONY相機(jī)，焦距35mm，當(dāng)日能見(jiàn)度較好，整個(gè)航區(qū)共采集1607組8035張影像。采用Acute3D公司的Smart 3D Capture軟件進(jìn)行全自動(dòng)正射影像和傾斜影像的聯(lián)合空中三角測(cè)量，構(gòu)建三維真實(shí)場(chǎng)景。主要建模步驟如下：

（1）對(duì)影像及POS數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，剔除模糊、畸變的數(shù)據(jù)，使影像與POS數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)。

（2）在Smart 3D Capture軟件中新建一個(gè)數(shù)據(jù)處理工程（project），用航空影像、相機(jī)參數(shù)、機(jī)載POS數(shù)據(jù)等作為輸入數(shù)據(jù)，匹配控制點(diǎn)量測(cè)，進(jìn)行影像相對(duì)定向、絕對(duì)定向及區(qū)域網(wǎng)平差，完成多視角影像空三解算。POS數(shù)據(jù)記錄了無(wú)人機(jī)航測(cè)中攝影中心的位置坐標(biāo)值、、和攝影光束的姿態(tài)o、p、k，用于建立航帶內(nèi)和航帶間模型間的拓?fù)潢P(guān)系網(wǎng)（王偉等，2011；田野等，2013；李金香等，2017）；相對(duì)定向即進(jìn)行相機(jī)位置估計(jì)以及計(jì)算航空影像在成像時(shí)相對(duì)位置的過(guò)程（崔紅霞等，2005）。相對(duì)定向獲得的高程為相對(duì)高程，要獲得絕對(duì)高程需要采用地面控制點(diǎn)進(jìn)行絕對(duì)定向及區(qū)域網(wǎng)平差。

（3）經(jīng)過(guò)空三解算，進(jìn)一步生成點(diǎn)云模型，進(jìn)而計(jì)算生成密集的三維點(diǎn)云以及紋理信息，生成研究區(qū)正射影像圖如圖2所示。從圖中可清晰分辨出研究區(qū)建筑物頂面信息，其可用于建筑物占地面積的識(shí)別；經(jīng)過(guò)空三處理的數(shù)據(jù)在產(chǎn)出正射影像圖后，進(jìn)行三角網(wǎng)（TIN）的構(gòu)建及紋理映射，進(jìn)而構(gòu)建實(shí)景三維模型。研究區(qū)局部區(qū)域三維模型結(jié)果如圖3所示。從圖中可清晰分辨出單個(gè)建筑物紋理信息，其可用于建筑物結(jié)構(gòu)類(lèi)型和層數(shù)信息的識(shí)別。

圖2 吐魯番市主城區(qū)正射影像圖

圖3 吐魯番市主城區(qū)三維模型結(jié)果圖

2.2 建筑物空間信息提取

無(wú)人機(jī)航攝遙感影像的空間分辨率高、數(shù)據(jù)獲取的成本相對(duì)較低，航片數(shù)據(jù)可以提供豐富的地物信息，清晰展現(xiàn)地物的結(jié)構(gòu)、紋理，因此采用無(wú)人機(jī)航攝遙感影像進(jìn)行專(zhuān)題信息提取成為遙感研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的信息提取方法，如監(jiān)督分類(lèi)、非監(jiān)督分類(lèi)等，往往基于光譜信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，適用于中低空間分辨率的遙感影像。而對(duì)于高分辨率遙感影像，基于光譜信息的分類(lèi)方法使得分類(lèi)變異性增加，提取結(jié)果準(zhǔn)確性降低（董小姣等，2013）。面向?qū)ο笮畔⑻崛》椒ňC合利用了光譜信息和空間信息，將相鄰像素作為一個(gè)整體，建立不同的規(guī)則進(jìn)行信息提取，更符合高分辨率遙感影像的視覺(jué)判別（Jin等，2005；喬程等，2008；陶超等，2010），目前已經(jīng)成為高分辨率遙感影像信息提取的主要方法之一（曾濤等，2010）。

