于 浩，于楮芃，趙明朝，馮 石

(遼寧省地震局，沈陽 110000)

1 研究思路

房屋建筑資料是震后進(jìn)行地震災(zāi)害損失評估的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以往房屋的空間數(shù)據(jù)多采用衛(wèi)片采集，分辨率較低，影響后期數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。結(jié)構(gòu)類型數(shù)據(jù)實(shí)地調(diào)研方法獲取，工作量大，耗時長。嘗試采用地面調(diào)查與機(jī)動性較強(qiáng)的無人機(jī)遙感手段相結(jié)合的方法收集歸納房屋數(shù)據(jù)。以遼寧大連普蘭店市為例，通過研究建筑物結(jié)構(gòu)類型在遙感影像上的幾何特征、光譜特征及空間關(guān)系特征,建立遼寧農(nóng)居建筑物結(jié)構(gòu)類型遙感解譯標(biāo)志。通過影像判讀總結(jié)歸納并建立農(nóng)居房屋遙感解譯標(biāo)志，經(jīng)過一致性判定，確定該方法在獲取農(nóng)居建筑物結(jié)構(gòu)類型上具備一定的可行性。

2 研究內(nèi)容

2.1 研究區(qū)域選取

承托2019年度我國年度地震應(yīng)急預(yù)評估考察工作，選取調(diào)研點(diǎn)為遼寧省大連市瓦房店市謝屯村(N39°26′37.11″，E121°31′1.66″)、大屯村(N39°24′48.38″，E121°30′47.02″)兩村作為實(shí)驗(yàn)區(qū)域。該區(qū)域農(nóng)村建筑結(jié)構(gòu)明顯，分布較集中，輪廓較清晰，便于開展實(shí)地調(diào)研與無人機(jī)數(shù)據(jù)采集工作。

2.2 實(shí)地調(diào)查結(jié)果

通過對調(diào)查區(qū)域開展逐戶房屋調(diào)查，遼寧農(nóng)村建筑物結(jié)構(gòu)類型總體分為4類：

磚石/土木房屋。多建于20世紀(jì)80年代前，以碎石、毛石或土木為基礎(chǔ)，墻體多以夯土或磚、石、土混砌，采用泥漿或三合土作為膠結(jié)劑。多為38 cm厚墻承重，墻體下部為塊石，門框及四角設(shè)置磚柱，中間為土，采用木梁作為坡屋面的檁條，上蓋多以三合土或油氈紙抹泥遮雨，屋頂多為拱形或坡面。房屋抗震性能很差，比例占農(nóng)村房屋5%左右。

磚木結(jié)構(gòu)。多建于20世紀(jì)80、90年代，多以塊石和磚為基礎(chǔ)，24 cm厚磚砌體墻承重，石灰砂漿或水泥砂漿砌筑，無圈梁和構(gòu)造柱，三角木梁，硬山擱檁，鋪葦席后抹泥掛瓦，屋頂多為坡面，偶有平頂。房屋的抗震性能一般，比例占農(nóng)村房屋60%左右。

磚混結(jié)構(gòu)。多建于20世紀(jì)90年代，以單層和二層為主，多為磚砌基礎(chǔ)或塊石基礎(chǔ)，水泥砂漿砌筑，24 cm厚磚砌體墻承重，部分含有有圈梁或構(gòu)造柱，采用現(xiàn)澆混凝土樓板。磚混結(jié)構(gòu)地基基礎(chǔ)較好，平面和立面比較規(guī)整，屋頂多為平頂?？拐鹦阅茌^好，比例占農(nóng)村房屋25%左右。

框架結(jié)構(gòu)(廠房)。多建于2000年后，多以37 cm磚墻體、鋼筋混凝土澆搗成承重梁柱。承重結(jié)構(gòu)是梁、板、柱。有上下圈梁和構(gòu)造柱，現(xiàn)澆樓板，多間正屋，進(jìn)深約11 m，堂屋跨度開間約8 m，層高3～6 m，面積約300～500 m2。廠房建設(shè)，屋頂多以現(xiàn)澆屋頂或彩鋼屋頂為主，跨度較大，面積約1 000～2 000 m2。這一類房屋占農(nóng)村房屋比例10%左右。

