玉樹縣城區(qū)地震烈度遙感評估

玉樹縣城區(qū)地震烈度遙感評估

震害遙感影像主要應用于震害評估的研究進展隨著高分辨率遙感技術的發(fā)展，地震害識別技術的應用越來越普遍。由于遙感反映震害的能力受傳感器類型、空間分辨率、波譜分辨率等因素的影響,遙感影像在多大程度上可識別地震災害,是大家普遍關注的問題。我國從20世紀60年代中期開始,先后對1966年邢臺地震、1975年海城地震、1976年唐山地震、1988年瀾滄—耿馬地震和1989年大同地震等破壞性地震進行了震后災區(qū)航空遙感調查工作,積累了豐富的震害遙感影像判讀經(jīng)驗。在1980-1990年代,民用遙感衛(wèi)星影像分辨率尚不高(10米級和米級),其研究主要是探討震害的識別方法。本世紀初隨著遙感衛(wèi)星影像分辨率的顯著提高(米級和亞米級),遙感影像識別震害的能力大大提高,利用遙感定量地確定地震災害成為關注的主要問題之一。王曉青等利用多個特征的組合,確定了新疆巴楚-伽師地震災區(qū)的地震烈度分布,這是首次在地震應急階段利用遙感手段確定地震烈度分布并提供給應急工作使用。在伽師地震震害組合特征確定地震烈度的基礎上,王曉青等提出了遙感震害指數(shù)(RSDI)的概念,用于描述一定區(qū)域(街區(qū)或村莊)地震造成的建筑物破壞程度;提出了震害遙感定量化研究的思路,并成功應用于汶川地震造成的都江堰城區(qū)乃至汶川地震Ⅷ度及以上烈度區(qū),以及玉樹地震的遙感震害定量化研究與地震烈度判定。結果均表明遙感定量化研究在一定程度上能夠較為真實地反映地震的實際破壞程度和地震烈度,這為地震應急震害及損失的遙感評估奠定了重要理論與方法基礎。在已有的震害遙感定量研究中,主要采用平均震害指數(shù)來表征震害,由于不同建筑物類型抗震能力的差異,同一地震烈度下,其震害程度是不同的。因此,比較接近實際震害情況的方法是采用綜合震害指數(shù)表征震害。本文嘗試采用綜合震害指數(shù)法研究玉樹地震烈度的遙感評定,并對結果進行分析比較。1基于綜合地震烈度評價方法1.1地震震害指數(shù)計算遙感震害定量化研究的基本思路是對遙感提取的不同震害級別的建筑物,采用震害指數(shù)指標計算其所反映的震害程度,這樣得到的震害指數(shù)稱為遙感震害指數(shù)。遙感震害指數(shù)可以按照平均震害指數(shù)計算,即不分結構類型,只考慮破壞程度,如對汶川地震、海地地震和玉樹地震等的分析結果。某一空間單元(一般為街區(qū)或自然村)某一結構類型i的遙感平均震害指數(shù)ˉDRSi的計算如下:ˉDRSi=∑jdRSijnij∑jnij(1)式中,dRSij表示i類房屋破壞等級為j(j=1,2,3)的遙感震害指數(shù)。對遙感評估,破壞等級常劃分為3級(1-倒塌;2-局部倒塌;3-未倒塌)。nij為i類房屋破壞等級為j的幢數(shù)。實際計算中,如果不分結構類型,則結果為該空間單元的遙感平均震害指數(shù)。這樣計算雖然簡單,特別是在應急階段缺乏詳細分析結果的情況下非常有用,但嚴格來說其結果與實際震害存在一定的差異。充分采用考慮不同類型建筑物抗震性能差異的綜合震害指數(shù),則能夠相對客觀地反映震害程度。此時,空間單元的遙感綜合震害指數(shù)DRSΙ按下式計算:DRSΙ=∑iˉDRSibΝRSi∑iΝRSi(2)式中,ˉDRSib表示第i類房屋折合為等效的砌體結構房屋的平均震害指數(shù),Ni為第i類房屋的幢數(shù)。綜合震害指數(shù)的計算中,如何確定dRSij值是關鍵。在有大量豐富的不同類型結構的遙感震害資料情況下,可以通過研究確定各類型的dRSij值,使得所計算該類結構的遙感震害值與砌體結構的震害值等效。