无人机高清影像数据在建筑物抗震能力调查中的应用

温 超，范志伟，刘晓丹，王晓山，杨 凡

（河北省地震局, 石家庄 050021）

0 引言

1976年7月28日在唐山发生7.8 级地震，对人们的生命财产造成严重影响。之后到目前为止，唐山地区发生最大地震是2020年7月12日唐山古冶区5.1 级地震[1]。唐山地区地质构造环境复杂，地震多发，根据第五代地震区划图，唐山的设防烈度为Ⅷ度区。为了摸清风险底数，加强抗震设防能力，快速掌握唐山地区农村民居抗震设防情况，为震后快速评估、应急处置建议及现场精准救援提供科学依据和技术支撑。本研究就古马断裂附近村庄进行了无人机高清影像数据采集，主要以唐山市滦州市东安各庄镇北李各庄村为例开展相关研究。

无人机数据采集有较强的时效性和灵活的机动性，能够实时获取高分辨率正射遥感影像数据及倾斜摄影数据[2]。研究采用了飞马D2000 无人机挂载D-OP3000 五镜头相机对目标区域进行数据采集，数据采集面积为5.5 m3，飞行高度为191 m，遥感影像数据分辨率为3 cm。利用高分辨率的遥感影像和数字高程模型进行三维建模，可以实现三维场景呈现模式的精细化，有助于指挥人员和救援人员在第一时间了解现场的地形分布情况，并对现场有直观的初步认识，为后期多要素图层的叠加分析提供技术支撑[3]。

北李各庄村位于镇政府驻地东安各庄西南3 km，东距纸马山1 km，南距前李各庄村0.2 km，与前李各庄村为连体村，北距三山院村2.1 km。聚落呈不规则长方形，东西长约500 m，南北长约1300 m。2021年3月17日科研团队在该居民点开展现场调研工作，北李各庄村有301 户，1002 人，常住人口1000 人，房屋有406 处院落；前李各庄村有440 户，1400 人，常住人口1100 人，房屋有550 处院落。该连体村居民地房屋共计956 处院落，无人机影像解译数据约有930 处院落与实地调研数据基本相符。结合无人机倾斜摄影影像可看出，该村建筑物主要有石木结构、砖木结构和砖混结构3 种结构类型，建筑物总面积0.331 km2。通过实地调研，该连体村居民地建筑物结构类型分为3 类：其中石木结构有69 处，约占7.2%；砖木结构有656 处，约占68.6%；砖混结构有231，约占24.2%。

1 研究方法

利用ArcGis 监督分类法结合无人机高清影像数据，以道路为边界范围创建该居民地块体的矢量面状要素，并计算各矢量块体的面积及其占比。依据各居民地矢量块体面积占比，将实地调研房屋数据进行分布计算（式1）。

式中：H块为块体内建筑院落数；H总居民地总户数；A块单个块体面积；A总所有块体面积。通过公式1 计算得到的块体户数与实地调研数据基本相符（图1）。

图1 调研点建筑分布情况及结构占比Fig. 1 Distribution of Buildings and Structural Proportion of Research Sites

针对无人机获取的正射影像和DEM 数据，利用ArcGIS 软件ArcScene 模块进行三维场景建模。结合高清分辨率遥感影像数据进行叠加分析，实现数据采集区域的场景真实再现。同时，在三维地形中依托ArcCatalog 和ArcMap 模块建立居民地块体基础数据库，编辑建筑的面状要素数据，利用ArcScene 模块构建出建筑物三维场景模块[4-5]（图2）。其中，块体的拉伸高度为建筑物的层数，对无人机影像判读，该居民地建筑物均为一层建筑。

图2 居民地三维场景建模Fig. 2 Three-dimensional scene modeling of residential land

通过无人机三维场景建模对该区域进行识别判读，该居民地位于山前平原过渡带（图3）。在居民地东侧与山体交界处有冲沟，据现场调研了解，该冲沟为周边高地势区域的雨水汇流冲刷形成，雨水较大时会淹没村中地势较低的房屋。进村道路为居民地南北侧的村级公路，该村交通通达性一般。居民地南侧有铁路经过，不利于大型救援机械进入，轻型救援队较为方便。

图3 无人机三维影像数据Fig. 3 UAV 3D image data

三维场景构建为指挥者和救援人员提供第一手区域基本资料，便于了解该区域居民地分布情况、交通状况、地形地貌特征、水库湖泊分布等，为今后开展震后地质灾害调查、建筑物损坏等工作奠定基础。

