遙感解譯震害與實(shí)際震害定量評(píng)估在玉樹(shù)地震中的應(yīng)用

遙感解譯震害與實(shí)際震害定量評(píng)估在玉樹(shù)地震中的應(yīng)用

0震害定量化與遙感震害提取模型的應(yīng)用背景隨著衛(wèi)星和航空航空航空航空工程的發(fā)展，經(jīng)過(guò)破壞大地震后，利用遙感手段，可以快速獲取災(zāi)區(qū)房屋破壞、道路破壞、地震地質(zhì)次生破壞、地震地表破壞和其他地震信息。及時(shí)評(píng)估地震災(zāi)害，為地震救援和災(zāi)害恢復(fù)和重建提供重要決策信息。遙感快速震害調(diào)查已經(jīng)在伽師地震、汶川地震、海地地震、智利地震、玉樹(shù)7.1級(jí)地震、日本9.0級(jí)地震等多次國(guó)內(nèi)外大地震中成功應(yīng)用,并且已經(jīng)成為災(zāi)后震害調(diào)查與評(píng)估的重要手段。早期遙感應(yīng)用于地震災(zāi)害調(diào)查主要是利用遙感影像進(jìn)行災(zāi)害程度的識(shí)別,并未與現(xiàn)場(chǎng)獲得的實(shí)際災(zāi)害建立定量關(guān)系。隨著遙感圖像多源、高分辨率、多時(shí)相的發(fā)展,應(yīng)用高分辨率遙感影像提取震害結(jié)果越來(lái)越準(zhǔn)確,如何使遙感解譯結(jié)果與地面調(diào)查真實(shí)結(jié)果具有可比性,王曉青等提出了遙感震害定理化指標(biāo),并初步建立了2003年伽師一巴楚6.8級(jí)地震、2008年汶川地震的遙感震害與地面實(shí)際調(diào)查震害的定量化關(guān)系,利用汶川地震震害定量評(píng)估模型得到了汶川128個(gè)重要城鎮(zhèn)地面等效烈度,該結(jié)果與中國(guó)地震局發(fā)布的烈度分布圖非常吻合。然而,汶川震害定量化統(tǒng)計(jì)模型以街區(qū)為統(tǒng)計(jì)單元,基于很長(zhǎng)時(shí)間的地面現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的大量樣本統(tǒng)計(jì)得到的,但是有些地震發(fā)生后,由于客觀原因,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查建筑物相對(duì)較少。如何基于少量樣本建立定量化評(píng)估模型,對(duì)震后快速評(píng)估具有重要實(shí)用化價(jià)值和科學(xué)意義。本文在新疆伽師地震、四川汶川地震遙感定量化研究的基礎(chǔ)上,利用2010年4月14日青海玉樹(shù)7.1級(jí)地震高分辨率遙感解譯結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料進(jìn)行對(duì)比分析,建立了基于少量樣本的遙感震害與地面調(diào)查震害定量化統(tǒng)計(jì)關(guān)系模型,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析討論。1三維遙感地震資料評(píng)價(jià)模型1.1震害指數(shù)nij在傳統(tǒng)的地面震害調(diào)查中,常采用震害指數(shù)來(lái)表征震害程度。震害指數(shù)的概念在1970年通海地震調(diào)查中提出來(lái)后,已廣泛應(yīng)用于地震震害研究中。某一調(diào)查點(diǎn)的房屋建筑震害程度采用震害指數(shù)表示,其定義為:式中:第i類房屋建筑震害指數(shù);dij表示某一區(qū)域(通常是以街區(qū)或自然村作為統(tǒng)計(jì)單元)i類房屋破壞等級(jí)為j(j取1,2,3,4,5)的震害指數(shù);震害指數(shù)為1表示全部毀壞,為0表示完好無(wú)損,中間可劃分為若干等級(jí)。nij為i類房屋破壞等級(jí)為j的房屋幢數(shù)或建筑面積。一般情況下,調(diào)查區(qū)內(nèi)有多種建筑物類型,不同建筑物類型抗震性能存在顯著差異。為了定量化調(diào)查點(diǎn)的震害程度,通常用綜合震害指數(shù)來(lái)表征該調(diào)查點(diǎn)的震害程度。綜合震害指數(shù)定義如下:式中:將i類房屋震害指數(shù)di折合為等效的砌體結(jié)構(gòu)的平均震害指數(shù);Ni為第i類房屋的幢數(shù)或建筑面積。受遙感圖像空間分辨率等因素影像,單體建筑物能夠識(shí)別的震害程度通常分為三個(gè)破壞等級(jí),即倒塌、局部倒塌、未倒塌。參照地面綜合震害指數(shù)的思路,王曉青等定義了遙感綜合震害指數(shù):式中:為折合為等效的砌體結(jié)構(gòu)的第i類房屋的遙感震害指數(shù);NiRS為第i類房屋的遙感判讀幢數(shù)。