遥感震害快速定量评估方法及其在玉树地震中的应用*

窦爱霞，王晓青，丁 香，袁小祥，王 龙，董彦芳，金鼎坚

(1.中国地震局地质研究所，北京100029;2.中国地震局地震预测研究所地震灾害信息研究中心，北京100036)

遥感震害快速定量评估方法及其在玉树地震中的应用*

窦爱霞1，2，王晓青2，丁 香2，袁小祥2，王 龙2，董彦芳2，金鼎坚2

(1.中国地震局地质研究所，北京100029;2.中国地震局地震预测研究所地震灾害信息研究中心，北京100036)

在伽师地震、汶川地震遥感定量化灾害评估基础上，提出了基于少量现场调查样本进行遥感解译震害与地面实际震害定量评估的方法，以玉树地震为例，建立了遥感解译震害与现场调查结果的定量关系，并进一步得到了玉树县城结古镇街区的等效震害指数和结古镇综合震害指数，结果显示遥感震害快速定量评估结果与实际调查结果一致。该模型可应用于建筑物结构类型分布与玉树县结古镇相似的城镇遥感震害评估工作中。

航空遥感;建筑物;震害;定量评估;玉树地震;伽师地震;汶川地震

0 引言

随着卫星和航空遥感技术的发展，破坏性大地震发生后，利用遥感手段能够快速获取灾区房屋建筑震害［1－2］、道路交通损坏［3－4］、地震地质次生灾害［5］、地震地表破裂［6］等震后重要灾情信息，及时为地震应急救援、震害评估和恢复重建提供重要决策信息。遥感快速震害调查已经在伽师地震、汶川地震、海地地震、智利地震、玉树7.1级地震、日本9.0级地震等多次国内外大地震中成功应用［7－11］，并且已经成为灾后震害调查与评估的重要手段。早期遥感应用于地震灾害调查主要是利用遥感影像进行灾害程度的识别，并未与现场获得的实际灾害建立定量关系［12－13］。随着遥感图像多源、高分辨率、多时相的发展，应用高分辨率遥感影像提取震害结果越来越准确，如何使遥感解译结果与地面调查真实结果具有可比性，王晓青等［14－15］提出了遥感震害定理化指标，并初步建立了2003年伽师一巴楚6.8级地震、2008年汶川地震的遥感震害与地面实际调查震害的定量化关系，利用汶川地震震害定量评估模型得到了汶川128个重要城镇地面等效烈度，该结果与中国地震局发布的烈度分布图非常吻合［16－17］。然而，汶川震害定量化统计模型以街区为统计单元，基于很长时间的地面现场调查的大量样本统计得到的，但是有些地震发生后，由于客观原因，现场调查建筑物相对较少。如何基于少量样本建立定量化评估模型，对震后快速评估具有重要实用化价值和科学意义。

本文在新疆伽师地震、四川汶川地震遥感定量化研究的基础上，利用2010年4月14日青海玉树7.1级地震高分辨率遥感解译结果和现场调查资料进行对比分析，建立了基于少量样本的遥感震害与地面调查震害定量化统计关系模型，并对结果进行了分析讨论。

1 遥感震害快速定量化评估模型

1.1 遥感震害定量化模型

在传统的地面震害调查中，常采用震害指数来表征震害程度。震害指数的概念在1970年通海地震调查中提出来后，已广泛应用于地震震害研究中［18］。某一调查点的房屋建筑震害程度采用震害指数表示，其定义为:式中:第i类房屋建筑震害指数;dij表示某一区域(通常是以街区或自然村作为统计单元)i类房屋破坏等级为 j(j取1，2，3，4，5)的震害指数;震害指数为1表示全部毁坏，为0表示完好无损，中间可划分为若干等级。nij为i类房屋破坏等级为j的房屋幢数或建筑面积。

一般情况下，调查区内有多种建筑物类型，不同建筑物类型抗震性能存在显著差异。为了定量化调查点的震害程度，通常用综合震害指数来表征该调查点的震害程度。综合震害指数定义如下:

受遥感图像空间分辨率等因素影像，单体建筑物能够识别的震害程度通常分为三个破坏等级，即倒塌、局部倒塌、未倒塌。参照地面综合震害指数的思路，王晓青［15］等定义了遥感综合震害指数:

