基于无人机影像的辽宁农村建筑物结构类型解译标志探索

于 浩，于楮芃，赵明朝，冯 石

(辽宁省地震局，沈阳 110000)

1 研究思路

房屋建筑资料是震后进行地震灾害损失评估的重要基础数据。以往房屋的空间数据多采用卫片采集，分辨率较低，影响后期数据分析的准确性。结构类型数据实地调研方法获取，工作量大，耗时长。尝试采用地面调查与机动性较强的无人机遥感手段相结合的方法收集归纳房屋数据。以辽宁大连普兰店市为例，通过研究建筑物结构类型在遥感影像上的几何特征、光谱特征及空间关系特征,建立辽宁农居建筑物结构类型遥感解译标志。通过影像判读总结归纳并建立农居房屋遥感解译标志，经过一致性判定，确定该方法在获取农居建筑物结构类型上具备一定的可行性。

2 研究内容

2.1 研究区域选取

承托2019年度我国年度地震应急预评估考察工作，选取调研点为辽宁省大连市瓦房店市谢屯村(N39°26′37.11″，E121°31′1.66″)、大屯村(N39°24′48.38″，E121°30′47.02″)两村作为实验区域。该区域农村建筑结构明显，分布较集中，轮廓较清晰，便于开展实地调研与无人机数据采集工作。

2.2 实地调查结果

通过对调查区域开展逐户房屋调查，辽宁农村建筑物结构类型总体分为4类：

砖石/土木房屋。多建于20世纪80年代前，以碎石、毛石或土木为基础，墙体多以夯土或砖、石、土混砌，采用泥浆或三合土作为胶结剂。多为38 cm厚墙承重，墙体下部为块石，门框及四角设置砖柱，中间为土，采用木梁作为坡屋面的檩条，上盖多以三合土或油毡纸抹泥遮雨，屋顶多为拱形或坡面。房屋抗震性能很差，比例占农村房屋5%左右。

砖木结构。多建于20世纪80、90年代，多以块石和砖为基础，24 cm厚砖砌体墙承重，石灰砂浆或水泥砂浆砌筑，无圈梁和构造柱，三角木梁，硬山搁檩，铺苇席后抹泥挂瓦，屋顶多为坡面，偶有平顶。房屋的抗震性能一般，比例占农村房屋60%左右。

砖混结构。多建于20世纪90年代，以单层和二层为主，多为砖砌基础或块石基础，水泥砂浆砌筑，24 cm厚砖砌体墙承重，部分含有有圈梁或构造柱，采用现浇混凝土楼板。砖混结构地基基础较好，平面和立面比较规整，屋顶多为平顶。抗震性能较好，比例占农村房屋25%左右。

框架结构(厂房)。多建于2000年后，多以37 cm砖墙体、钢筋混凝土浇捣成承重梁柱。承重结构是梁、板、柱。有上下圈梁和构造柱，现浇楼板，多间正屋，进深约11 m，堂屋跨度开间约8 m，层高3～6 m，面积约300～500 m2。厂房建设，屋顶多以现浇屋顶或彩钢屋顶为主，跨度较大，面积约1 000～2 000 m2。这一类房屋占农村房屋比例10%左右。

2.3 遥感解译标志特征提取

以建筑物呈现在影像上的几何特性、光谱特性以及空间特性上的共性特征为基础，通过3D建模技术，结合GE测量，归纳影像特征，建立与实际地物的对应关系，从而建立建筑物的解译标志。

砖石、土木结构房屋在遥感影像上的特征为：几何特征。屋顶一般多以拱顶或坡顶为主，房屋进深尺寸小，单体面积小，院落面积小，院落多伴有杂物堆积或未开垦土地，房屋高度较低。光谱特性。屋顶多为深灰或浅灰，屋脊按色调多会伴随一字或规律性中心扩散分布，几乎无房屋阴影特征。空间特征。此类房屋多为独立分布或位置较偏处，零星分布或紧邻大尺度建筑，有小型院落但院落整体感不强。

砖木结构(平顶、人字顶)房屋在遥感影像上的特征为：几何特征。屋顶一般多为平顶或人字坡顶，单体面积较小，形状一般为规则长方形，多伴有规则矩形土地院落，院落面积较小，建筑物宽度基本一致,建筑物较低矮。光谱特性。屋顶多为深灰色或灰色，偶有褐色或深红色相伴，人字屋顶受光照影响多会呈现以屋脊为分界的色调变化，同侧色调均匀分布，单体建筑物边缘在正射影像下的阴影特征不明显。空间特征。这类房屋多以区域性紧密分布，偶有部分农居呈零星点状分布，个体边界不易分辨，多伴有院落但整体感一般。

砖混结构(单层、二层)房屋在遥感影像上的特征为：几何特征。屋顶多为平顶，屋顶绝大多数伴有附着物(空调、热水器主机、其他)，单体面积较砖木结构房屋略大，形状规则，平面多为长方形，偶有 L 形或井字形，边缘较整齐，墙体立面边缘略有凹凸。光谱特性。屋顶颜色多伴有过渡现象，屋顶色调不均匀，呈现灰黑色暗区、白色亮斑或蓝色斑块。墙体灰黑色，个别可见窗户纹理；阴影表现为细长，阴影面积较小。空间特征。单体多为规则矩形(长方形居多)，此类房屋多呈现簇状或带状分布，少有零星分布，位置上多处于临街、临路分布，单体间稍有间距。单体周围或有植被、土地镶嵌，空间高度较砖木结构较高(或有砌台)。

