玉树县城区地震烈度遥感评估

玉树县城区地震烈度遥感评估

震害遥感影像主要应用于震害评估的研究进展随着高分辨率遥感技术的发展，地震害识别技术的应用越来越普遍。由于遥感反映震害的能力受传感器类型、空间分辨率、波谱分辨率等因素的影响,遥感影像在多大程度上可识别地震灾害,是大家普遍关注的问题。我国从20世纪60年代中期开始,先后对1966年邢台地震、1975年海城地震、1976年唐山地震、1988年澜沧—耿马地震和1989年大同地震等破坏性地震进行了震后灾区航空遥感调查工作,积累了丰富的震害遥感影像判读经验。在1980-1990年代,民用遥感卫星影像分辨率尚不高(10米级和米级),其研究主要是探讨震害的识别方法。本世纪初随着遥感卫星影像分辨率的显著提高(米级和亚米级),遥感影像识别震害的能力大大提高,利用遥感定量地确定地震灾害成为关注的主要问题之一。王晓青等利用多个特征的组合,确定了新疆巴楚-伽师地震灾区的地震烈度分布,这是首次在地震应急阶段利用遥感手段确定地震烈度分布并提供给应急工作使用。在伽师地震震害组合特征确定地震烈度的基础上,王晓青等提出了遥感震害指数(RSDI)的概念,用于描述一定区域(街区或村庄)地震造成的建筑物破坏程度;提出了震害遥感定量化研究的思路,并成功应用于汶川地震造成的都江堰城区乃至汶川地震Ⅷ度及以上烈度区,以及玉树地震的遥感震害定量化研究与地震烈度判定。结果均表明遥感定量化研究在一定程度上能够较为真实地反映地震的实际破坏程度和地震烈度,这为地震应急震害及损失的遥感评估奠定了重要理论与方法基础。在已有的震害遥感定量研究中,主要采用平均震害指数来表征震害,由于不同建筑物类型抗震能力的差异,同一地震烈度下,其震害程度是不同的。因此,比较接近实际震害情况的方法是采用综合震害指数表征震害。本文尝试采用综合震害指数法研究玉树地震烈度的遥感评定,并对结果进行分析比较。1基于综合地震烈度评价方法1.1地震震害指数计算遥感震害定量化研究的基本思路是对遥感提取的不同震害级别的建筑物,采用震害指数指标计算其所反映的震害程度,这样得到的震害指数称为遥感震害指数。遥感震害指数可以按照平均震害指数计算,即不分结构类型,只考虑破坏程度,如对汶川地震、海地地震和玉树地震等的分析结果。某一空间单元(一般为街区或自然村)某一结构类型i的遥感平均震害指数¯DRSi的计算如下:¯DRSi=∑jdRSijnij∑jnij(1)式中,dRSij表示i类房屋破坏等级为j(j=1,2,3)的遥感震害指数。对遥感评估,破坏等级常划分为3级(1-倒塌;2-局部倒塌;3-未倒塌)。nij为i类房屋破坏等级为j的幢数。实际计算中,如果不分结构类型,则结果为该空间单元的遥感平均震害指数。这样计算虽然简单,特别是在应急阶段缺乏详细分析结果的情况下非常有用,但严格来说其结果与实际震害存在一定的差异。充分采用考虑不同类型建筑物抗震性能差异的综合震害指数,则能够相对客观地反映震害程度。此时,空间单元的遥感综合震害指数DRSΙ按下式计算:DRSΙ=∑i¯DRSibΝRSi∑iΝRSi(2)式中,¯DRSib表示第i类房屋折合为等效的砌体结构房屋的平均震害指数,Ni为第i类房屋的幢数。综合震害指数的计算中,如何确定dRSij值是关键。在有大量丰富的不同类型结构的遥感震害资料情况下,可以通过研究确定各类型的dRSij值,使得所计算该类结构的遥感震害值与砌体结构的震害值等效。然而目前实际震害资料非常有限,且由于遥感反映震害的能力受多种因素影响,目前无法得到准确的dRSij值。为此,对各结构类型,不妨对同一破坏等级采用某一固定的值,满足式(1)的计算条件,再通过建立不同结构类型遥感震害指数与砌体结构遥感震害指数的定量转换模型,实现不同结构类型的遥感震害指数¯DRSi等效于砌体结构的遥感震害指数¯DRSib的转换关系:¯DRSib=f(¯DRSi)(3)式中,DiRS¯为第i类房屋的遥感平均震害指数,由式(1)计算得到。再依据式(2),可确定所计算的空间单元的遥感综合震害指数。式(3)是第i类房屋转换为等效的砌体结构房屋平均震害指数的转换模型。其函数形式可以根据实际情形确定。1.2震害指数遥感评估原理基于震害指数评定地震烈度的方法得到广泛应用。震害指数是在地震现场震害科学考察基础上评定的。然而由于遥感反映震害的间接性和宏观性,遥感震害指数受遥感传感器类型、空间分辨率等因素影响,只能在一定程度上反映实际震害。