利用遥感解译的建筑物震害程度，通过遥感震害定量化统计建立的遥感综合震害指数与地面综合震害指数的定量关系，得到等效的地面综合震害指数。依据中国地震烈度表［19］(GB/T17742－2008)中综合震害指数与地震烈度的对应关系，即可确定该地点的地震烈度。

1.2 遥感震害快速定量化模型

上述遥感震害定量化模型以某一区域为统计单元，基于大量现场调查资料得到的，然而有些地震，例如青海玉树7.1级地震，破坏主要集中在人口比较密集的结古镇，由于高寒气候影响，再加上震后迅速开始的恢复重建，限制了震后现场调查的周期和房屋建筑数量。上述以街区为单元进行的定量化评估很难实现，本文参照遥感震害定量评估思路，直接以快速调查得到的少量有限单栋房屋建筑震害为统计对象，反推地面震害指数，从而进行定量评估分析。

2 玉树地震现场震害调查及遥感震害提取

2.1 玉树县结古镇建筑物灾害调查

玉树7.1级地震发生后，作者所在工作组于2010年5月8日对灾区建筑物震害、地表破裂、地震地质次生灾害进行了野外考察获取大量的一手野外资料。其中玉树县城结古镇对建(构)筑物进行了约350处调查，其中资料较完整的房屋建筑单体大约有250多栋(图1)。调查涵盖了砖木结构和土木结构、砖混结构、框架结构、钢筋混凝土厂房和砖柱厂房建筑物等房屋结构类型。调查建筑结构类型及破坏程度统计见图2。调查内容包括房屋建筑年代、楼层高度、建筑面积、破坏程度等。结古镇中心地区房屋建筑以砖混结构为主，城区其他地区以砖木和土木结构为主，地震造成城镇中心地区部分砖混结构严重破坏，城镇西部和南部地区的砖木和土木结构房屋基本上全毁。

图1 玉树县城区(结古镇)建筑物震害现场调查点分布图

图2 现场调查房屋建筑结构数量

2.2 结古镇遥感震害提取

玉树地震发生后，国内外遥感数据源获取单位迅速获取并及时提供了大量震前震后高分辨率影像。地震应急期内，主要使用了中国科学院对地观测中心地震发生当天下午获取的分辨率优于0.4 m的航空遥感影像、北京天目科技有限公司提供的震前Quickbird影像(2004年11月6日获取)和震后Quickbird影像(2010年4月15日获取)、国家测绘局0.2 m航空遥感影像(2010年4月17日拍摄)等高分辨率卫星影像。对结古镇11 100多栋建筑物震害程度、结构类型、楼层高度进行了详细判读，并提取了每栋房屋的边界。对于高分辨率遥感图像未覆盖区域主要居民点，使用北京视宝图像有限公司提供的震前震后SPOT卫星和国产卫星影像对比分析判定其房屋建筑震害程度。地震科学考察时期，在综合分析各类结构类型建筑物的不同破坏类型震害影像特征基础上，逐栋房屋进行修正，得到了更加准确的建筑物震害提取结果。

图3所示为结古镇建筑物单体震害遥感提取结果，从图中可以看出结古镇建筑物大部分倒塌或局部倒塌，并且不同区域震害差别比较大，城南和城西以砖木和土木为主的房屋大多数倒塌，与现场调查结果的吻合。图4显示了不同结构类型震害影像特征，其中，A图中箭头所指的为一4层砖混结构房屋，位于扎曲南路和新道路交叉路口东北角，为商住两用民房，底下两层坍塌，数人伤亡。A影像(中国科学院对地观测与数字地球科学中心0.4 m航空遥感影像，2010年4月15日拍摄)中显示房屋周边有落瓦，故判断该建筑破坏未倒塌。B影像由于抢救埋压人员，该房屋被全部推倒，显示为部分倒塌。C为现场调查照片，摄于2010年5月11日。D影像显示的房屋建筑位于结古镇西部扎西科路南居民区，该区域房屋建筑结构以土木结构为主，该区域房屋几乎全部倒塌。与震前Quickbird影像(2004年11月6日)比较，表明该区域较多房屋为2004年后增建房屋，照片(F图)摄于2010年5月12日。