2.3 遙感解譯標(biāo)志特征提取

以建筑物呈現(xiàn)在影像上的幾何特性、光譜特性以及空間特性上的共性特征為基礎(chǔ)，通過3D建模技術(shù)，結(jié)合GE測量，歸納影像特征，建立與實(shí)際地物的對應(yīng)關(guān)系，從而建立建筑物的解譯標(biāo)志。

磚石、土木結(jié)構(gòu)房屋在遙感影像上的特征為：幾何特征。屋頂一般多以拱頂或坡頂為主，房屋進(jìn)深尺寸小，單體面積小，院落面積小，院落多伴有雜物堆積或未開墾土地，房屋高度較低。光譜特性。屋頂多為深灰或淺灰，屋脊按色調(diào)多會伴隨一字或規(guī)律性中心擴(kuò)散分布，幾乎無房屋陰影特征?？臻g特征。此類房屋多為獨(dú)立分布或位置較偏處，零星分布或緊鄰大尺度建筑，有小型院落但院落整體感不強(qiáng)。

磚木結(jié)構(gòu)(平頂、人字頂)房屋在遙感影像上的特征為：幾何特征。屋頂一般多為平頂或人字坡頂，單體面積較小，形狀一般為規(guī)則長方形，多伴有規(guī)則矩形土地院落，院落面積較小，建筑物寬度基本一致,建筑物較低矮。光譜特性。屋頂多為深灰色或灰色，偶有褐色或深紅色相伴，人字屋頂受光照影響多會呈現(xiàn)以屋脊為分界的色調(diào)變化，同側(cè)色調(diào)均勻分布，單體建筑物邊緣在正射影像下的陰影特征不明顯?？臻g特征。這類房屋多以區(qū)域性緊密分布，偶有部分農(nóng)居呈零星點(diǎn)狀分布，個體邊界不易分辨，多伴有院落但整體感一般。

磚混結(jié)構(gòu)(單層、二層)房屋在遙感影像上的特征為：幾何特征。屋頂多為平頂，屋頂絕大多數(shù)伴有附著物(空調(diào)、熱水器主機(jī)、其他)，單體面積較磚木結(jié)構(gòu)房屋略大，形狀規(guī)則，平面多為長方形，偶有 L 形或井字形，邊緣較整齊，墻體立面邊緣略有凹凸。光譜特性。屋頂顏色多伴有過渡現(xiàn)象，屋頂色調(diào)不均勻，呈現(xiàn)灰黑色暗區(qū)、白色亮斑或藍(lán)色斑塊。墻體灰黑色，個別可見窗戶紋理；陰影表現(xiàn)為細(xì)長，陰影面積較小。空間特征。單體多為規(guī)則矩形(長方形居多)，此類房屋多呈現(xiàn)簇狀或帶狀分布，少有零星分布，位置上多處于臨街、臨路分布，單體間稍有間距。單體周圍或有植被、土地鑲嵌，空間高度較磚木結(jié)構(gòu)較高(或有砌臺)。

框架結(jié)構(gòu)(廠房)房屋在遙感影像上的特征為：幾何特征。大部分平頂，屋頂少有突起結(jié)構(gòu)，單體面積較大，外形對稱，平立面多不規(guī)則。平面呈方形、T 形、Y 形、風(fēng)車形、十字形、蝶翼型，邊緣或有凹凸。墻體立面凹凸明顯。光譜特性。屋頂顏色過渡現(xiàn)象較少，多呈現(xiàn)較亮或規(guī)律性的均勻色調(diào)，受光照影響大部分框架結(jié)構(gòu)房屋邊緣伴隨較長陰影?？臻g特征。與磚混類房屋呈相似狀態(tài)，多呈現(xiàn)出帶狀分布，位置多伴在中心或臨街周邊，單體間距較磚混結(jié)構(gòu)略大。單體周圍多伴有植被、道路、地物鑲嵌，其間道路路網(wǎng)明顯。