采用面向?qū)ο筮M(jìn)行建筑物信息提取的主要步驟為：影像分割與合并、建筑物特征選擇及規(guī)則建立、初步提取、后處理優(yōu)化（曾濤等，2009；徐昌榮等，2011）。影像多尺度分割時(shí)，尺度越小，分割的對(duì)象越多、越密集，越不利于突出房屋建筑物；尺度越大，部分邊緣不明顯的房屋在分割時(shí)會(huì)缺失；而在合并過(guò)程中，合并尺度越小，房屋建筑越破碎化，合并尺度越大，房屋建筑越整體化。通過(guò)不同分割尺度與合并尺度計(jì)算實(shí)驗(yàn)對(duì)比，找到適合房屋建筑提取的最佳尺度。本研究采用分割尺度為50，合并尺度為90的參數(shù)進(jìn)行面向?qū)ο蠖喑叨确指?。?jīng)過(guò)分割后，影像的基本單元已不是單個(gè)像元，而是由同質(zhì)像元組成的多邊形對(duì)象（王巖等，2009）。計(jì)算各對(duì)象的屬性，如光譜、空間、紋理等。采用樣本選擇及支持向量機(jī)（SVM）分類(lèi)方法提取建筑物，并對(duì)提取后的結(jié)果進(jìn)行分類(lèi)后處理，采用主要分析、聚類(lèi)處理等去除小斑塊，過(guò)濾去除孔洞，完成基于面向?qū)ο蠓椒ǖ慕ㄖ镄畔⑻崛。崛∧繕?biāo)對(duì)象初始結(jié)果如圖4（a）所示。由圖可知，基于面向?qū)ο蠓椒ㄌ崛》课萁ㄖ镄畔?，?duì)樓房區(qū)域的建筑物提取效果較好，然而部分樓房仍存在邊緣不規(guī)整的區(qū)域；對(duì)于平房區(qū)提取效果較差，存在多提、誤提現(xiàn)象，尤其是對(duì)裸地、道路交叉口、單層建筑的涼棚誤提率較大；而對(duì)植被、水體的區(qū)分率較高。

本文采用分割正確率（正確分割的像元占應(yīng)該分割的原始影像像元的百分比）來(lái)定量評(píng)價(jià)建筑物提取結(jié)果精度，進(jìn)而判斷提取結(jié)果的好壞。對(duì)10個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域的建筑物實(shí)例進(jìn)行人工跟蹤信息提取，圖4（b）中白色區(qū)域?yàn)槿斯じ櫟慕ㄖ镞吔缇€，黃色區(qū)域?yàn)楸疚乃惴ㄌ崛〉慕ㄖ镞吔缇€，疊加原始影像進(jìn)行對(duì)比分析。分別統(tǒng)計(jì)10個(gè)評(píng)估區(qū)人工跟蹤提取的建筑物總面積manual、本文算法提取的建筑物總面積auto、兩者相同的面積common，進(jìn)而計(jì)算10個(gè)評(píng)估區(qū)域的分割正確率C以及虛警率F（誤提率即本不該分割卻分割的像元占應(yīng)該分割的原始影像像元的百分比），用來(lái)評(píng)估建筑物提取結(jié)果的精度。具體結(jié)果如表2所示，評(píng)估區(qū)1—6為樓房區(qū)，分割正確率均在94%以上，誤提率在20%以下，總體提取精度較高，其中誤提率較大的評(píng)估區(qū)1和評(píng)估區(qū)4均為將道路錯(cuò)提為建筑物；評(píng)估區(qū)7—10為平房區(qū)，由于本方法提取的平房區(qū)無(wú)法區(qū)分單個(gè)房屋建筑，出現(xiàn)多個(gè)建筑連片提取現(xiàn)象，故而選擇4個(gè)片區(qū)進(jìn)行精度評(píng)價(jià)，評(píng)估區(qū)分割正確率均在75%以上，總體提取精度較高，然而誤提率均高于32%，誤提區(qū)域多為裸地、涼棚等?？傮w而言，本方法可以凸顯建筑物信息，該方法對(duì)樓房區(qū)建筑物提取結(jié)果較好，而對(duì)平房區(qū)建筑物提取結(jié)果誤差較大。