笔者发展了基于遥感调查和地面实际调查基础上计算遥感震害指数和地面实际震害指数,通过建立两者之间的定量转换模型,将遥感震害指数转换为可与实际比较的等效震害指数的方法,实现震害指数的遥感评估,其基本思路如图1所示。依据上述方法确定地面等效的震害指数后,则依据中国地震烈度表中震害指数与地震烈度的对应关系,可以得到遥感评估的地震烈度。2地震烈度遥感评价的结果2.1区域及遥感资料选取2010年4月14日青海省玉树7.1级地震发生后,在地震灾区迅速获取了高分辨率航空和卫星光学与雷达遥感影像,并开展了应急遥感震害解译工作;5月初在灾区开展了专门的震害遥感比对科学考察,取得了一批第一手震害遥感比对资料。这些资料为我们利用遥感影像开展地震烈度遥感定量评估研究奠定了重要基础。本文选择研究区域为玉树县城区范围,主要依据高分辨率航空遥感影像及其震害解译结果,结合地面震害调查资料开展试验研究。所使用的高分遥感数据以中科院对地观测与数字地球中心于2010年4月14日拍摄的航空遥感数据(0.4m分辨率)为主;应急期后,在地震现场科考的基础上,适当参考了原国家测绘局2010年2月17日拍摄的无人机遥感影像(0.2m分辨率),对应急期高分遥感建筑物及其震害解译结果进行了校核判定。2.2建筑单体及建筑物震害等级采用人工目视判读方法,利用高分航空遥感影像,确定了房屋单体的位置、类型、楼层数和破坏程度,结果见图2。其中,遥感解译的结构类型分为如下几类:1-平房;2-砖混结构;3-框架结构;4-厂房。遥感解译的建筑物单体倒塌程度分为3类(见前述),房屋楼层高度是按照阴影长度、周边建筑物分布等综合判定的。图2(c)是遥感解译确定的建筑物单体及其震害等级,图2(a)、图2(b)和图2(d)分别为遥感解译确定的以街区为统计单元的建筑物类型比例、楼层高度(楼层数)比例和房屋单体的震害等级比例。根据遥感解译结果,在本研究区范围内的144个街区约1.1万栋房屋的遥感解译结果显示,玉树县城区房屋建筑以平房为主(主要为土木和砖木结构),大约占75%,其次为砖混结构和框架结构大约占24%,厂房很少;1～2层房屋占94.2%,3～4层占4.6%,5层及以上的房屋相对数量有限。遥感震害判定结果显示,倒塌房屋比例为24.7%,局部倒塌房屋比例为19.9%,未倒塌房屋比例为55.4%。其中,地震造成城区中心地区部分砖混结构严重破坏,城区西部和南部地区的砖木和土木结构房屋基本上全毁。2.3地面调查和遥感解译之间的定量相关关系根据震后现场建筑物震害遥感比对抽样调查,共取得了250多个有效的建筑物单体的地面震害调查数据,图3中的红色点显示了建筑物单体震害地面调查点的分布。调查的房屋结构类型包括砖木结构、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,每个单体都进行了建筑年代、楼层高度、建筑面积和破坏程度等调查。其中,破坏程度包含:1-毁坏(倒塌);2-毁坏(未倒塌);3-严重破坏;4-中等破坏;5-轻微破坏;6-基本完好。通过对比房屋及其震害的遥感解译结果和地面调查结果,可以建立遥感震害评估的定量模型。表1给出了建筑物单体震害地面调查结果与遥感解译结果的对应关系。由于地面调查的房屋类型和震害程度划分标准与遥感解译不一致,无法直接建立定量模型。为了实现遥感震害定量评估,需要首先实现两者之间的可比性。为此,在结构类型方面,地面调查的砖木结构、土木结构与遥感调查的平房对应;砖混结构和框架结构分别一一对应,地面调查的钢筋混凝土厂房和砖柱厂房与遥感调查的厂房对应。破坏等级的对应情况则较为复杂。WangHongyi等提出了一种新的比较图像分类效果的R值指标判别法,并依据该方法,对玉树地震遥感解译的震害级别与地面调查确定的震害级别的对应关系进行了研究,通过不同组合方案的R值评分和Kappa值计算,结果表明,最佳对应方案为:遥感解译的倒塌对应地面调查的毁坏(倒塌);遥感解译的局部倒塌对应地面调查的毁坏(未倒塌);遥感解译的未倒塌对应地面调查的其他类型。这一结果也与我们的直观判断完全一致。窦爱霞等比较了遥感解译震害与地面调查震害之间的关系,表明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%)地面调查确认为毁坏,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%)为轻微破坏或基本完好,总体上也支持上述震害等级的对应关系。