趙　杰，張聰聰

(1.山西省地震局，山西　太原　030021；2.山西省地震局臨汾中心地震臺，山西　臨汾　041000；3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西　太原　030025)

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地震應急測繪信息服務方法與應用

趙杰1，3，張聰聰2，3

(1.山西省地震局，山西太原030021；2.山西省地震局臨汾中心地震臺，山西臨汾041000；3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西太原030025)

摘要：分析總結了地震災害和災情信息獲取的特點，結合近年來防震減災工作的實際案例，分析討論衛(wèi)星遙感、無人機航攝、GNSS、SAR、移動GIS幾種先進測繪信息服務的特點，進一步分析其在地震應急救援過程中的應用。

關鍵詞：地震應急；測繪信息；信息獲取

0引言

自2008年汶川發(fā)生8.0級地震以來，我國大陸及周邊共發(fā)生了25次影響較大的地震，對群眾生命、財產、經濟、社會秩序、外交等產生了重大影響?？拐鹁葹氖且粋€綜合性強、多部門協(xié)同、管理與技術并重、社會動員較大的工作，其根本在于對震情、災情的精確掌握。而測繪作為地理國情獲取的基本手段，在抗震救災工作中必不可少，抗震救災的緊急救援、災民安置、災害普查分析、恢復重建各個時期都需要測繪進行保障[1]。測繪技術和測繪成果作為準確掌握突發(fā)事件的重要手段，是實施減災救災的基礎依據。

應急測繪信息服務指有關部門為國家應對突發(fā)事件提供的測繪保障活動，是突發(fā)事件應急準備與處置、災情評估、災后恢復重建中的地理信息服務和測繪保障的核心與基礎[2]。應急測繪信息服務的重要特征體現(xiàn)在“應急”方面，相關部門通常要求在突發(fā)事件發(fā)生后的第一時間，綜合利用航空攝影測量、移動測量、地理信息系統(tǒng)、衛(wèi)星通訊、計算機等多種技術手段開展應急測繪，第一時間獲取自然災害、事故災難、公共衛(wèi)生事件、社會安全事件等突發(fā)事件現(xiàn)場的應急測繪資料。在最短時間內提供可靠的測繪成果，為各級政府機構和救援機構開展應急決策、救援處置、災害評估等工作提供測繪保障。本文對目前先進的測繪技術進行了總結，探討其應用于抗震救災工作的方式和效果。

1地震災害及災情信息獲取的特點

1.1地震災害特點

地震稱為“群災之首”，與其他自然災害相比，其特點包括：

(1) 突發(fā)性強，致災過程極短。幾十秒至幾分鐘即可造成大量建筑物倒塌、人員傷亡。

(2) 破壞性大。在常規(guī)條件下一次中強震即可造成人員傷亡和巨大的經濟損失。

(3) 影響面廣。強烈地震發(fā)生后，人員傷亡慘重、經濟損失巨大，嚴重影響人們的正常生活和經濟活動，對人們的心靈也造成了巨大創(chuàng)傷。

(4) 鏈式災害、次生災害嚴重。發(fā)生破壞性地震后，不僅有建筑物破壞引發(fā)的人員傷亡和財產損失，還會引發(fā)一系列次生災害，如海嘯、火災、水災、山體滑坡、泥石流、毒氣泄漏、流行病、放射性污染等。

(5) 防御難度大。地震災害難以預報，農村地區(qū)房屋不設防，其抗震加固改造需要大量的人力物力，城鎮(zhèn)地區(qū)的房屋質量也參差不齊，提高建筑物的抗震能力在一定程度上會加大建筑成本。

地震造成的災害主要表現(xiàn)在地表，測繪學主要研究對象是地球及其表面形態(tài)，將成熟先進的測繪技術應用于地震應急是非常必要的。

1.2災情信息獲取的特點

鑒于地震災害的特殊性，快速準確地獲取災情是地震應急救援的關鍵之一，震后災情獲取的特點包括以下幾個方面：

(1) 地震影響區(qū)域較大，災情難以全面掌握。汶川地震時由于初期對災情不能全面掌握導致救援力量分配不合理。

(2) 地震造成通訊中斷、交通中斷或擁堵，災情信息難以及時為政府掌握。

(3) 地震發(fā)生后，需要加強對其可能引起的滑坡、泥石流、堰塞湖等地質災害隱患點等的監(jiān)測，以防患于未然或者及時制定處置對策。測繪信息服務可大規(guī)模、快速地獲取地表信息，對地面目標進行精確、長時間地跟蹤觀測，在地震災情獲取中可發(fā)揮重要作用。