為更好地進(jìn)行后續(xù)研究應(yīng)用，根據(jù)實(shí)際目標(biāo)對(duì)象的幾何特征，采用人工目視解譯對(duì)初始結(jié)果進(jìn)行后處理，從而獲得最終比較理想的目標(biāo)對(duì)象提取結(jié)果，如圖5所示。

無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量采用5臺(tái)面陣相機(jī)在同一秒進(jìn)行同時(shí)拍攝，獲取空間位置點(diǎn)前視、后視、左視、右視、下視5景影像。根據(jù)傾斜攝影測(cè)量原理可知，在無(wú)人機(jī)起飛前進(jìn)行航線規(guī)劃時(shí)，需要堅(jiān)持“飛多高擴(kuò)多遠(yuǎn)”的規(guī)劃原則，無(wú)人機(jī)航飛時(shí)同一空間位置點(diǎn)拍攝的5景影像覆蓋不同的區(qū)域，因此在本研究區(qū)外圍邊緣區(qū)域，僅有單一一臺(tái)傾斜攝影相機(jī)進(jìn)行拍攝，該區(qū)域僅有一個(gè)方向的紋理特征，故而在進(jìn)行建筑物信息提取時(shí)，僅對(duì)三維建筑紋理清晰全面的主城區(qū)進(jìn)行信息提取，具體信息提取區(qū)域見(jiàn)圖5。

圖4 面向?qū)ο蠓课萁ㄖ锾崛〗Y(jié)果及精度評(píng)價(jià)區(qū)域圖

表2 建筑物提取精度評(píng)價(jià)

圖5 研究區(qū)建筑物空間分布圖

2.3 建筑物屬性信息提取

基于已建立的研究區(qū)建筑物三維模型（圖3），采用人工目視解譯方法解譯每個(gè)建筑物的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、樓層數(shù)作為建筑物屬性信息。無(wú)人機(jī)航拍影像空間分辨率高，其建立的三維模型可以提供豐富的地物信息，清晰展現(xiàn)建筑物各個(gè)方向的結(jié)構(gòu)、紋理。

根據(jù)吐魯番市的實(shí)際情況，建筑物結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要分為以下7類(lèi)：土木結(jié)構(gòu)（A類(lèi)）、磚木結(jié)構(gòu)（B類(lèi)）、老舊磚混結(jié)構(gòu)（C類(lèi)）、具有抗震措施的磚混結(jié)構(gòu)（D類(lèi)）、鋼混結(jié)構(gòu)（E類(lèi)）、高層建筑（F類(lèi)）以及特色建筑（G類(lèi)）。其中，土木結(jié)構(gòu)（A類(lèi)），指以生土墻和木屋架作為建筑物的主要承重結(jié)構(gòu)的房屋建筑；磚木結(jié)構(gòu)（B類(lèi)），指建筑物中豎向承重結(jié)構(gòu)的墻、柱等采用磚砌，樓板、屋架等用木結(jié)構(gòu)；磚混結(jié)構(gòu)，指豎向承重結(jié)構(gòu)的墻、柱等采用磚墻或磚柱，水平承重構(gòu)件采用鋼筋混凝土樓板、屋面板等，將2000年及以前的磚混結(jié)構(gòu)房屋歸為老舊磚混結(jié)構(gòu)房屋（C類(lèi)），將2000年后依據(jù)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50003—2001）建造的房屋建筑歸為具有抗震措施的磚混結(jié)構(gòu)（D類(lèi)）；鋼混結(jié)構(gòu)（E類(lèi)），指承重的主要構(gòu)件是由鋼筋和混凝土兩大材料構(gòu)成，非承重墻由磚或其他材料填充（中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2005）；高層建筑（F類(lèi)），指10層及10層以上，或房屋高度大于28m的住宅建筑以及房屋高度大于24m的其他高層民用建筑混凝土結(jié)構(gòu)（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2010）；特色建筑（G類(lèi)），主要指吐魯番地區(qū)一層為居住住房、二層為涼房、用于晾曬葡萄干的特色建筑結(jié)構(gòu)，一般一層以土木、磚木結(jié)構(gòu)為主，二層為以土胚或磚塊壘砌的鏤空建筑。

