基于遙感影像和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)對(duì)營(yíng)口市站前區(qū)建筑物普查

孔祥雪，戴盈磊，王萬(wàn)寧，劉力雙，任浩林

（遼寧省地震局, 沈陽(yáng) 110034）

0 引言

在破壞性地震發(fā)生之后，應(yīng)急救援是應(yīng)對(duì)地震災(zāi)害最有效的手段，及時(shí)、準(zhǔn)確的災(zāi)情快速評(píng)估結(jié)果是政府有效應(yīng)對(duì)地震災(zāi)害的基礎(chǔ)[1]。地震應(yīng)急指揮技術(shù)系統(tǒng)第一時(shí)間基于地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)各類(lèi)評(píng)估模型對(duì)地震影響范圍、房屋倒塌、人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失等進(jìn)行初步快速評(píng)估。技術(shù)系統(tǒng)的評(píng)估基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)和評(píng)估模型，其中建筑物數(shù)據(jù)更是數(shù)據(jù)庫(kù)中最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，如果采用實(shí)地調(diào)研的方式對(duì)建筑物數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力，并且需要較長(zhǎng)的時(shí)間[2-4]。所以現(xiàn)有的建筑物數(shù)據(jù)存在更新不及時(shí)的問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致快速評(píng)估結(jié)果出現(xiàn)較大偏差[5-6]。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，通過(guò)在線的遙感影像能夠?qū)Υ蠓秶慕ㄖ后w進(jìn)行快速瀏覽，并且受地面狀況影響小，影像的獲取較為清晰。本文以營(yíng)口市站前區(qū)為例，利用遙感影像和百度街景結(jié)合方式對(duì)建筑物進(jìn)行普查分析，為地震災(zāi)害快速評(píng)估提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域

1.1 研究區(qū)域概況

站前區(qū)坐落于遼東灣中心城市營(yíng)口市的核心位置，是營(yíng)口市的中心城區(qū)，面積82.31 km2。截止2020年，站前區(qū)常駐人口為26.2萬(wàn)。站前區(qū)是營(yíng)口市的政治、金融、文化、教育、衛(wèi)生、商貿(mào)中心，并輻射遼東灣周邊地區(qū)。站前區(qū)交通十分便利，鐵路、國(guó)道、水上運(yùn)輸四通八達(dá)。

截至2020年，站前區(qū)下轄6個(gè)街道（表1）。本次工作范圍是2020年行政區(qū)劃調(diào)整前的站前區(qū)范圍，不包括原老邊區(qū)路南鎮(zhèn)的光明村、董家村、新興村、大興村4個(gè)行政村。

表1 營(yíng)口市站前區(qū)行政區(qū)劃表

1.2 研究區(qū)域地形地貌特征和構(gòu)造背景

站前區(qū)地處遼河入?？跂|的下遼河平原區(qū)，地區(qū)第四系比較發(fā)育，沉積連續(xù)，層序齊全，厚度達(dá)到200 m左右。站前區(qū)向東至大石橋，第四系厚度逐漸變淺，在金州斷裂以東地區(qū)過(guò)渡為低山丘陵區(qū)；站前區(qū)向西至田莊臺(tái)，第四紀(jì)厚度逐漸增加，達(dá)到近400 m，田莊臺(tái)一帶是下遼河平原的沉降中心。

站前區(qū)及周邊構(gòu)造背景復(fù)雜，研究區(qū)西側(cè)緊鄰郯廬地震帶，東側(cè)距金州斷裂帶約15 km，北側(cè)距海城河斷裂帶約20 km。在研究區(qū)的遼河入?？谠?859年和1885年先后發(fā)生過(guò)級(jí)和級(jí)地震，研究區(qū)未來(lái)遭受地震災(zāi)害影響的風(fēng)險(xiǎn)較高，存在發(fā)生6.0～6.5級(jí)地震的構(gòu)造背景。

1.3 目標(biāo)區(qū)建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與遙感形象特征

營(yíng)口市站前區(qū)的主要房屋結(jié)構(gòu)類(lèi)型介紹如下：

1）高層房屋

根據(jù)DB/T75—2018規(guī)范[7]，高層結(jié)構(gòu)房屋以8層（含）以上為主，在功能上主要是作為新建住宅小區(qū)、醫(yī)院、商住樓、寫(xiě)字樓和酒店等，主要分布在市區(qū)內(nèi)。該類(lèi)結(jié)構(gòu)遙感影像特征明顯，衛(wèi)星圖片中表現(xiàn)為明顯的長(zhǎng)陰影。房屋建成年代大約在2000年左右，設(shè)計(jì)符合當(dāng)時(shí)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，可以認(rèn)為具有較好的抗震能力（圖1）。