图3 玉树县城区(结古镇)建筑物震害遥感解译分布图

图4 典型震害影像

3 现场调查与遥感影像解译对比分析

为了对比分析建筑物震害遥感解译结果与地面实际调查结果的一致性，作者分别对现场调查的250多栋房屋建筑地面调查震害与遥感解译震害进行统计对比分析，结果见表1和图5。遥感解译的倒塌建筑物实际地面调查均确认毁坏;遥感解译的局部倒塌建筑物大部分(67.4%)地面调查确认毁坏，大约16.3%地面调查判定为严重或中等破坏;遥感解译的未倒塌建筑物地面调查大部分(60.1%)结果为轻微破坏或基本完好。

从实际震害角度分析，毁坏建筑物中，有92.3%遥感解译判定为倒塌或局部倒塌;轻微破坏或基本完好建筑物中，有93.7%遥感解译判定为未倒塌;严重或中等破坏建筑物则比较复杂，大部分(87.0%)遥感解译判定为未倒塌。因此，遥感解译对于毁坏，基本完好和轻微破坏建筑物识别正确率比较高，但对严重或中等破坏建筑物误判率比较高。这是由于地面调查严重破坏和中等破坏级别房屋主要震害特征为墙体裂缝严重或较多而房屋未倒塌，因此遥感影像将其多数识别为未倒塌级别。

表1 玉树地震结古镇建筑物震害遥感解译结果与实际震害对比 栋

图5 玉树地震结古镇建筑物破坏等级地面调查与遥感解译对比

4 玉树地震建筑物遥感与现场调查定量关系

根据建筑物震害快速定量评估思路，将遥感解译的建筑物单体震害指数分别取值为:1－倒塌取值1.0，2－局部倒塌取值0.5，3－未倒塌取值0.01，实际建筑物单体震害指数分别为:1－毁坏(倒塌)取值1.0;2－毁坏(未倒塌)取值0.9;3－严重破坏取值0.7;4－中等破坏取值0.4;5－轻微破坏取值0.2;6－基本完好取值0.01。则可分别计算遥感解译平均震害指数和建筑物实际震害指数。根据地面调查与遥感解译震害对比调查数据，以遥感震害调查建筑物的同一震害级别为分组依据，按照平均震害指数的统计方式，统计确定了对应的实际震害指数(表2)，得到玉树地震结古镇遥感震害与实际震害定量关系多项式拟合结果(图6)和直线拟合结果(图7)。

表2 玉树地震结古镇建筑物震害定量对比分析

图6 玉树地震结古镇实际震害与遥感震害多项式拟合定量关系

图7 玉树地震结古镇实际震害与遥感震害线性拟合定量关系

图6和图7中定量关系表明，遥感震害指数相对比实际震害指数小，这与遥感识别震害的能力有限的实际情况是相符的，但遥感震害指数与实际震害指数表现了很好的相关性。分别采用多项式拟合和线性拟合的遥感震害指数与实际震害指数的定量关系，结果如下。

采用多项式拟合的定量关系公式:

采用线性拟合的定量关系公式:

式中:DIRS为遥感解译震害指数，是基于震后高分航空遥感建筑物震害解译结果确定的震害指数;DIG为实际震害指数，是依据现场建筑物震害调查结果确定的震害指数。

比较上述两种拟合结果，线性拟合结果不如多项式拟合结果精确，而且在震害指数比较高的时候，会出现超过1的不合理情形。因此，选择多项式拟合结果作为玉树地震结古镇高分辨率光学遥感影像震害解译结果与实际震害的定量转换关系。

5 玉树县结古镇建筑震害遥感快速定量评估

基于玉树县结古镇单栋房屋建筑的高分辨率航空遥感影像震害判读结果，以街区为计算单元，统计计算了玉树县结古镇各街区的遥感震害指数，利用式(4)得到每个街区对应的等效地面震害指数，空间分布如图8所示。

图8 玉树县结古镇街区等效地面震害指数分布图

图8显示结古镇西部和南部破坏较严重，东部和北部破坏较轻，建筑物破坏整体分布特征与玉树地貌类型［20］、地震断裂、地表破裂密切相关。玉树地震发生在甘孜—玉树—风火山断裂带的玉树段，造成长约31km的地表破裂［21］。地表破裂带从位于玉树城区南部赛马场以西(扎曲河以南)至加吉村东侧山梁，沿玉树－巴塘公路加油站西侧山坡向东南，穿越巴曲河后，从结古镇禅古村南侧通过，抵达禅古村小学操场终止［22］。遥感影像定量评估的震害指数分布展示了沿地表破裂与断裂较近的范围内建筑物破裂严重，稍远地区破坏相对较轻，与马寅生［23］等的现场调查分析结论相吻合。