因此,建立建筑物震害遥感解译结果与地面调查结果的定量转换关系,是可以有效反映地震实际震害的。需要指出的是,对比本文遥感解译的建筑物类型及震害程度等与现场调查结果,遥感解译结果与实际情况存在一定的差别,对震害定量评估结果有一定的影响。2.4地面等效遥感震害指数的确定为了建立各结构类型的震害指数之间的定量关系,设式(1)中不同破坏等级遥感震害指数(dijRS)值分别为:倒塌:1.0;局部倒塌:0.5;未倒塌:0(各结构类型取值相同),则根据式(1)和建筑物震害遥感解译结果,计算得到四种结构类型在每个街区的遥感震害指数,如图4所示。图4不同结构类型的震害程度关系统计分析结果表明,平房(砖木及土木结构为主)和厂房的遥感震害指数分布范围较大(0～1.0),砖混结构房屋震害指数多分布在0～0.5左右,框架结构震害指数大部分分布在0～0.2之间;同一街区,砖混结构震害程度明显低于平房,框架结构更低,厂房震害程度与平房震害程度的分布范围较大,相对而言震害略重,这与玉树县城区存在不同年代,特别是存在年代较早、抗震能力低的厂房有关,但总体数量并不多。根据中国地震烈度表,震害指数的确定主要依据砖结构房屋的抗震性能。从玉树县城区结古镇房屋结构的实际抗震性能来看,本文设定的平房(实际结构主要为砖木结构、土木结构)与规范规定的砖结构房屋更接近,因此,我们在分析中,采用了各类房屋与平房进行比较。图4表示了不同结构类型与平房的遥感震害指数关系。据此可按式(3)得到不同结构类型与平房的等效遥感震害指数关系。采用不同拟合模型对其进行拟合试验比较,发现线性拟合效果最好。结果如下:砖混结构遥感等效震害指数dmbRS¯与砖混结构遥感等效震害指数dmRS¯的关系:dmbRS¯=0.658dmRS¯+0.379R=0.43(4)框架结构遥感等效震害指数dfbRS¯与框架结构遥感震害指数dfRS¯的关系:dfbRS¯=-0.211dfRS¯+0.52R=0.2(5)厂房遥感等效震害指数dwbRS¯与厂房遥感震害指数关系:dwbRS¯=0.351dwRS¯+0.354R=0.53(6)依据上述结果,按照式(2),就可以计算各街区的遥感综合震害指数。结果如图5(a)所示。作为对比,图5(b)给出了各街区的遥感平均震害指数分布。如果以整个玉树县城区作为统计单元,按照上述方法,可得到玉树县城区的遥感评估震害指数为0.42,地面等效震害指数为0.69。根据中国地震烈度表,可以确定遥感评估的玉树县城区的地震烈度为Ⅸ度。在前期研究中,笔者已经建立了遥感确定的震害指数与地面调查确定的震害指数之间的对应关系:DΙG=-0.405(DΙRS)2+1.092DΙRS+0.306(7)按照上式,可将各街区遥感震害指数转换为地面等效的震害指数,如图5(c)所示。进而,根据中国地震烈度表,得到各街区地震烈度的遥感评估结果,如图5(d)所示。为了比较遥感综合震害指数与平均震害指数的差异,图6给出了按街区计算的两种指数之间的关系分布图。表明遥感综合震害指数评定结果总体上比遥感平均震害指数的值要高,其中震害程度低(平均震害指数0.1～0.3左右)时,两者差别较大,平均可达0.09左右;平均震害指数较高的区域,两者相差平均可达0.05左右。这主要是因为采用了平房(砖木和土木结构)作为参照,其抗震能力总体上低于砖混结构和框架结构,因此通过将砖混结构和框架结构等效为平房的震害指数时,将使震害指数增大,这将使采用综合震害指数判定的街区震害程度将略微偏高一点,也使地震烈度的估计有可能稍微大一点。但总体上估计的玉树县城区地震烈度为Ⅸ度,与平均震害指数估计的地震烈度一致,也与地面调查确定的地震烈度一致。由于玉树县城区主要房屋结构类型为土木结构和砖木结构,因此,本例综合震害指数和平均震害指数均主要反映了土木结构和砖木结构的震害情况,因此遥感评估的综合震害指数与和平均震害指数差别不大,街区地震烈度估计的结果差别也不大(相同或1度范围内)。3地面等效震害指数确定的应用本文在遥感地震烈度评估方法介绍的基础上,采用高分航空光学遥感影像解译了玉树地震造成的玉树县城区(结古镇)的建筑物及其震害分布。以街区为单位计算了不同结构类型的震害