基于遙感影像的區(qū)域房屋抗震能力評(píng)估
——以山西省忻州市為例

趙 杰，鄭樹平，王飛劍

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

中國是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，地震活動(dòng)頻次高、強(qiáng)度大、災(zāi)害重、影響廣。1900年以來，我國大陸地區(qū)發(fā)生7.0～7.9級(jí)地震70多次，8.0級(jí)及以上地震7次[1]。地震中，建筑物的破壞和地震引發(fā)的次生災(zāi)害是造成人員埋壓、傷亡的主要原因，但建筑物的破壞和倒塌是最直接、最主要的原因[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國近幾十年來地震人員傷亡90%以上由建筑物的倒塌引起[3-5]。2010年青海玉樹7.1級(jí)地震，人員傷亡中94.5%是由房屋倒塌所致。在2014年云南魯?shù)?.5級(jí)地震中，建筑物倒塌，尤其是不設(shè)防的農(nóng)居和鄉(xiāng)鎮(zhèn)老舊房屋是造成此次地震人員傷亡的重要因素[6]。

在地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作中，承災(zāi)體對(duì)地震風(fēng)險(xiǎn)影響極大，是否存在承載體及其承受能力決定風(fēng)險(xiǎn)大小。地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，承災(zāi)體由建筑、人和次生災(zāi)害共同構(gòu)成[7]。其中，建筑物易損性是分析地震災(zāi)害規(guī)模、衡量區(qū)域抗震能力的重要內(nèi)容[8]。建筑物數(shù)據(jù)體量大、范圍廣、專業(yè)性強(qiáng)，最關(guān)鍵也最難獲取[9]。面對(duì)幾億棟的房屋，采用常規(guī)的實(shí)地走訪調(diào)查模式，對(duì)人員的專業(yè)知識(shí)要求高，人員和資金投入大，耗時(shí)長，難以滿足省級(jí)地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的需求。遙感技術(shù)以大面積對(duì)地觀測(cè)、短周期重訪覆蓋的優(yōu)勢(shì)成為地表目標(biāo)信息獲取的重要手段。Google Earth是美國谷歌公司開發(fā)的地圖軟件，免費(fèi)提供清晰的全球衛(wèi)星影像。大部分地區(qū)的影像分辨率為2～4 m，部分高清晰度影像的分辨率可達(dá)0.5 m[10]?！疤斓貓D”網(wǎng)站是由中國自然資源部主導(dǎo)開發(fā)的地圖服務(wù)網(wǎng)站，免費(fèi)提供中國國產(chǎn)衛(wèi)星的遙感影像數(shù)據(jù)。目前，全國大部分區(qū)域可提供分辨率為0.54 m的衛(wèi)星遙感影像[11]。通過遙感影像獲得建筑物抗震能力數(shù)據(jù)具有快速、經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)。運(yùn)用免費(fèi)的遙感影像資料，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)地市級(jí)區(qū)域(以山西省忻州市為例)，開展房屋抗震能力的估計(jì)和判別工作。

1 研究區(qū)域概況

忻州位于山西省中北部，轄14個(gè)縣區(qū)，面積25 157.641 km2，是山西省版圖最大的市。其山區(qū)、丘陵區(qū)、盆地平川區(qū)的面積分別占全市總土地面積的53%、35.96%、10.54%?？v觀全貌，東部、北部、南部多為石質(zhì)山區(qū)，西部、西北部多為黃土丘陵溝壑區(qū)，中間有一小部分?jǐn)嘞菖璧亍Ｐ弥葜胁繛樾枚ㄅ璧?，屬人口稠密、?jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的平原地區(qū)，西部為人口相對(duì)稀疏、經(jīng)濟(jì)貧困、水土流失嚴(yán)重的山區(qū)。據(jù)2019年人口抽樣調(diào)查顯示，年末全市常住人口為317.29萬人，其中，城鎮(zhèn)有167.50萬人，常住人口城鎮(zhèn)化率為52.79%。據(jù)2019年統(tǒng)計(jì)年鑒數(shù)據(jù)，各縣城鎮(zhèn)化率、人均GDP如第18頁表1所示。

表1 忻州市各縣經(jīng)濟(jì)及城鎮(zhèn)化率Table 1 Economy and urbanization rate of counties in Xinzhou City

根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)，忻府區(qū)、原平市、定襄縣、代縣大部分的設(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度為0.2 g，繁峙縣、寧武縣大部分的為0.15 g，五寨縣、靜樂縣大部分的為0.1 g，岢嵐縣、河曲縣、保德縣、偏關(guān)縣大部分的為0.05 g。