經(jīng)過(guò)對(duì)已建研究區(qū)建筑物的三維模型進(jìn)行人工目視解譯，完成了2852幢房屋屬性信息的提取，具體提取結(jié)果如圖6、7所示。圖6為吐魯番市主城區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)類(lèi)型分布圖，采用不同的顏色展現(xiàn)7種結(jié)構(gòu)類(lèi)型建筑物的空間分布，圖7為吐魯番市主城區(qū)建筑物樓層數(shù)分布圖，采用不同的顏色展現(xiàn)4類(lèi)層高建筑物的空間分布。由圖6、7可知，吐魯番市主城區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要以磚木結(jié)構(gòu)和抗震磚混結(jié)構(gòu)為主，磚木結(jié)構(gòu)房屋以單層平房居多，單個(gè)房屋占地面積小，房屋總體數(shù)量多，形狀多樣，分布集中，主要分布在吐魯番市老城區(qū)，該類(lèi)房屋抗震性能低而居住人口較多，在地震時(shí)易造成人員埋壓，在進(jìn)行減災(zāi)對(duì)策制定時(shí)應(yīng)考慮相關(guān)因素。抗震磚混結(jié)構(gòu)房屋以近年新建的多層樓房為主，單個(gè)房屋占地面積較大，房屋以小區(qū)形式集中建設(shè)，規(guī)劃統(tǒng)一，形狀規(guī)則，抗震性能較高，主要分布在人工湖、博物館附近的新城區(qū)。圖中有部分老舊磚混結(jié)構(gòu)房屋為2000年前建設(shè)，主要以磚為承重結(jié)構(gòu)和墻體，樓蓋為混凝土板的建筑，該類(lèi)房屋建設(shè)時(shí)統(tǒng)一規(guī)劃，以2層樓房建筑居多，其抗震性能較抗震磚混結(jié)構(gòu)房屋低，房屋老舊，地震時(shí)易損壞傷人，該類(lèi)房屋主要分布在城西的老城區(qū)中。在主城區(qū)東北方的單層平房中，有部分房屋為吐魯番市一層住房、二層鏤空涼房的特色建筑，該類(lèi)型房屋總體數(shù)量較少，分散分布于平房居住區(qū)，該類(lèi)型房屋抗震性能較差，在地震活動(dòng)中易倒塌傷人，在進(jìn)行減災(zāi)對(duì)策制定及震害預(yù)測(cè)時(shí)應(yīng)予以關(guān)注。研究區(qū)存在土木結(jié)構(gòu)、鋼混結(jié)構(gòu)、高層建筑房屋，其數(shù)量較少，土木結(jié)構(gòu)房屋主要分布于老城區(qū)，抗震性能低；鋼混結(jié)構(gòu)房屋主要分布于新城區(qū)街邊商鋪，高層建筑主要分布于新城區(qū)主要道路路口，這2類(lèi)結(jié)構(gòu)類(lèi)型房屋建筑按照抗震設(shè)防要求建設(shè)，房屋抗震性能高。

圖6 研究區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)類(lèi)型分布圖

圖7 研究區(qū)建筑物層數(shù)分布圖

2.4 野外調(diào)查驗(yàn)證提取結(jié)果

利用研究區(qū)正射影像圖作為野外抽樣調(diào)查地圖，野外調(diào)查工作的主要任務(wù)是識(shí)別區(qū)域建筑物的結(jié)構(gòu)類(lèi)型和樓層數(shù)，可以使用路線抽樣和全區(qū)域逐院（逐棟）調(diào)查的方法。一般情況下，在建筑物類(lèi)型不復(fù)雜的區(qū)域及建筑物線性分布區(qū)進(jìn)行路線抽樣，即沿著規(guī)劃路線對(duì)沿途建筑物類(lèi)型和樓層數(shù)等信息進(jìn)行調(diào)查記錄；在建筑物數(shù)量結(jié)構(gòu)類(lèi)型較為復(fù)雜的情況下，需要進(jìn)行逐院（逐棟）調(diào)查，主要針對(duì)老城區(qū)，即建筑物密集、結(jié)構(gòu)類(lèi)型多樣、影像識(shí)別誤差相對(duì)較大的區(qū)域。