2 区域典型建筑

2.1 典型建筑结构特点介绍

该居民地距离交通主干道较远，受当地建造习惯和工匠施工工艺的影响，房屋建筑主要分为3 种结构类型。其中，石木结构占比约7.2%；砖木结构占比约68.6%；砖混结构占比约24.2%。石木结构建于20 世纪70年代，共一层，木屋盖屋顶，外墙为稍加工块石，纵墙承重，毛石基础；层高3 m，进深5 m，正屋3 间，跨度12 m，单间跨度4 m（图4）。砖木结构建于20 世纪90年代，共一层，外墙370 mm内墙240 mm，木屋盖平屋顶，预制板假房檐，墙面为下石上砖，地基为毛石基础；层高4 m，进深9 m，正屋3 间，跨度13 m，单间跨度4.3 m（图5）。砖混结构建于2010年左右，共一层，外墙370 mm，内墙240 mm，钢混现浇结构，水泥砂浆砌筑，上下圈梁和横纵墙四角有构造柱，多为砖基础；层高5 m，进深8 m，正屋4 间，跨度16 m，单间跨度4 m（图6）。

图4 石木结构建筑Fig. 4 Stone wood construction

图5 砖木结构建筑Fig. 5 Brick wood buildings

图6 砖混结构建筑Fig. 6 Brick-concrete buildings

2.2 不同结构建筑抗震薄弱环节

2.2.1 石木结构

石木结构房屋的抗震薄弱环节主要表现在以下几方面：

1）前墙门窗开口较大，且没有顶梁等有效支撑；

2）纵墙与横墙无有效连接，墙角有开裂现象；

3）墙体前墙1.2 m 以下为碎石和毛石砌筑，1.2 m以上为红砖砌筑，后墙和侧墙为碎石和毛石砌筑，墙体内部无支撑柱，墙体整体性较差（图7）；

图7 石木结构建筑前墙Fig. 7 The front wall of stone-wood structure building

4）屋盖为檩条直接放置在前后墙体上，没有做拉纤连接。

石木结构建筑受墙体整体性较差影响，此类建筑抗震性能较差。通过对以往震害数据统计分析表明，此类建筑Ⅶ度时影响时，大部分房屋会发生墙体外闪，屋顶坍塌等震害现象；Ⅷ度影响时，绝大多数建筑墙体外闪，屋顶坍塌，甚至会发生整体垮塌的震害现象[6-8]。

2.2.2 砖木结构

砖木结构建筑的抗震薄弱环节主要表现在以下几方面：

1）木檩和木梁未做处理，直接搁置在墙体上未与墙体做拉纤连接，且檩端不出头；

2）屋顶为平顶，出露屋檐为预制水泥板自重较大，与墙体未做拉结处理，存在开裂现象，建筑物的整体性和稳定性较差（图8）；

图8 砖木结构薄弱环节Fig. 8 The weaknesses of brick-wood structure

3）门窗开口较大，墙体内部没有构造柱等构造措施。

该地区此类建筑整体抗震性能一般。通过对以往震害数据统计分析表明，此类建筑Ⅶ度时影响时，墙体多会出现裂缝、墙皮脱落现象，屋顶覆盖较重的建筑出现局部坍塌的震害现象；Ⅷ度影响会导致大部分建筑物墙体外闪，屋顶坍塌，或少量建筑整体垮塌等震害现象。

2.2.3 砖混结构

砖混结构建筑的抗震薄弱环节主要表现在以下几方面：

1）门窗开口较大，内部开间较大；

2）屋顶烟囱出露，墙体外挂空调室外机较高；

3）受当地场地环境影响，存在地基沉降现象（图9）。

此类结构类型房屋抗震性能好于石木结构和砖木结构。从现场实地调查情况看，该居民地场地条件一般，存在地面沉降现象。通过对以往震害数据统计分析表明，此类建筑Ⅶ度时影响时，建筑物墙体多会出现细微裂缝和掉灰现象；Ⅷ度影响时，会导致开口较大的部分墙体明显裂缝，墙皮脱落等震害现象。

3 结语

本文通过实地调研的方式对唐山市滦州市东安各庄镇北李各庄村进行数据采集，并提出了人口户数统计数据结合无人机高清影像分摊到居民地块体的方法。统计了房屋不同结构类型占比，砖木结构占比最高，将近70%，并分析了该地居民建筑物的结构特点及抗震性能。

1）结合遥感影像解译居民地块体数据，通过统计数据分摊到居民地块体的方法，计算得到大区域面积的人口分布情况；

2）通过现场实地调研，地形和场地效应对房屋抗震性能影响明显，地面沉降现象在一定程度上影响了当地居民房屋的抗震性能；

3）该地区砖木结构占比较高，建筑质量较差，是地震后人员伤亡和财产损失的主要隐患。烈度为Ⅷ度时，会导致大部分建筑物墙体外闪、开裂，屋顶部分坍塌，少量建筑整体垮塌等震害现象。石木结构在该地区占有一定比例，大部分建筑存在安全隐患，Ⅷ度影响时，绝大多数建筑墙体外闪，贯彻性裂缝明显可见，屋顶坍塌，部分房屋发生整体垮塌的现象。