2）多層房屋

多層房屋以3～7層為主，在結(jié)構(gòu)類(lèi)型上主要包括鋼筋混凝土框架多層房屋和磚混多層房屋，全市均有分布。

鋼筋混凝土框架多層房屋在功能上主要是新建住宅小區(qū)、各單位辦公樓、醫(yī)院、學(xué)校、商場(chǎng)等。該類(lèi)結(jié)構(gòu)遙感影像特征明顯，作為住宅小區(qū)常與高層建筑伴生存在，屋頂形式較為潮流，園區(qū)現(xiàn)代規(guī)劃特征清楚，作為公共建筑因其位置較易識(shí)別。房屋建成年代大約在2000年左右，設(shè)計(jì)符合當(dāng)時(shí)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，可以認(rèn)為具有較好的抗震能力（圖2）。

圖2 站前區(qū)典型多層RC框架房屋衛(wèi)星遙感影像和百度街景影像

磚混多層房屋以3～7層為主，在功能上主要是老舊的城市住宅小區(qū)。在站前區(qū)該類(lèi)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本滿足89規(guī)范要求，因其年代較早，抗震設(shè)防水準(zhǔn)低。不少房屋還采用的預(yù)制板樓板，抗震能力十分有限。以往在縣城和鄉(xiāng)鎮(zhèn)所見(jiàn)，這類(lèi)結(jié)構(gòu)形式多數(shù)為近20年建筑，抗震能力好于城市內(nèi)同類(lèi)建筑。在站前區(qū)該類(lèi)結(jié)構(gòu)遙感影像特征較明顯，表現(xiàn)為狹長(zhǎng)連片的多層結(jié)構(gòu)，通過(guò)百度街景可以進(jìn)一步驗(yàn)證（圖3）。

圖3 站前區(qū)典型多層砌體房屋衛(wèi)星遙感影像和百度街景影像

3）低層房屋

低層房屋以3層以下為主，在結(jié)構(gòu)類(lèi)型上主要包括設(shè)防結(jié)構(gòu)低層房屋和不設(shè)防結(jié)構(gòu)低層房屋，在站前區(qū)小規(guī)模分散分布。

設(shè)防結(jié)構(gòu)低層房屋多采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，在功能上較多為2000年左右建成的新建洋房、別墅和改造的城中村。該類(lèi)結(jié)構(gòu)遙感影像特征明顯，表現(xiàn)為明顯經(jīng)過(guò)現(xiàn)代設(shè)計(jì)和裝飾的低層建筑，小區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)整。這類(lèi)房屋認(rèn)為具備較好的抗震能力（圖4）。

圖4 站前區(qū)典型設(shè)防低層房屋衛(wèi)星遙感影像和百度街景影像

不設(shè)防結(jié)構(gòu)低層房屋主要分布在城中村、城郊村，村落處于待拆遷和半拆遷狀態(tài)。受城市發(fā)展規(guī)劃和村民對(duì)城市發(fā)展預(yù)期的制約，房屋在近20年基本沒(méi)有更新。對(duì)于城中村，大部分房屋已不作為居住使用，但受經(jīng)濟(jì)條件所限，有一小部分房屋仍作為居住使用。對(duì)于城郊村，居住用房屋比例遠(yuǎn)大于城中村。該類(lèi)房屋結(jié)構(gòu)類(lèi)型和構(gòu)造特點(diǎn)可以等同于本地農(nóng)居，多數(shù)房屋抗震能力較差。該類(lèi)結(jié)構(gòu)遙感影像特征明顯，表現(xiàn)為明顯的村落，城中村房屋布置凌亂，地理位置常位于城郊。這類(lèi)房屋百度街景影像不全，只有臨近大路的才能獲得，農(nóng)居的抗震能力判斷主要依據(jù)衛(wèi)星遙感判斷（圖5）。

圖5 站前區(qū)典型不設(shè)防低層房屋衛(wèi)星遙感影和百度街景影像

通過(guò)結(jié)合建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求、遙感影像和百度街景，建筑物抗震能力主要判斷依據(jù)為GB50011—2001、GB50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[8-9]和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，抗震能力主要分為估計(jì)設(shè)防達(dá)標(biāo)、疑似不達(dá)標(biāo)和疑似嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)3種類(lèi)型。

1）設(shè)防達(dá)標(biāo)：中心地區(qū)的房屋、城鄉(xiāng)結(jié)合部及農(nóng)村地區(qū)4層以上房屋、農(nóng)村地區(qū)的抗震安居房等政策性房屋、大型公用建筑（體育館、展覽館、火車(chē)站、汽車(chē)站、機(jī)場(chǎng)、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。

2）疑似不達(dá)標(biāo)：除疑似高風(fēng)險(xiǎn)和疑似低風(fēng)險(xiǎn)之外的建筑，主要包括89年之前建造、未按照抗震規(guī)范設(shè)計(jì)、四代圖及以前不做設(shè)防要求地區(qū)、包含部分抗震構(gòu)造措施等房屋。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷：城鄉(xiāng)結(jié)合部2～3層房屋、農(nóng)村地區(qū)3～4層的建筑，五代圖新增設(shè)防地區(qū)。