在完成野外抽樣調(diào)查后，對(duì)野外抽樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，尤其是完成現(xiàn)場(chǎng)采集的圖片與遙感構(gòu)建的三維模型中建筑物的比對(duì)關(guān)系，以防止后期因時(shí)間長(zhǎng)而出現(xiàn)圖片位置無(wú)法識(shí)別的現(xiàn)象，造成野外工作損失。本研究共進(jìn)行了4次野外調(diào)查，采集了1031個(gè)調(diào)查點(diǎn)房屋結(jié)構(gòu)類(lèi)型和樓層數(shù)數(shù)據(jù)，拍攝建筑物照片381張，其中典型的三維建筑物模型與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查對(duì)比圖如圖8所示。

圖8 典型的三維建筑物模型與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查對(duì)比圖

其中，無(wú)人機(jī)于2014年4月12日對(duì)在建建筑進(jìn)行了航拍，以此航片數(shù)據(jù)構(gòu)建的建筑物三維模型如圖8（a）所示，野外調(diào)查時(shí)間為2015年2月，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查圖片如圖8（b）所示，在建筑物三維模型中，該區(qū)域?yàn)樵诮ㄐ^(qū)，影像中無(wú)法識(shí)別建筑物結(jié)構(gòu)類(lèi)型、樓層數(shù)信息，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查判斷，對(duì)該類(lèi)型的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)查，完成數(shù)據(jù)變更。目前此小區(qū)已經(jīng)建設(shè)完成，在數(shù)據(jù)處理時(shí)需按照現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行處理。

受無(wú)人機(jī)航拍時(shí)拍攝視角的影響，三維模型在構(gòu)建過(guò)程中存在底商效果差的現(xiàn)象，使得構(gòu)建的建筑物底部側(cè)面紋理模糊，如圖8（c）所示。在遙感解譯時(shí)，識(shí)別該類(lèi)建筑物結(jié)構(gòu)類(lèi)型時(shí)易出錯(cuò)，因此需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查進(jìn)行結(jié)構(gòu)類(lèi)型的判別。圖8（d）為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，圖中房屋建筑為典型的土木結(jié)構(gòu)單層建筑，墻體為土坯墻，在數(shù)據(jù)處理時(shí)需進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

吐魯番市夏天天氣較熱，多數(shù)居民房屋建設(shè)有門(mén)廊以及涼棚，如圖8（e）所示。在采用面向?qū)ο蠓椒ㄟM(jìn)行建筑物遙感解譯時(shí)，將居民住房、門(mén)廊、涼棚等均解譯為房屋建筑，存在誤差，故在數(shù)據(jù)處理時(shí)，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果，通過(guò)對(duì)平房居民區(qū)采用區(qū)域（逐院）調(diào)查，進(jìn)行人工校正，去除誤提區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查圖（圖8（f））顯示該建筑為門(mén)廊，數(shù)據(jù)處理時(shí)予以更正。

吐魯番市盛產(chǎn)葡萄，當(dāng)季的葡萄采摘結(jié)束后掛在涼房?jī)?nèi)涼制葡萄干，因此吐魯番民居中有一層為住房、二層為鏤空建筑的涼房特色建筑，如圖8（g）所示。該類(lèi)建筑抗震性能低，在地震活動(dòng)中易倒塌造成災(zāi)害，目前政府已嚴(yán)禁在住房上加蓋涼房，并開(kāi)放單獨(dú)區(qū)域進(jìn)行集中涼房建設(shè)，圖8（h）為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查圖。該類(lèi)建筑在研究區(qū)分布較少，在進(jìn)行遙感解譯時(shí)，對(duì)此類(lèi)型建筑以特色建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行劃分。