與地面震害指數(shù)相對(duì)應(yīng),遙感震害指數(shù)取值范圍也是0~1。利用遙感解譯的建筑物震害程度,通過(guò)遙感震害定量化統(tǒng)計(jì)建立的遙感綜合震害指數(shù)與地面綜合震害指數(shù)的定量關(guān)系,得到等效的地面綜合震害指數(shù)。依據(jù)中國(guó)地震烈度表(GB/T17742-2008)中綜合震害指數(shù)與地震烈度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,即可確定該地點(diǎn)的地震烈度。1.2震后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的長(zhǎng)度、地理位置及震后的發(fā)生情況上述遙感震害定量化模型以某一區(qū)域?yàn)榻y(tǒng)計(jì)單元,基于大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料得到的,然而有些地震,例如青海玉樹(shù)7.1級(jí)地震,破壞主要集中在人口比較密集的結(jié)古鎮(zhèn),由于高寒氣候影響,再加上震后迅速開(kāi)始的恢復(fù)重建,限制了震后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的周期和房屋建筑數(shù)量。上述以街區(qū)為單元進(jìn)行的定量化評(píng)估很難實(shí)現(xiàn),本文參照遙感震害定量評(píng)估思路,直接以快速調(diào)查得到的少量有限單棟房屋建筑震害為統(tǒng)計(jì)對(duì)象,反推地面震害指數(shù),從而進(jìn)行定量評(píng)估分析。2在玉羅地震中，對(duì)地震害進(jìn)行了調(diào)查和遙感地震害的提取2.1房屋建筑調(diào)查玉樹(shù)7.1級(jí)地震發(fā)生后,作者所在工作組于2010年5月8日對(duì)災(zāi)區(qū)建筑物震害、地表破裂、地震地質(zhì)次生災(zāi)害進(jìn)行了野外考察獲取大量的一手野外資料。其中玉樹(shù)縣城結(jié)古鎮(zhèn)對(duì)建(構(gòu))筑物進(jìn)行了約350處調(diào)查,其中資料較完整的房屋建筑單體大約有250多棟(圖1)。調(diào)查涵蓋了磚木結(jié)構(gòu)和土木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土廠房和磚柱廠房建筑物等房屋結(jié)構(gòu)類型。調(diào)查建筑結(jié)構(gòu)類型及破壞程度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖2。調(diào)查內(nèi)容包括房屋建筑年代、樓層高度、建筑面積、破壞程度等。結(jié)古鎮(zhèn)中心地區(qū)房屋建筑以磚混結(jié)構(gòu)為主,城區(qū)其他地區(qū)以磚木和土木結(jié)構(gòu)為主,地震造成城鎮(zhèn)中心地區(qū)部分磚混結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞,城鎮(zhèn)西部和南部地區(qū)的磚木和土木結(jié)構(gòu)房屋基本上全毀。2.2結(jié)古鎮(zhèn)建筑震害影像特征玉樹(shù)地震發(fā)生后,國(guó)內(nèi)外遙感數(shù)據(jù)源獲取單位迅速獲取并及時(shí)提供了大量震前震后高分辨率影像。地震應(yīng)急期內(nèi),主要使用了中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)中心地震發(fā)生當(dāng)天下午獲取的分辨率優(yōu)于0.4m的航空遙感影像、北京天目科技有限公司提供的震前Quickbird影像(2004年11月6日獲取)和震后Quickbird影像(2010年4月15日獲取)、國(guó)家測(cè)繪局0.2m航空遙感影像(2010年4月17日拍攝)等高分辨率衛(wèi)星影像。對(duì)結(jié)古鎮(zhèn)11100多棟建筑物震害程度、結(jié)構(gòu)類型、樓層高度進(jìn)行了詳細(xì)判讀,并提取了每棟房屋的邊界。對(duì)于高分辨率遙感圖像未覆蓋區(qū)域主要居民點(diǎn),使用北京視寶圖像有限公司提供的震前震后SPOT衛(wèi)星和國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星影像對(duì)比分析判定其房屋建筑震害程度。地震科學(xué)考察時(shí)期,在綜合分析各類結(jié)構(gòu)類型建筑物的不同破壞類型震害影像特征基礎(chǔ)上,逐棟房屋進(jìn)行修正,得到了更加準(zhǔn)確的建筑物震害提取結(jié)果。