然而目前實際震害資料非常有限,且由于遙感反映震害的能力受多種因素影響,目前無法得到準確的dRSij值。為此,對各結構類型,不妨對同一破壞等級采用某一固定的值,滿足式(1)的計算條件,再通過建立不同結構類型遙感震害指數(shù)與砌體結構遙感震害指數(shù)的定量轉換模型,實現(xiàn)不同結構類型的遙感震害指數(shù)ˉDRSi等效于砌體結構的遙感震害指數(shù)ˉDRSib的轉換關系:ˉDRSib=f(ˉDRSi)(3)式中,DiRSˉ為第i類房屋的遙感平均震害指數(shù),由式(1)計算得到。再依據(jù)式(2),可確定所計算的空間單元的遙感綜合震害指數(shù)。式(3)是第i類房屋轉換為等效的砌體結構房屋平均震害指數(shù)的轉換模型。其函數(shù)形式可以根據(jù)實際情形確定。1.2震害指數(shù)遙感評估原理基于震害指數(shù)評定地震烈度的方法得到廣泛應用。震害指數(shù)是在地震現(xiàn)場震害科學考察基礎上評定的。然而由于遙感反映震害的間接性和宏觀性,遙感震害指數(shù)受遙感傳感器類型、空間分辨率等因素影響,只能在一定程度上反映實際震害。筆者發(fā)展了基于遙感調查和地面實際調查基礎上計算遙感震害指數(shù)和地面實際震害指數(shù),通過建立兩者之間的定量轉換模型,將遙感震害指數(shù)轉換為可與實際比較的等效震害指數(shù)的方法,實現(xiàn)震害指數(shù)的遙感評估,其基本思路如圖1所示。依據(jù)上述方法確定地面等效的震害指數(shù)后,則依據(jù)中國地震烈度表中震害指數(shù)與地震烈度的對應關系,可以得到遙感評估的地震烈度。2地震烈度遙感評價的結果2.1區(qū)域及遙感資料選取2010年4月14日青海省玉樹7.1級地震發(fā)生后,在地震災區(qū)迅速獲取了高分辨率航空和衛(wèi)星光學與雷達遙感影像,并開展了應急遙感震害解譯工作;5月初在災區(qū)開展了專門的震害遙感比對科學考察,取得了一批第一手震害遙感比對資料。這些資料為我們利用遙感影像開展地震烈度遙感定量評估研究奠定了重要基礎。本文選擇研究區(qū)域為玉樹縣城區(qū)范圍,主要依據(jù)高分辨率航空遙感影像及其震害解譯結果,結合地面震害調查資料開展試驗研究。所使用的高分遙感數(shù)據(jù)以中科院對地觀測與數(shù)字地球中心于2010年4月14日拍攝的航空遙感數(shù)據(jù)(0.4m分辨率)為主;應急期后,在地震現(xiàn)場科考的基礎上,適當參考了原國家測繪局2010年2月17日拍攝的無人機遙感影像(0.2m分辨率),對應急期高分遙感建筑物及其震害解譯結果進行了校核判定。2.2建筑單體及建筑物震害等級采用人工目視判讀方法,利用高分航空遙感影像,確定了房屋單體的位置、類型、樓層數(shù)和破壞程度,結果見圖2。其中,遙感解譯的結構類型分為如下幾類:1-平房;2-磚混結構;3-框架結構;4-廠房。遙感解譯的建筑物單體倒塌程度分為3類(見前述),房屋樓層高度是按照陰影長度、周邊建筑物分布等綜合判定的。圖2(c)是遙感解譯確定的建筑物單體及其震害等級,圖2(a)、圖2(b)和圖2(d)分別為遙感解譯確定的以街區(qū)為統(tǒng)計單元的建筑物類型比例、樓層高度(樓層數(shù))比例和房屋單體的震害等級比例。根據(jù)遙感解譯結果,在本研究區(qū)范圍內的144個街區(qū)約1.1萬棟房屋的遙感解譯結果顯示,玉樹縣城區(qū)房屋建筑以平房為主(主要為土木和磚木結構),大約占75%,其次為磚混結構和框架結構大約占24%,廠房很少;1～2層房屋占94.2%,3～4層占4.6%,5層及以上的房屋相對數(shù)量有限。