2測繪信息服務方法與應用

測繪信息服務種類繁多，可應用于地震應急救援過程中的各個方面。當前，衛(wèi)星遙感、無人機航攝、GNSS(Global Navigation Satellite System，全球衛(wèi)星導航系統(tǒng))、SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔徑雷達)、移動GIS(Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))是測繪領域較為先進的技術，可應用于抗震救災工作的各個階段，尤其在地震應急災情獲取和評估階段可發(fā)揮重要的作用。

2.1衛(wèi)星遙感

遙感技術的蓬勃發(fā)展為地震災害的監(jiān)測、災情獲取、災害評估等提供了快速、高效的技術手段。衛(wèi)星遙感具有及時、動態(tài)、宏觀以及能夠重復獲取同一區(qū)域不同時段上的影像等優(yōu)點，結合計算機迅速處理的特點，是常規(guī)地震災害調查技術所無法比擬的[3]。與其他監(jiān)測手段相比，遙感技術具有速度快、精度高、范圍廣等特點，并且能為地震災害應急救援提供基于事實影像的、可精確量測的地震災害動態(tài)監(jiān)測結果。

衛(wèi)星遙感在地震應急救援過程中的應用范圍主要包括：

(1) 地震構造背景分析。當一次大地震發(fā)生時，加強地質構造背景方面的分析研究有助于對地震發(fā)生的原因進行科學解釋。因此震害調查研究首先要做的遙感應用工作是地震構造背景分析。

(2) 震區(qū)建筑物損壞評估。通過解譯震區(qū)遙感影像資料可以快速獲取災區(qū)宏觀的受災情況，借助高分辨率衛(wèi)星影像還能獲得災區(qū)建筑物倒塌率等詳細災情，在GIS的輔助下結合專家經驗和有關災害評估模型，可以更加準確地評估或預測地震后的人員傷亡，進一步指導地震應急救援力量的部署分配。

(3) 生命線工程損毀評估。目前利用遙感可以對道路、橋梁、水庫大壩等進行監(jiān)測與破壞評估。

(4) 次生災害識別與監(jiān)測。地震次生災害如滑坡、泥石流、堰塞湖等，在空間尺度上范圍較大，可以用中高分辨率的遙感影像進行監(jiān)測與識別。

衛(wèi)星遙感應用于地震應急救援的主要制約因素是：特定地區(qū)可得到的遙感影像的空間分辨率和時間分辨率可能難以滿足需求；遙感影像處理的自動化程度和精度較低；遙感數據的獲取渠道不暢通，有關部門缺乏良好的合作機制。

目前，各省的地震應急指揮中心均建設了地震應急基礎數據庫，該數據庫涵蓋了地震應急中所需要的絕大部分信息，其中一類便是全省的中高分辨率衛(wèi)星遙感影像。地震發(fā)生后快速制作震區(qū)震前遙感影像圖并提交抗震救災指揮部，為應急成員單位提供極震區(qū)有關地面目標的分布信息，但其缺點在于影像圖的現(xiàn)勢性不高，難以體現(xiàn)快速變化的地物，省級抗震救災指揮中心也沒有足夠的人力解譯震后遙感影像得到的受損地面目標，而每年更新全省中高分辨率影像的成本極高。解決的辦法是與測繪部門、遙感衛(wèi)星科研機構、商業(yè)遙感影像公司建立合作關系，以期震后能夠快速暢通的得到遙感影像的支持。

2.2無人機航攝

無人機航攝技術具有靈活機動、高效快速、成本低廉等優(yōu)點，在小區(qū)域和困難地區(qū)高分辨率影像快速獲取等方面具有顯著優(yōu)勢，可有效滿足應急測繪天地一體、互聯(lián)互通、機動高效的需求[4]。在“5·12”汶川大地震中，無人機航攝獲取的北川縣城南部地區(qū)高分辨率影像和視頻數據，已成功用于影像解譯與災損信息識別，為評價北川縣城受災情況、制訂抗震救災方案提供科學依據；在“3·10”云南盈江地震中，利用獲取的無人機影像與災前高分辨率衛(wèi)星影像對比，實現(xiàn)了盈江縣城的房屋損毀、道路損毀及交通擁堵情況的監(jiān)測與評估；在“8·03”云南魯甸地震中，采用的旋翼無人機可在1秒內進行72次拍攝，精度為4 cm，在一次持續(xù)7分鐘的飛行過程中完成了10萬平方米面積的測區(qū)[5]，經過處理合成后可實現(xiàn)各個角度、方位的災情可視化。