框架结构(厂房)房屋在遥感影像上的特征为：几何特征。大部分平顶，屋顶少有突起结构，单体面积较大，外形对称，平立面多不规则。平面呈方形、T 形、Y 形、风车形、十字形、蝶翼型，边缘或有凹凸。墙体立面凹凸明显。光谱特性。屋顶颜色过渡现象较少，多呈现较亮或规律性的均匀色调，受光照影响大部分框架结构房屋边缘伴随较长阴影。空间特征。与砖混类房屋呈相似状态，多呈现出带状分布，位置多伴在中心或临街周边，单体间距较砖混结构略大。单体周围多伴有植被、道路、地物镶嵌，其间道路路网明显。

表1 建筑物解译特征汇总

备注：①间长*间*进深=单体占地面积(砖石/土木间长约3.5 m，≤三间为主, 砖木间长约3.8 m，三间为主，砖混间长约3.8 m，3～5间为主，框架间长约3.8 m，3～5间为主)；②置信权重分配采用几何特征(0.5)、光谱特性(0.2)、空间分布(0.3)配重，由于几何特征在遥感影像中反映直观，信息相对准确，进深参数反映结构内部原因，有实地统计依托，权重比例分配较高，光谱特性受到地方政策或个别地区形式主义影响，光谱解译的准确性有所降低，适当降低了权重比例，农村房屋建筑具备较强的分布特性，从众现象较为明显，设置权重较为适中；③由于考虑到遥感影像精度和滴水檐的影响，房屋以0.5 m标度向下归档。

2.4 解译结果与分析

通过解译标志开展三类建筑物结构类型提取，利用无人机正射影像(DOM)与数字地表模型(DSM)，结合Google earth判读，获取了遥感影像各类房屋数量。两片实验区域民房共600栋，影像判读的结果为砖石、土木结构25栋，砖木结构300栋，砖混结构230栋，框架结构(厂房)结构45栋。实地调研结果为砖石、土木结构30栋，砖木结构345栋，砖混结构170栋，框架结构(厂房)结构55栋。

表2 试验区目视解译结果

利用Kappa系数分析法对解译结果与实地调查确定的结构类型进行了一致性分析，计算结果为K=0.733 8，通过一致性检验，表明了采用遥感手段可以大面积快速获得具有较好一致性的房屋结构类型属性。利用无人机影像构建较高精度的房屋模型，可以大幅提高地震灾害损失快速评估的精度和准确性。(K为Kappa系数值，通常在0～1，数值越大，说明目视判断的房屋结构类型与现场调查结构一致，可靠性越高。)

表3 建筑物类型混淆矩阵

kappa计算结果为-1～1。但通常，kappa是落在 0～1，可分为五组来表示不同级别的一致性：0.0～0.20极低的一致性(slight)；0.21～0.40一般的一致性(fair)；0.41～0.60 中等的一致性(moderate)；0.61～0.80 高度的一致性(substantial)；0.81～1几乎完全一致(almost perfect)。

3 总结分析

由解译结果可以看出：第一，砖石、土木木结构房屋25栋，标识较明显，基本分类正确。第二，砖木结构300栋，其中285栋分类正确，10栋框架结构被错分为砖混结构，5栋结构被错分为砖石、土木。第三，砖混结构 230 栋，其中 155 栋分类正确，60 栋砖混结构被错分为砖木结构，15栋砖混结构被错分为框架结构。第四，框架结构房屋45栋，40栋被正确分类，5栋被错分为砖混结构。其中砖混结构的房屋被错分的数量较砖石、框架结构的较多，砖木结构与砖混结构相互错分明显，主要原因在于影像目视判读时，往往先根据几何特征将建筑物结构分为砖石、土木与非砖石、土木结构。非砖石、土木结构中，框架结构由于其单体大小、形状及阴影特征均比较明显,在影像上也易于区分。结合光谱特征和空间布局特征在非砖石、石木结构(不含框架结构)中区分砖混结构与砖木结构。砖木、砖混平顶屋顶光谱特征明显,被错分的概率较低，但坡面屋顶光谱特征不明显，被错分概率较高。近年来受地方政策影响，房屋加盖面积、亮化工程对这两类房屋提取增加了难度。砖混结构房屋由于其屋顶特性，若屋顶为坡顶,单体面积较小，其特征与砖木结构房屋特征相似，则可能被误分为砖木类房屋。若屋顶为平顶，单体面积较大，受光照影响个别房屋光谱特性不为明显，个别房屋违建导致其房屋高度特性趋近框架结构，故判错为框架结构。另有少量零星分布等违建个体的框架结构被错判为砖混结构。

无人机遥感影像在建筑物类型提取方面为地震风险评估和震后损失快速评估所需的房屋建筑资料收集提供了一种新的思路，但其遥感影像成像精度与建筑物提取方法分析还需开展进一步研究。

本实验中建立的建筑物结构类型解译标志源于辽宁瓦房店市农村两抽样点的建筑物结构特点制定而出，同时受条件约束，选取抽样点数量较少，这在此类解译标志的应用性和准确性上造成了一定的局限，故该方法仅可用于辽南地区或结构类型相似的地区开展应用。针对辽宁城区或周边地区开展此类研究还需要进一步细化抽样点、房屋的建筑特征等工作流程，开展更深入的研究。