吐魯番市城市歷史悠久，老城區(qū)建設(shè)有老舊磚混結(jié)構(gòu)建筑，如圖8（i）所示，該圖為老舊磚混建筑三維模型，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果如圖8（j）所示。該類(lèi)建筑為承重墻為磚墻、樓蓋為混凝土板的房屋，按統(tǒng)一規(guī)劃，集中建設(shè)為二層樓房的住房，由于建設(shè)時(shí)間久遠(yuǎn)，房屋質(zhì)量差，抗震性能低，因此在房屋結(jié)構(gòu)類(lèi)型劃分時(shí)按老舊磚混結(jié)構(gòu)建筑劃分。

僅從建筑物三維模型中的紋理結(jié)構(gòu)識(shí)別建筑物結(jié)構(gòu)類(lèi)型，存在一定誤差，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查進(jìn)行核實(shí)。如圖8（k）所示，房屋結(jié)構(gòu)類(lèi)型僅從模型外側(cè)紋理判別，可判別為抗震磚混結(jié)構(gòu)，然而在實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型為鋼混框架結(jié)構(gòu)，圖8（l）為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖中可見(jiàn)鋼筋混凝土承重柱，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行房屋結(jié)構(gòu)類(lèi)型的修正。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與遙感解譯結(jié)果對(duì)比圖

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后，將現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果與遙感解譯結(jié)果進(jìn)行對(duì)比（圖9）。調(diào)查區(qū)域內(nèi)建筑物提取的精度評(píng)價(jià)（現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與遙感解譯結(jié)果混淆矩陣）如表3所示。該調(diào)查區(qū)共有房屋建筑801幢，其中鋼混結(jié)構(gòu)建筑7幢，抗震磚混126幢，老舊磚混170幢，磚木結(jié)構(gòu)479幢，土木結(jié)構(gòu)19幢。該調(diào)查區(qū)中老舊磚混解譯結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查一致，主要原因?yàn)檎{(diào)查區(qū)為吐魯番市老城區(qū)，老舊磚混房屋多為二層建筑，表面為磚紋理的老舊房屋，而抗震磚混房屋多為近年新建樓房，樓層數(shù)增高，建筑表面色彩豐富，容易區(qū)分。本研究將磚混結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行了細(xì)致劃分，調(diào)查區(qū)中解譯的抗震磚混房屋共129間，其中包括了錯(cuò)誤解譯的鋼混結(jié)構(gòu)房屋3幢，單從建筑物表面紋理解譯，很難區(qū)分鋼混建筑房屋和抗震磚混房屋，需要配合現(xiàn)象調(diào)查進(jìn)行錯(cuò)分糾正。調(diào)查區(qū)內(nèi)解譯的磚木結(jié)構(gòu)房屋建筑498幢，其中包含土木結(jié)構(gòu)房屋19幢，調(diào)查區(qū)土木結(jié)構(gòu)房屋與磚木結(jié)構(gòu)房屋在影像中無(wú)法區(qū)分，房屋建筑表面紋理有白灰墻面、水泥墻面、泥土墻面、瓷磚墻面，單從墻面紋理很難識(shí)別內(nèi)在房屋建材，必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查才能確定，由野外調(diào)查可知，調(diào)查區(qū)一層房屋多為磚木結(jié)構(gòu)建筑，故而在遙感解譯時(shí)，將老舊的一層建筑均解譯為磚木結(jié)構(gòu)，以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果補(bǔ)充土木結(jié)構(gòu)建筑分布情況。本研究計(jì)算了調(diào)查區(qū)域內(nèi)建筑物提取的總體分類(lèi)精度，對(duì)遙感提取結(jié)果與實(shí)地調(diào)查結(jié)果一致性進(jìn)行驗(yàn)證。總體分類(lèi)精度等于被正確分類(lèi)的建筑物總數(shù)除以總建筑數(shù)，被正確分類(lèi)的建筑物數(shù)目沿著混淆矩陣的對(duì)角線分布，總建筑數(shù)等于所有調(diào)查區(qū)域內(nèi)建筑物總數(shù)。調(diào)查區(qū)域內(nèi)建筑物提取的總體分類(lèi)精度為97.25%，經(jīng)過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查進(jìn)行比對(duì)，遙感解譯結(jié)果總體精度較高。