無人機航攝技術應用于地震應急救援的主要制約因素是：無人機采用的是低空攝影測量，圖幅較小，導致航攝的影像數目較多，進而影響影像處理效率；無人機在進行航攝時的操作較為復雜，往往需要傾角、旋轉等復雜步驟，降低了作業(yè)效率；立體模型精度不高；影像容易出現(xiàn)畸變，無人機體積小、重量輕，容易受到風力等因素的干擾。無人機航攝技術在汶川地震后得到了廣泛的應用，但其應用一般由民間組織、測繪部門、軍隊等完成。目前已有幾個省份承擔并驗收通過了國家地震社會服務工程小型無人機(小飛機)地震災情獲取子系統(tǒng)，該項目的完成可初步增強震后地震部門利用無人機獲取災情信息的能力。在投入有限的情況下，省級地震應急指揮中心可先從消費級無人機入手，逐步擴展無人機在地震應急領域的應用。

2.3GNSS

GNSS技術與GIS、RS(Remote Sensing，遙感)技術已廣泛應用于地震現(xiàn)場的信息采集、風險評估、防災備災、應急救援、重建規(guī)劃等領域。2008 年“5·12”汶川8.0級特大地震的救災工作中，GNSS技術在綜合減災救災工作中初試鋒芒，增強了國家災害應急救援的科技能力，表現(xiàn)了切實加強地震救援工作隊伍裝備保障建設的必要性。在抗震救災工作中，GNSS 技術已經在災害監(jiān)測與定位報警、災害應急指揮管理、災區(qū)搜救導航定位、災害損失評估等方面發(fā)揮重要作用[6]。

GNSS技術在地震應急救援過程中的應用范圍主要包括：

(1) 災情采集和管理?；谛l(wèi)星導航定位技術的連續(xù)運行參考站和便攜式應急救援裝備在地震災害發(fā)生后可協(xié)助地震調查工作組開展調查和搜救工作，能快速提供突發(fā)性災害發(fā)生和發(fā)展的時間、空間分布位置與范圍等信息，并將調查獲得的災情數據實時向抗震救災指揮部門發(fā)布。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)支持短報文通信，在通訊擁堵或中斷時可為災情的搜集匯總提供可靠通道。

(2) 地震應急救援調度。導航定位系統(tǒng)擴展的移動位置服務可以發(fā)送實時的高精度定位坐標，提供連續(xù)、可靠、準確、高效的位置信息增值服務，在地震災害應急救援工作和地震現(xiàn)場災害調查工作中對人員、車輛、物資提供災害預警、指揮調度監(jiān)控、災情速報和共享、資源監(jiān)管與合理分配等服務。地震應急指揮部可快速科學部署攜帶有導航定位裝備的緊急救援隊成員，高效保障災區(qū)外來人員進入災區(qū)、災區(qū)人員安全轉移、救災物資及時配送等，提高地震應急管理能力。

(3) 災害評估和救援輔助決策。GNSS可輔助地震應急現(xiàn)場工作隊在災區(qū)通訊物資保障、余震監(jiān)測、災民生活保障和災后重建等方面開展高精度的災情損失評估和定位工作。應急救援隊工作人員可以利用便攜式衛(wèi)星導航定位裝置實時定位災民災情所在區(qū)域、快速量算受災范圍面積、測量房屋受損情況、調查次生災害情況等，為地震應急管理部門抗震救災決策支持提供可靠的技術保障。我國的北斗系統(tǒng)除了上述功能外，還可提供短報文服務，在災情搜集匯報、應急通訊中發(fā)揮作用。

在當前的地震救援工作中，GNSS并非獨立發(fā)揮作用，其發(fā)揮作用往往是系統(tǒng)化、集成化、定制化進行的。在地震應急工作中，GPS早已得到了廣泛應用，隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的成熟，地震部門可逐步引進北斗導航設備，并發(fā)掘其獨有的短報文功能，與GPS、衛(wèi)星電話形成有益的補充。

2.4SAR技術

SAR技術相對于光學遙感而言具有全天時、全天候、大幅寬、重放周期短等特點，能夠為災后應急救援, 特別是惡劣天氣條件下的應急工作，提供可靠的數據保證，同時由于其對觀測目標的幾何形態(tài)、位移變化的敏感性，其成為地震災情分析與評價的有效手段。張景發(fā)等[7]通過地震前后圖像的相關性分析、平均灰度差異性分析及平均方差差異性分析，來定量地確定震害程度，并用該方法對張北地震震區(qū)中等分辨率星載SAR衛(wèi)星圖像進行了變化檢測，經與實際野外考察資料對比，檢測精度較高；胡煜丕等[8]利用SAR圖像建立DEM數據模型來檢測堰塞湖水位高程變化，在因天氣、交通、通信等不利因素影響堰塞湖水文數據難以獲取的情況下，該方法是較為穩(wěn)定、可行的技術方法。