遙感震害判定結果顯示,倒塌房屋比例為24.7%,局部倒塌房屋比例為19.9%,未倒塌房屋比例為55.4%。其中,地震造成城區(qū)中心地區(qū)部分磚混結構嚴重破壞,城區(qū)西部和南部地區(qū)的磚木和土木結構房屋基本上全毀。2.3地面調查和遙感解譯之間的定量相關關系根據(jù)震后現(xiàn)場建筑物震害遙感比對抽樣調查,共取得了250多個有效的建筑物單體的地面震害調查數(shù)據(jù),圖3中的紅色點顯示了建筑物單體震害地面調查點的分布。調查的房屋結構類型包括磚木結構、土木結構、磚混結構、框架結構、鋼筋混凝土廠房和磚柱廠房建筑物等,每個單體都進行了建筑年代、樓層高度、建筑面積和破壞程度等調查。其中,破壞程度包含:1-毀壞(倒塌);2-毀壞(未倒塌);3-嚴重破壞;4-中等破壞;5-輕微破壞;6-基本完好。通過對比房屋及其震害的遙感解譯結果和地面調查結果,可以建立遙感震害評估的定量模型。表1給出了建筑物單體震害地面調查結果與遙感解譯結果的對應關系。由于地面調查的房屋類型和震害程度劃分標準與遙感解譯不一致,無法直接建立定量模型。為了實現(xiàn)遙感震害定量評估,需要首先實現(xiàn)兩者之間的可比性。為此,在結構類型方面,地面調查的磚木結構、土木結構與遙感調查的平房對應;磚混結構和框架結構分別一一對應,地面調查的鋼筋混凝土廠房和磚柱廠房與遙感調查的廠房對應。破壞等級的對應情況則較為復雜。WangHongyi等提出了一種新的比較圖像分類效果的R值指標判別法,并依據(jù)該方法,對玉樹地震遙感解譯的震害級別與地面調查確定的震害級別的對應關系進行了研究,通過不同組合方案的R值評分和Kappa值計算,結果表明,最佳對應方案為:遙感解譯的倒塌對應地面調查的毀壞(倒塌);遙感解譯的局部倒塌對應地面調查的毀壞(未倒塌);遙感解譯的未倒塌對應地面調查的其他類型。這一結果也與我們的直觀判斷完全一致。竇愛霞等比較了遙感解譯震害與地面調查震害之間的關系,表明遙感解譯的倒塌建筑物實際地面調查均確認毀壞;遙感解譯的局部倒塌建筑物大部分(67.4%)地面調查確認為毀壞,大約16.3%地面調查判定為嚴重或中等破壞;遙感解譯的未倒塌建筑物地面調查大部分(60.1%)為輕微破壞或基本完好,總體上也支持上述震害等級的對應關系。因此,建立建筑物震害遙感解譯結果與地面調查結果的定量轉換關系,是可以有效反映地震實際震害的。需要指出的是,對比本文遙感解譯的建筑物類型及震害程度等與現(xiàn)場調查結果,遙感解譯結果與實際情況存在一定的差別,對震害定量評估結果有一定的影響。2.4地面等效遙感震害指數(shù)的確定為了建立各結構類型的震害指數(shù)之間的定量關系,設式(1)中不同破壞等級遙感震害指數(shù)(dijRS)值分別為:倒塌:1.0;局部倒塌:0.5;未倒塌:0(各結構類型取值相同),則根據(jù)式(1)和建筑物震害遙感解譯結果,計算得到四種結構類型在每個街區(qū)的遙感震害指數(shù),如圖4所示。圖4不同結構類型的震害程度關系統(tǒng)計分析結果表明,平房(磚木及土木結構為主)和廠房的遙感震害指數(shù)分布范圍較大(0～1.0),磚混結構房屋震害指數(shù)多分布在0～0.5左右,框架結構震害指數(shù)大部分分布在0～0.2之間;同一街區(qū),磚混結構震害程度明顯低于平房,框架結構更低,廠房震害程度與平房震害程度的分布范圍較大,相對而言震害略重,這與玉樹縣城區(qū)存在不同年代,特別是存在年代較早、抗震能力低的廠房有關,但總體數(shù)量并不多。