3）疑似嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)：未采取任何抗震設(shè)防措施的建筑。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷：城鎮(zhèn)城中村、城鄉(xiāng)結(jié)合部單層房屋、農(nóng)村地區(qū)（1～2層）低層自建房屋。

在上述建筑物抗震能力分類(lèi)的基礎(chǔ)上，對(duì)遼寧地區(qū)城市建筑進(jìn)一步細(xì)分為高層、多層、低層等建筑類(lèi)別。遼寧省城市建筑類(lèi)別的影像特征總結(jié)如表2～3所示。

表2 遼寧省市縣典型建筑遙感影像特征

表3 遼寧省農(nóng)居遙感影像資料判別特征 [10-11]

2 基于ArcGIS的建筑物普查分析

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

本文基于ArcGIS平臺(tái)利用SimpleGIS在線地圖插件調(diào)用對(duì)應(yīng)的遙感影像信息。遼寧省衛(wèi)星遙感影像資料豐富，3年內(nèi)米級(jí)-亞米級(jí)衛(wèi)星遙感影像基本覆蓋全省，故基于遙感影像和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)開(kāi)展區(qū)域建筑物普查分析具有可行性和重要的應(yīng)用價(jià)值。

本文采用的數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)如表4所示，數(shù)據(jù)表中包含ID編碼、建筑物所屬地區(qū)編碼等基本信息，以及分別定義了估計(jì)值和實(shí)測(cè)值的區(qū)域內(nèi)房屋棟數(shù)和抗震設(shè)防能力初判情況作為待輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)。估計(jì)值用于本次經(jīng)驗(yàn)估算得到的數(shù)據(jù)，如果后續(xù)進(jìn)行了更細(xì)致、更準(zhǔn)確的工作，可以將準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)存入實(shí)測(cè)值屬性字段中，便于對(duì)比和應(yīng)用。

表4 設(shè)防達(dá)標(biāo)分區(qū)屬性表

2.2 工作成果

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在遼寧省營(yíng)口市站前區(qū)開(kāi)展基于遙感影像和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的建筑物普查分析工作，共完成房屋判別棟數(shù)9 334棟，已處理遙感影像面積約21.58 km2。部分標(biāo)繪分區(qū)屬性表如圖6所示。

圖6 標(biāo)繪分區(qū)屬性表截圖

在基本判定工作結(jié)束之后，結(jié)合百度街景地圖對(duì)GIS遙感影像建筑物的高度和層數(shù)進(jìn)行了檢查。以《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)不同基本設(shè)防烈度地區(qū)、不同結(jié)構(gòu)類(lèi)型的層高限制要求，作為未來(lái)對(duì)城市建筑結(jié)構(gòu)類(lèi)型進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)劃分的參考依據(jù)。檢查結(jié)果如表5所示，對(duì)比圖如圖7所示。通過(guò)百度街景核查發(fā)現(xiàn)，通過(guò)遙感影像的標(biāo)繪方法在某些區(qū)域會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

圖7 衛(wèi)星遙感影像和百度街景影像核查對(duì)比圖

表5 百度街景核查結(jié)果

通過(guò)上述檢查，利用ArcGIS繪制基于遙感影像和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的營(yíng)口市站前區(qū)建筑物分布圖（圖8）。估計(jì)抗震能力達(dá)標(biāo)房屋棟數(shù)5 806棟，占比62.2%；疑似抗震能力不足房屋棟數(shù)218棟，占比2.34%；疑似抗震能力嚴(yán)重不足房屋棟數(shù)3 310棟，占比35.46%。

圖8 基于遙感影像和經(jīng)驗(yàn)初步估計(jì)的營(yíng)口市站前區(qū)建筑物抗震能力分布圖

3 總結(jié)

基于遙感影像和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)可以看出，經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，遼寧省城市抗震能力情況有明顯改善。隨著這20年的城市化發(fā)展，原城區(qū)和新建城區(qū)大部分具備了較好的抗震能力，僅少數(shù)老舊小區(qū)抗震能力不足，存在強(qiáng)震下遭受?chē)?yán)重破壞和大震下出現(xiàn)倒塌傷亡的風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行進(jìn)一步鑒定。

抗震能力的主要不足來(lái)自于快速城市化進(jìn)程中出現(xiàn)的城中村和城郊村，這些原本屬于農(nóng)村的地區(qū)因城市化進(jìn)程被納入城區(qū)之內(nèi)。受到城市發(fā)展動(dòng)遷預(yù)期影響，城郊村和城中村農(nóng)居房屋多數(shù)在近20年未經(jīng)過(guò)更新，尤其是城中村更為破舊凌亂。盡管多數(shù)房屋已經(jīng)不作為居住使用，但仍有少量房屋作為居住使用，大震作用下存在倒塌危險(xiǎn)。