SAR技術主要應用于震后監(jiān)測評估引發(fā)地表變化的災害，如建筑物倒塌、滑坡、泥石流、堰塞湖等。在時間、氣象等條件不適合獲取光學遙感影響時，SAR往往可以發(fā)揮獨特的作用。地震造成房屋倒塌，在屋頂保持完整的情況下，高分辨率的遙感影像無法體現(xiàn)，但SAR具有斜距成像等特點，在分辨率足夠時可以反映房屋結構的損壞情況。

由于SAR主動、斜距成像等特點，地物成像存在很大的不確定性，不同入射角、極化、頻率下同類地物的成像差異較大，其數據處理方面要比光學遙感復雜得多，在地震應急時時間緊迫的情況下其應用受到限制。地震應急過程中SAR的應用目前還較為少見，地震部門可在科研項目方面予以更多的研究支持。

2.5移動GIS

移動GIS是智能手機和3G移動通信技術普及后快速發(fā)展的一門應用，主要由移動終端、無線通信網絡、空間數據與空間服務組成，具有數據采集靈活、傳輸方便等特點。移動GIS可應用于地震現(xiàn)場工作，包括地震定位與顯示、災情搜集和報送、災害損失初評估、救援力量指揮調度、路徑規(guī)劃導航、災區(qū)空間數據庫查詢等。其主要特點是改變了地震應急工作全靠紙介質地圖進行指揮決策的面貌，提高了地震救援工作的及時性、準確性和科學性，將過去后方指揮部依托桌面GIS或WebGIS才能實現(xiàn)的功能轉到了地震現(xiàn)場，改變了地震應急救援的工作方式。

移動GIS技術應用于地震應急救援的主要特點是：移動GIS對移動終端的性能要求較高，移動終端須有較高的運算速度、內存、高清攝像頭及大容量電池等其他配置；地震現(xiàn)場可能出現(xiàn)通訊不良的情況，移動GIS必須有基于緩存技術的在線/離線訪問模式。移動GIS中存儲的空間數據，或者向空間數據庫服務器請求的數據可能具有保密性要求，在其開發(fā)、應用過程中需要特別注意。移動GIS在地震應急中應用較為成熟，在近幾年的地震中發(fā)揮了重要作用，但其在不同省份的普及程度差別很大，各省地震應急部門需要加強交流，相互借鑒引進或自主研發(fā)，將其作用真正發(fā)揮出來。

3結語

測繪信息服務在防震減災工作中發(fā)揮著巨大作用。目前，我國的地震應急救援工作也是依托于這些技術展開的。地震部門應根據各自的特點和實際工作需要，掌握先進技術在工作中的應用方法，提升應用層次、完善應用布局、挖掘其應用潛力，并從部門合作機制建設、預案管理等角度為測繪信息服務于防震減災工作提供保障。

參考文獻：

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[3]裴惠娟，陳文凱，安培俊.地震應急中制約遙感應用因素分析[J].高原地震,2014,26(1):36-45.

[4]周興霞，廖小露，劉嘉.無人機航攝技術在四川省應急測繪保障中的應用研究[J].測繪與空間地理信息,2014(10):239-242.

[5]李定松.無人機技術在地質災害監(jiān)測中的應用[J].北京測繪,2015(4):62-78.

[6]趙曉林，周柏賈.基于GNSS技術的地震應急系統(tǒng)和救援裝備建設[J].中國科技資源導刊,2010(2):74-78.

[7]張景發(fā)，謝禮立，陶夏新.建筑物震害遙感圖像的變化檢測與震害評估[J].自然災害學報,2002,11(2):59-64.

[8]胡煜丕，張韶華.SAR圖像數據在堰塞湖水位高程監(jiān)測中的應用[J].北京測繪,2015(3):65-71.

文章編號：1000-6265(2016)02-0044-04

收稿日期：2016-01-05

基金項目：山西省地震局科研項目(SBK-1508)；山西省地震局青年科研項目(SBK-1632)。

第一作者簡介：趙杰(1989—)，男，山西省原平人。2013年畢業(yè)于山東科技大學，碩士研究生，助理工程師。

中圖分類號：P315.99

文獻標志碼：A

Method and Application of Earthquake Emergency Surveying and Mapping Information

ZHAO Jie1,3, ZHANG Cong-cong2,3

(1.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030021, China; 2.Linfen Central Seismological Station of Earthquake Administration of Shanxi Province, Linfen, Shanxi 041000, China; 3.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan, Shanxi 030025, China)

Abstract:The characteristics of earthquake disaster information acquisition are summarized in this paper. Combined with the cases in earthquake disaster mitigation work in recent years, the characteristics of satellite remote sensing, UAV aerial photography, GNSS, SAR, mobile GIS are discussed. Their applications in earthquake emergency rescue are analyzed furtherly.

Key words:Earthquake emergency; Surveying and mapping information; Information acquisition