圖3所示為結(jié)古鎮(zhèn)建筑物單體震害遙感提取結(jié)果,從圖中可以看出結(jié)古鎮(zhèn)建筑物大部分倒塌或局部倒塌,并且不同區(qū)域震害差別比較大,城南和城西以磚木和土木為主的房屋大多數(shù)倒塌,與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果的吻合。圖4顯示了不同結(jié)構(gòu)類型震害影像特征,其中,A圖中箭頭所指的為一4層磚混結(jié)構(gòu)房屋,位于扎曲南路和新道路交叉路口東北角,為商住兩用民房,底下兩層坍塌,數(shù)人傷亡。A影像(中國(guó)科學(xué)院對(duì)地觀測(cè)與數(shù)字地球科學(xué)中心0.4m航空遙感影像,2010年4月15日拍攝)中顯示房屋周邊有落瓦,故判斷該建筑破壞未倒塌。B影像由于搶救埋壓人員,該房屋被全部推倒,顯示為部分倒塌。C為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查照片,攝于2010年5月11日。D影像顯示的房屋建筑位于結(jié)古鎮(zhèn)西部扎西科路南居民區(qū),該區(qū)域房屋建筑結(jié)構(gòu)以土木結(jié)構(gòu)為主,該區(qū)域房屋幾乎全部倒塌。與震前Quickbird影像(2004年11月6日)比較,表明該區(qū)域較多房屋為2004年后增建房屋,照片(F圖)攝于2010年5月12日。3遙感解譯對(duì)破裂的識(shí)別正確率較高為了對(duì)比分析建筑物震害遙感解譯結(jié)果與地面實(shí)際調(diào)查結(jié)果的一致性,作者分別對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查的250多棟房屋建筑地面調(diào)查震害與遙感解譯震害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析,結(jié)果見(jiàn)表1和圖5。遙感解譯的倒塌建筑物實(shí)際地面調(diào)查均確認(rèn)毀壞;遙感解譯的局部倒塌建筑物大部分(67.4%)地面調(diào)查確認(rèn)毀壞,大約16.3%地面調(diào)查判定為嚴(yán)重或中等破壞;遙感解譯的未倒塌建筑物地面調(diào)查大部分(60.1%)結(jié)果為輕微破壞或基本完好。從實(shí)際震害角度分析,毀壞建筑物中,有92.3%遙感解譯判定為倒塌或局部倒塌;輕微破壞或基本完好建筑物中,有93.7%遙感解譯判定為未倒塌;嚴(yán)重或中等破壞建筑物則比較復(fù)雜,大部分(87.0%)遙感解譯判定為未倒塌。因此,遙感解譯對(duì)于毀壞,基本完好和輕微破壞建筑物識(shí)別正確率比較高,但對(duì)嚴(yán)重或中等破壞建筑物誤判率比較高。這是由于地面調(diào)查嚴(yán)重破壞和中等破壞級(jí)別房屋主要震害特征為墻體裂縫嚴(yán)重或較多而房屋未倒塌,因此遙感影像將其多數(shù)識(shí)別為未倒塌級(jí)別。4地震震害指數(shù)計(jì)算根據(jù)建筑物震害快速定量評(píng)估思路,將遙感解譯的建筑物單體震害指數(shù)分別取值為:1-倒塌取值1.0,2-局部倒塌取值0.5,3-未倒塌取值0.01,實(shí)際建筑物單體震害指數(shù)分別為:1-毀壞(倒塌)取值1.0;2-毀壞(未倒塌)取值0.9;3-嚴(yán)重破壞取值0.7;4-中等破壞取值0.4;5-輕微破壞取值0.2;6-基本完好取值0.01。則可分別計(jì)算遙感解譯平均震害指數(shù)和建筑物實(shí)際震害指數(shù)。根據(jù)地面調(diào)查與遙感解譯震害對(duì)比調(diào)查數(shù)據(jù),以遙感震害調(diào)查建筑物的同一震害級(jí)別為分組依據(jù),按照平均震害指數(shù)的統(tǒng)計(jì)方式,統(tǒng)計(jì)確定了對(duì)應(yīng)的實(shí)際震害指數(shù)(表2),得到玉樹(shù)地震結(jié)古鎮(zhèn)遙感震害與實(shí)際震害定量關(guān)系多項(xiàng)式擬合結(jié)果(圖6)和直線擬合結(jié)果(圖7)。圖6和圖7中定量關(guān)系表明,遙感震害指數(shù)相對(duì)比實(shí)際震害指數(shù)小,這與遙感識(shí)別震害的能力有限的實(shí)際情況是相符的,但遙感震害指數(shù)與實(shí)際震害指數(shù)表現(xiàn)了很好的相關(guān)性。分別采用多項(xiàng)式擬合和線性擬合的遙感震害指數(shù)與實(shí)際震害指數(shù)的定量關(guān)系,結(jié)果如下。