根據(jù)中國地震烈度表,震害指數(shù)的確定主要依據(jù)磚結構房屋的抗震性能。從玉樹縣城區(qū)結古鎮(zhèn)房屋結構的實際抗震性能來看,本文設定的平房(實際結構主要為磚木結構、土木結構)與規(guī)范規(guī)定的磚結構房屋更接近,因此,我們在分析中,采用了各類房屋與平房進行比較。圖4表示了不同結構類型與平房的遙感震害指數(shù)關系。據(jù)此可按式(3)得到不同結構類型與平房的等效遙感震害指數(shù)關系。采用不同擬合模型對其進行擬合試驗比較,發(fā)現(xiàn)線性擬合效果最好。結果如下:磚混結構遙感等效震害指數(shù)dmbRSˉ與磚混結構遙感等效震害指數(shù)dmRSˉ的關系:dmbRSˉ=0.658dmRSˉ+0.379R=0.43(4)框架結構遙感等效震害指數(shù)dfbRSˉ與框架結構遙感震害指數(shù)dfRSˉ的關系:dfbRSˉ=-0.211dfRSˉ+0.52R=0.2(5)廠房遙感等效震害指數(shù)dwbRSˉ與廠房遙感震害指數(shù)關系:dwbRSˉ=0.351dwRSˉ+0.354R=0.53(6)依據(jù)上述結果,按照式(2),就可以計算各街區(qū)的遙感綜合震害指數(shù)。結果如圖5(a)所示。作為對比,圖5(b)給出了各街區(qū)的遙感平均震害指數(shù)分布。如果以整個玉樹縣城區(qū)作為統(tǒng)計單元,按照上述方法,可得到玉樹縣城區(qū)的遙感評估震害指數(shù)為0.42,地面等效震害指數(shù)為0.69。根據(jù)中國地震烈度表,可以確定遙感評估的玉樹縣城區(qū)的地震烈度為Ⅸ度。在前期研究中,筆者已經(jīng)建立了遙感確定的震害指數(shù)與地面調查確定的震害指數(shù)之間的對應關系:DΙG=-0.405(DΙRS)2+1.092DΙRS+0.306(7)按照上式,可將各街區(qū)遙感震害指數(shù)轉換為地面等效的震害指數(shù),如圖5(c)所示。進而,根據(jù)中國地震烈度表,得到各街區(qū)地震烈度的遙感評估結果,如圖5(d)所示。為了比較遙感綜合震害指數(shù)與平均震害指數(shù)的差異,圖6給出了按街區(qū)計算的兩種指數(shù)之間的關系分布圖。表明遙感綜合震害指數(shù)評定結果總體上比遙感平均震害指數(shù)的值要高,其中震害程度低(平均震害指數(shù)0.1～0.3左右)時,兩者差別較大,平均可達0.09左右;平均震害指數(shù)較高的區(qū)域,兩者相差平均可達0.05左右。這主要是因為采用了平房(磚木和土木結構)作為參照,其抗震能力總體上低于磚混結構和框架結構,因此通過將磚混結構和框架結構等效為平房的震害指數(shù)時,將使震害指數(shù)增大,這將使采用綜合震害指數(shù)判定的街區(qū)震害程度將略微偏高一點,也使地震烈度的估計有可能稍微大一點。但總體上估計的玉樹縣城區(qū)地震烈度為Ⅸ度,與平均震害指數(shù)估計的地震烈度一致,也與地面調查確定的地震烈度一致。由于玉樹縣城區(qū)主要房屋結構類型為土木結構和磚木結構,因此,本例綜合震害指數(shù)和平均震害指數(shù)均主要反映了土木結構和磚木結構的震害情況,因此遙感評估的綜合震害指數(shù)與和平均震害指數(shù)差別不大,街區(qū)地震烈度估計的結果差別也不大(相同或1度范圍內)。3地面等效震害指數(shù)確定的應用本文在遙感地震烈度評估方法介紹的基礎上,采用高分航空光學遙感影像解譯了玉樹地震造成的玉樹縣城區(qū)(結古鎮(zhèn))的建筑物及其震害分布。以街區(qū)為單位計算了不同結構類型的震害