同时，对结古镇所有房屋建筑震害程度进行统计，得到整个结古镇遥感震害指数为0.35，依据定量关系公式(4)得到等效地面综合震害指数为0.64，根据中国地震烈度表，结古镇地震烈度为Ⅸ度，该结果与中国地震局的地面调查烈度［24］一致。

6 结论

本文在伽师地震、汶川地震震害定量化评估基础上，提出了基于少量现场调查样本建立遥感解译震害与地面实际震害定量评估的方法和理论模型;对玉树地震遥感震害解译与现场调查结果进行了分析，建立了两者定量关系，并进一步得到了街区等效震害指数和结古镇综合震害指数。尽管文中建筑震害统计分析时，使用了平均震害指数，而没有考虑建筑物结构类型对震害程度的影响，但结果显示无论是以街区为单元的遥感震害分布，还是玉树县综合震害指数都与实际调查结果一致。

本文定量模型针对城镇建筑物是基于0.2 m和0.4 m的航空影像得到的，具有一定的适应性。该模型可应用于建筑物结构类型分布与玉树县结古镇相似的城镇遥感震害评估工作中。

地震应急期间，根据地震现场的调查资料，应用本文基于少量调查样本的震害快速定量评估方法，可快速确定灾区的定量评估模型，应用该模型能够得到更接近实际灾情的遥感评估结果，实现地震应急快速定量评估，及时为地震应急指挥与救援决策服务。

致谢:玉树地震建筑物震害现场遥感对比调查由中国地震局“玉树7.1级地震科学考察”项目资助，得到了青海省地震局、玉树州地震局、玉树地震台等单位的帮助。玉树地震应急期间，中国科学院对地观测与数字地球科学中心、北京遥感信息研究所、北京视宝卫星图像有限公司、中国四维测绘技术总公司、国家测绘局、北京东方道迩信息技术有限责任公司、北京博思科空间信息技术有限公司、北京宇视蓝图信息技术有限公司等国内外有关单位和公司及时提供了大量的高分辨率为主的卫星和航空光学与雷达遥感影像，为保证应急遥感分析处理工作的开展奠定了重要的基础。特此致以深深的谢意!

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Quantitative Methods of Rapid Earthquake Damage Assessment Using Remote Sensing and Its App lication in Yushu Earthquake

Dou Aixia1，2，Wang Xiaoqing2，Ding Xiang2，Yuan Xiaoxiang2，Wang Long2，Dong Yanfang2and Jin Dingjian2
(1．Institute of Geology，China Earthquake Administration．Beijing 100029，China;2．Institute of Earthquake Science，China Earthquake Administration．Beijing 100036，China)

Based on the quantitative damage assessment of Jiashi and Wenchuan Earthquake via remote sensingmethod，the authors bring out a new method for quantitative assessment of earthquake damage，which need only few in suit survey samples to be investigated by remote sensing method and few actual ground earthquake damage to quantitatively assess the earthquake damage．What’smore，the quantitative relationship between the earthquake damage gained by remote sensing method and the actual damage gained by actual survey is setup on basis of Yushu Earthquake．The equivalent damage index and comprehensive damage index in Jiegu Town of Yushu City are gained．It shows that the result got by rapid remote sensing quantitative assessment is consistent with the result gained by actual survey．This model can be applied in building type distribution assessment and urban earthquake disaster assessment using remote sensing in the similar cities as Jiegu Town of Yushu City．

aerial remote sensing;building;earthquake damage;quantitative method;assessment;Yushu earthquake;Jiashi earthquake;Wenchuan earthquake

P315.9;V279

A

1000－811X(2012)03－0075－06

2011－11－07

2012－01－29

科技部中美国际科技合作项目“地震应急遥感实用化关键技术研究”(2009DFA21610);中国地震局“玉树7.1级地震科学考察”项目

窦爱霞(1977－)，女，山东高密人，博士研究生，副研究员，现从事地震灾害遥感提取、定量评估应用研究与软件开发．E-mail:axdothy@163.com