2 基于遙感影像的建筑物抗震能力分區(qū)判別

2.1 判別標(biāo)準(zhǔn)

山西農(nóng)村房屋的抗震性能較差[12]。在城市，多層建筑住宅多用砌體結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)；高層建筑住宅多用鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)；公共建筑一般構(gòu)建為大空間，多用框架結(jié)構(gòu)或框架剪力墻結(jié)構(gòu)，其抗震性能較好。

在谷歌地球或天地圖提供的亞米級(jí)遙感影像上，建筑物的分布、高度、形態(tài)可較清晰地展現(xiàn)。通過在線地圖的POI信息，建筑物的用途也可基本判定。因此，根據(jù)遙感影像數(shù)據(jù)可識(shí)別出影響建筑物抗震能力的2個(gè)重要指標(biāo)，即建筑物層數(shù)和房屋用途。建筑物層數(shù)主要依靠建筑物的外立面形態(tài)與地表的對(duì)比、陰影長度來估計(jì)。建筑物按照層數(shù)可分為五類，分別為低層(1-3層)、多層(4-6層)、中層(7-10層)、小高層(11-15層)、高層(16層以上)；建筑物用途可分為三類：住宅、公共建筑、廠房。根據(jù)建筑物高度和用途，可大體估計(jì)建筑物的抗震能力。綜合考慮房屋影像特征和山西省房屋抗震能力的一些統(tǒng)計(jì)調(diào)查結(jié)果，按照以下類別標(biāo)準(zhǔn)判定建筑物的抗震能力。

第一類，抗震能力達(dá)標(biāo)。指按抗震設(shè)防規(guī)范設(shè)計(jì)的建筑物，包括城鎮(zhèn)中心區(qū)的房屋，城鄉(xiāng)結(jié)合部和農(nóng)村地區(qū)4層以上的房屋，農(nóng)村地區(qū)經(jīng)過集中建設(shè)或抗震加固的政策性房屋，大型公用建筑(體育館、展覽館、博物館、圖書館、火車站、汽車站、機(jī)場、碼頭等)，特種建筑(發(fā)電廠、核電站、供熱廠、供水廠等)，大型廠房等。

第二類，抗震能力不足。這類建筑包括城鄉(xiāng)結(jié)合部2-3層房屋，農(nóng)村地區(qū)3-4層房屋，根據(jù)《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)中抗震設(shè)防要求提高地區(qū)的房屋。

第三類，抗震能力嚴(yán)重不足。指未采取任何抗震設(shè)防措施的建筑，包括城市城中村和城鄉(xiāng)結(jié)合部的單層房屋，農(nóng)村低層自建房屋。

2.2 判別結(jié)果及分析

將Google Earth遙感影像作為主要的數(shù)據(jù)源，在大部分地區(qū)，影像的更新年份晚于2020年，具備較好的現(xiàn)勢(shì)性。根據(jù)上述判別標(biāo)準(zhǔn)，主要采用人工目視解譯的方法，判定結(jié)果如第19頁表2所示，其空間分布如第19頁圖1所示，各縣不同房屋抗震能力判定比例如第19頁圖2所示。

圖1 基于遙感影像和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的山西省忻州市房屋抗震能力初步評(píng)估圖Fig.1 Preliminary assessment map of residential seismic capacity of buildings in Xinzhou City,Shanxi Province based on remote sensing image and experience estimation

圖2 忻州市各縣房屋抗震能力類型比例Fig.2 Proportion of seismic capacity types of houses in various counties of Xinzhou City

表2 忻州市各縣房屋抗震能力分類結(jié)果Table 2 Classification results of seismic capacity of houses in various counties of Xinzhou City

忻州市房屋在忻定盆地分布較集中，該盆地面積約5 015.45 km2，占忻州市國土總面積的19.94%，共解譯得到房屋 665 536棟，占忻州市解譯房屋總量的56.34%。總體來看，忻州市各縣的房屋抗震能力較差，城鎮(zhèn)地區(qū)的房屋抗震能力達(dá)標(biāo)比例要比農(nóng)村地區(qū)高。農(nóng)村地區(qū)房屋建設(shè)無抗震設(shè)防要求，房屋一般自行組織當(dāng)?shù)毓と私ㄔ?，無規(guī)范、專業(yè)的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。農(nóng)村居民收入普遍較低，難以負(fù)擔(dān)由于增加抗震結(jié)構(gòu)帶來的建筑成本，建房要求主要是費(fèi)用可負(fù)擔(dān)、美觀即可。近年來，農(nóng)村地區(qū)的房屋建造已考慮到圈梁、構(gòu)造柱等抗震架構(gòu)，隨著農(nóng)村人口流向城鎮(zhèn)，新建房屋少，但大多存量房屋仍欠缺抗震能力。