表3 調(diào)查區(qū)建筑物提取精度評(píng)價(jià)（單位：幢）

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)對(duì)遙感解譯結(jié)果進(jìn)行修正，得到吐魯番市主城區(qū)房屋精確的結(jié)構(gòu)類(lèi)型屬性信息，結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，修正的房屋結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要為土木結(jié)構(gòu)和鋼混結(jié)構(gòu)房屋建筑。在遙感解譯時(shí)，土木結(jié)構(gòu)房屋與磚木結(jié)構(gòu)房屋易混淆，而鋼混結(jié)構(gòu)房屋與抗震磚混結(jié)構(gòu)房屋易混淆，土木結(jié)構(gòu)和鋼混結(jié)構(gòu)房屋建筑在研究區(qū)分布較少，在遙感解譯時(shí)，應(yīng)對(duì)判別模糊的區(qū)域進(jìn)行標(biāo)注，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查規(guī)劃時(shí)作為重要調(diào)查點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)查看，確定其結(jié)構(gòu)類(lèi)型。最終結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果修正遙感解譯結(jié)果，獲得研究區(qū)高精度房屋數(shù)據(jù)。

根據(jù)獲取的研究區(qū)各類(lèi)型建筑物空間分布圖（圖10），采用地理信息系統(tǒng)空間統(tǒng)計(jì)分析方法，計(jì)算研究區(qū)內(nèi)每個(gè)建筑物的占地面積，結(jié)合目視解譯的樓層數(shù)屬性數(shù)據(jù)，計(jì)算研究區(qū)建筑物的建筑面積，獲取研究區(qū)各類(lèi)型建筑物房屋建筑數(shù)據(jù)。研究區(qū)各類(lèi)型建筑物總面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示，可知研究區(qū)主要以磚木結(jié)構(gòu)建筑和抗震磚混結(jié)構(gòu)建筑居多，其中抗震磚混結(jié)構(gòu)建筑占地面積最大，說(shuō)明吐魯番市主城區(qū)在2000年后新建設(shè)樓房較多；研究區(qū)內(nèi)磚木結(jié)構(gòu)建筑占地面積位居其次，說(shuō)明主城區(qū)內(nèi)仍有大面積的平房區(qū)，該區(qū)域?yàn)榻窈蟪鞘懈脑斓闹攸c(diǎn)區(qū)域；就建筑總面積而言，吐魯番市主城區(qū)內(nèi)抗震磚混結(jié)構(gòu)建筑總面積最大，說(shuō)明城市居住在2000年后新建樓房中的人數(shù)較多，城市總體較為年輕化，城市抗震性能較高。

圖10 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查校正后房屋結(jié)構(gòu)類(lèi)型空間分布圖

表4 研究區(qū)各結(jié)構(gòu)類(lèi)型建筑物面積統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論

本文以吐魯番市主城區(qū)為例進(jìn)行了三維遙感技術(shù)在承災(zāi)體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查中的應(yīng)用研究，以無(wú)人機(jī)采集的傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用遙感與GIS手段相結(jié)合，獲取了研究區(qū)真實(shí)房屋空間分布、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、建筑面積及層數(shù)等信息，為該地區(qū)震前預(yù)測(cè)預(yù)防、地震應(yīng)急、震時(shí)救災(zāi)以及震后恢復(fù)等防震減災(zāi)工作提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。主要結(jié)論如下：

（1）本研究采用目前較為流行的傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行大重疊度無(wú)人機(jī)遙感影像三維場(chǎng)景模型重建，打破了傳統(tǒng)正射攝影垂直拍攝建筑物屋頂?shù)木窒扌?，建立的模型能夠反映區(qū)域真實(shí)地物地貌，數(shù)據(jù)獲取簡(jiǎn)單、快速、省時(shí)省力。數(shù)據(jù)處理過(guò)程全自動(dòng)化，大大提高了生產(chǎn)效率。