采用多項(xiàng)式擬合的定量關(guān)系公式:采用線性擬合的定量關(guān)系公式:式中:DIRS為遙感解譯震害指數(shù),是基于震后高分航空遙感建筑物震害解譯結(jié)果確定的震害指數(shù);DIG為實(shí)際震害指數(shù),是依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)建筑物震害調(diào)查結(jié)果確定的震害指數(shù)。比較上述兩種擬合結(jié)果,線性擬合結(jié)果不如多項(xiàng)式擬合結(jié)果精確,而且在震害指數(shù)比較高的時(shí)候,會(huì)出現(xiàn)超過(guò)1的不合理情形。因此,選擇多項(xiàng)式擬合結(jié)果作為玉樹(shù)地震結(jié)古鎮(zhèn)高分辨率光學(xué)遙感影像震害解譯結(jié)果與實(shí)際震害的定量轉(zhuǎn)換關(guān)系。5區(qū)域地震地質(zhì)條件基于玉樹(shù)縣結(jié)古鎮(zhèn)單棟房屋建筑的高分辨率航空遙感影像震害判讀結(jié)果,以街區(qū)為計(jì)算單元,統(tǒng)計(jì)計(jì)算了玉樹(shù)縣結(jié)古鎮(zhèn)各街區(qū)的遙感震害指數(shù),利用式(4)得到每個(gè)街區(qū)對(duì)應(yīng)的等效地面震害指數(shù),空間分布如圖8所示。圖8顯示結(jié)古鎮(zhèn)西部和南部破壞較嚴(yán)重,東部和北部破壞較輕,建筑物破壞整體分布特征與玉樹(shù)地貌類型、地震斷裂、地表破裂密切相關(guān)。玉樹(shù)地震發(fā)生在甘孜—玉樹(shù)—風(fēng)火山斷裂帶的玉樹(shù)段,造成長(zhǎng)約31km的地表破裂。地表破裂帶從位于玉樹(shù)城區(qū)南部賽馬場(chǎng)以西(扎曲河以南)至加吉村東側(cè)山梁,沿玉樹(shù)-巴塘公路加油站西側(cè)山坡向東南,穿越巴曲河后,從結(jié)古鎮(zhèn)禪古村南側(cè)通過(guò),抵達(dá)禪古村小學(xué)操場(chǎng)終止。遙感影像定量評(píng)估的震害指數(shù)分布展示了沿地表破裂與斷裂較近的范圍內(nèi)建筑物破裂嚴(yán)重,稍遠(yuǎn)地區(qū)破壞相對(duì)較輕,與馬寅生等的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析結(jié)論相吻合。同時(shí),對(duì)結(jié)古鎮(zhèn)所有房屋建筑震害程度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到整個(gè)結(jié)古鎮(zhèn)遙感震害指數(shù)為0.35,依據(jù)定量關(guān)系公式(4)得到等效地面綜合震害指數(shù)為0.64,根據(jù)中國(guó)地震烈度表,結(jié)古鎮(zhèn)地震烈度為Ⅸ度,該結(jié)果與中國(guó)地震局的地面調(diào)查烈度一致。6主要結(jié)果與分析本文在伽師地震、汶川地震震害定量化評(píng)估基礎(chǔ)上,提出了基于少量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查樣本建立遙感解譯震害與地面實(shí)際震害定量評(píng)估的方法和理論模型;對(duì)玉樹(shù)地震遙感震害解譯與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了分析,建立了兩者定量關(guān)系,并進(jìn)一步得到了街區(qū)等效震害指數(shù)和結(jié)古鎮(zhèn)綜合震害指數(shù)。盡管文中建筑震害統(tǒng)計(jì)分析時(shí),使用了平均震害指數(shù),而沒(méi)有考慮建筑物結(jié)構(gòu)類型對(duì)震害程度的影響,但結(jié)果顯示無(wú)論是以街區(qū)為單元的遙感震害分布,還是玉樹(shù)縣綜合震害指數(shù)都與實(shí)際調(diào)查結(jié)果一致。本文定量模型針對(duì)城鎮(zhèn)建筑物是基于0.2m和0.4m的航空影像得到的,具有一定的適應(yīng)性。該模型可應(yīng)用于建筑物結(jié)構(gòu)類型分布與玉樹(shù)縣結(jié)古鎮(zhèn)相似的城鎮(zhèn)遙感震害評(píng)估工作中。地震應(yīng)急期間,根據(jù)地震現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查資料,應(yīng)用本文基于少量調(diào)查樣本的震害快速定量評(píng)估方法,可快速確定災(zāi)區(qū)的定量評(píng)估模型,應(yīng)用該模型能夠得到更接近實(shí)際災(zāi)情的遙感評(píng)估結(jié)果,實(shí)現(xiàn)地震應(yīng)急快速定量評(píng)估,及時(shí)為地震應(yīng)急指揮與救援決策服務(wù)。致謝:玉樹(shù)地震建筑物震害現(xiàn)場(chǎng)遙感對(duì)