忻州所轄14個(gè)縣的城鎮(zhèn)化率的中位數(shù)是49.88%，GDP的中位數(shù)是77 514萬元，房屋抗震能力達(dá)標(biāo)率的中位數(shù)是4.09%。縣城鎮(zhèn)化率超過中位數(shù)的有忻府區(qū)、岢嵐縣、五寨縣、河曲縣、寧武縣、原平市、偏關(guān)縣；縣GDP超過中位數(shù)的有代縣、原平市、定襄縣、五臺(tái)縣、繁峙縣、忻府區(qū)、寧武縣；縣房屋抗震能力達(dá)標(biāo)率超過中位數(shù)的有忻府區(qū)、岢嵐縣、五寨縣、河曲縣、神池縣、寧武縣、保德縣。房屋抗震能力達(dá)標(biāo)比例超過中位數(shù)的縣與城鎮(zhèn)化率超過中位數(shù)的縣重疊率是71.43%，由此可知，城鎮(zhèn)化率與房屋抗震能力呈正相關(guān)性，但無明確的相關(guān)關(guān)系?？梢缘贸觯擎?zhèn)化率越高，所建房屋越有可能具備相應(yīng)的抗震設(shè)防能力。相比較而言，縣域的經(jīng)濟(jì)情況與房屋抗震能力達(dá)標(biāo)率的相關(guān)性較弱。

城鎮(zhèn)化率超過中位數(shù)而房屋抗震能力達(dá)標(biāo)率未超過中位數(shù)有兩個(gè)縣，分別是原平市和偏關(guān)縣。原平市經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，GDP位居忻州市第二，中高層建筑較多，但每棟包含大量房屋的中高層建筑，在遙感圖像識(shí)別中認(rèn)定為1棟房屋，造成識(shí)別到的抗震能力達(dá)標(biāo)房屋比實(shí)際的少；偏關(guān)縣城鎮(zhèn)地區(qū)有大量城中村，建造了許多密集分布的單層房屋，即使城鎮(zhèn)化率較高，但房屋的抗震能力并不高。

通過實(shí)地調(diào)查房屋的建筑結(jié)構(gòu)、高度、用途等屬性，對(duì)比其在遙感影像上的圖形特征?？梢缘贸?，通過遙感影像目視解譯其層高、跨度、形態(tài)的準(zhǔn)確度基本無誤(見表3)，當(dāng)總量是幾十萬計(jì)的房屋時(shí)，其誤差可忽略不計(jì)。

表3 忻州市部分房屋實(shí)照與影像特征對(duì)比Table 3 Comparison of Actual and Image Features of Some Houses in Xinzhou City

3 結(jié)語

根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)和遙感影像的特點(diǎn)，制訂判別建筑物抗震能力的分類標(biāo)準(zhǔn)，按照判別標(biāo)準(zhǔn)，采用免費(fèi)可用的高分辨率遙感影像，判定山西省忻州市的房屋抗震能力，基于判定結(jié)果進(jìn)行分析和討論。可以得出，忻州市房屋的抗震能力普遍較差，其中，城鎮(zhèn)地區(qū)的房屋抗震能力達(dá)標(biāo)率是農(nóng)村地區(qū)的約10倍，具有顯著優(yōu)勢(shì)。農(nóng)村地區(qū)建造的房屋長期無抗震設(shè)防要求，農(nóng)村居民可支配收入長期明顯低于城鎮(zhèn)地區(qū)，兩者是造成農(nóng)村房屋抗震能力較差的主要原因。忻州市各縣的房屋抗震能力達(dá)標(biāo)率與城鎮(zhèn)化率具有正相關(guān)性，與其GDP無顯著關(guān)聯(lián)。忻州西部6個(gè)縣的房屋抗震能力達(dá)標(biāo)率均在中位數(shù)以上，忻州西部人口相對(duì)稀疏、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)分布較少，其基本烈度較低，相比較中東部人口密集、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，房屋震害風(fēng)險(xiǎn)較低。因此，抗震加固應(yīng)以中東部地區(qū)為重點(diǎn)。