（2）基于建立的研究區(qū)正射影像圖及建筑物三維模型，采用遙感技術(shù)提取了研究區(qū)建筑物空間分布數(shù)據(jù)，結(jié)合人工目視解譯判讀獲取了研究區(qū)建筑物結(jié)構(gòu)類(lèi)型及樓層數(shù)等屬性信息，為地震災(zāi)害主要承災(zāi)體，即建筑物數(shù)據(jù)的獲取提供了基礎(chǔ)，補(bǔ)充了現(xiàn)有數(shù)據(jù)獲取主要靠野外調(diào)查的不足。

（3）通過(guò)全區(qū)域（逐院）調(diào)查、路線勘查方式進(jìn)行4次野外調(diào)查，完成了研究區(qū)主要建筑物結(jié)構(gòu)類(lèi)型、層數(shù)等數(shù)據(jù)的現(xiàn)場(chǎng)采集，修正遙感解譯結(jié)果，提高了數(shù)據(jù)提取的精度。

（4）采用了空間統(tǒng)計(jì)分析方法獲得了研究區(qū)單個(gè)建筑物占地面積、建筑面積及研究區(qū)各結(jié)構(gòu)類(lèi)型建筑物占地總面積、建筑總面積數(shù)據(jù)，為吐魯番市防震減災(zāi)政策的制定提供了可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

本研究?jī)H考慮了采用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行研究區(qū)建筑物數(shù)據(jù)提取的方法，今后可進(jìn)一步進(jìn)行建筑物三維模型精細(xì)重建、模型單體化以及相關(guān)數(shù)據(jù)提取技術(shù)研究，深化三維模型在防災(zāi)減災(zāi)方面的應(yīng)用力度。

致謝：在本文的研究與分析過(guò)程中，中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所提供了研究區(qū)無(wú)人機(jī)遙感影像數(shù)據(jù)支持，王曉青研究員給出了寶貴建議，審稿專(zhuān)家給出重要修改意見(jiàn)，在此一并致謝。

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Application of 3D Imaging Technique in Basic Data Investigation of Disaster Bearing Body —A Case of Turpan City, Xinjiang Uygur Autonomous Region

Li Jinxiang, Wen Heping, Zhang Zhiguang, Lan Ling and Jin Hua

(Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China)

The basic data of disaster bearing body is the core data of earthquake disaster assessment, and is the foundation of the policy-making in disaster prevention and mitigation. In past data acquisition was mainly based on field investigation, which is time-consuming and laborious. So it is important to develop the method of rapid acquisition of disaster bearing body data. Taking Turpan city as an example, we studied the application of 3D imaging technique in the basic data investigation of disaster bearing body. In this paper, based on oblique photogrammetric data of unmanned aerial vehicle (UAV), 3D model construction, RS information extraction and GIS spatial analysis methods are applied to extract the basic information of regional houses. Then the spatial distribution, structure type, building area and number of stories of the buildings are obtained. The above data is essential for the regional earthquake disaster mitigation, such as earthquake prediction and disaster prevention before earthquake, emergency management and disaster relief after earthquake.

3D model; UAV; Remote sensing; Disaster bearing body; Turpan

李金香，溫和平，張治廣，蘭陵，金花，2018．三維影像技術(shù)在承災(zāi)體基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查中的應(yīng)用——以吐魯番市主城區(qū)為例．震災(zāi)防御技術(shù)，13（2）：424—438．

10.11899/zzfy20180217

地震應(yīng)急青年重點(diǎn)任務(wù)（CEA_EDEM-201511）；新疆地震科學(xué)基金項(xiàng)目（201510）；中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所大中城市地震災(zāi)害情景構(gòu)建重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)（2017QJGJ02）

2017-09-29

李金香，女，生于1984年。工程師。主要從事地震應(yīng)急與遙感震害監(jiān)測(cè)研究。E-mail：ljxhappy365@163.com