表1 建筑物解譯特征匯總

備注：①間長*間*進(jìn)深=單體占地面積(磚石/土木間長約3.5 m，≤三間為主, 磚木間長約3.8 m，三間為主，磚混間長約3.8 m，3～5間為主，框架間長約3.8 m，3～5間為主)；②置信權(quán)重分配采用幾何特征(0.5)、光譜特性(0.2)、空間分布(0.3)配重，由于幾何特征在遙感影像中反映直觀，信息相對準(zhǔn)確，進(jìn)深參數(shù)反映結(jié)構(gòu)內(nèi)部原因，有實(shí)地統(tǒng)計(jì)依托，權(quán)重比例分配較高，光譜特性受到地方政策或個別地區(qū)形式主義影響，光譜解譯的準(zhǔn)確性有所降低，適當(dāng)降低了權(quán)重比例，農(nóng)村房屋建筑具備較強(qiáng)的分布特性，從眾現(xiàn)象較為明顯，設(shè)置權(quán)重較為適中；③由于考慮到遙感影像精度和滴水檐的影響，房屋以0.5 m標(biāo)度向下歸檔。

2.4 解譯結(jié)果與分析

通過解譯標(biāo)志開展三類建筑物結(jié)構(gòu)類型提取，利用無人機(jī)正射影像(DOM)與數(shù)字地表模型(DSM)，結(jié)合Google earth判讀，獲取了遙感影像各類房屋數(shù)量。兩片實(shí)驗(yàn)區(qū)域民房共600棟，影像判讀的結(jié)果為磚石、土木結(jié)構(gòu)25棟，磚木結(jié)構(gòu)300棟，磚混結(jié)構(gòu)230棟，框架結(jié)構(gòu)(廠房)結(jié)構(gòu)45棟。實(shí)地調(diào)研結(jié)果為磚石、土木結(jié)構(gòu)30棟，磚木結(jié)構(gòu)345棟，磚混結(jié)構(gòu)170棟，框架結(jié)構(gòu)(廠房)結(jié)構(gòu)55棟。

表2 試驗(yàn)區(qū)目視解譯結(jié)果

利用Kappa系數(shù)分析法對解譯結(jié)果與實(shí)地調(diào)查確定的結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行了一致性分析，計(jì)算結(jié)果為K=0.733 8，通過一致性檢驗(yàn)，表明了采用遙感手段可以大面積快速獲得具有較好一致性的房屋結(jié)構(gòu)類型屬性。利用無人機(jī)影像構(gòu)建較高精度的房屋模型，可以大幅提高地震災(zāi)害損失快速評估的精度和準(zhǔn)確性。(K為Kappa系數(shù)值，通常在0～1，數(shù)值越大，說明目視判斷的房屋結(jié)構(gòu)類型與現(xiàn)場調(diào)查結(jié)構(gòu)一致，可靠性越高。)

表3 建筑物類型混淆矩陣

kappa計(jì)算結(jié)果為-1～1。但通常，kappa是落在 0～1，可分為五組來表示不同級別的一致性：0.0～0.20極低的一致性(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幾乎完全一致(almost perfect)。

3 總結(jié)分析

由解譯結(jié)果可以看出：第一，磚石、土木木結(jié)構(gòu)房屋25棟，標(biāo)識較明顯，基本分類正確。第二，磚木結(jié)構(gòu)300棟，其中285棟分類正確，10棟框架結(jié)構(gòu)被錯分為磚混結(jié)構(gòu)，5棟結(jié)構(gòu)被錯分為磚石、土木。第三，磚混結(jié)構(gòu) 230 棟，其中 155 棟分類正確，60 棟磚混結(jié)構(gòu)被錯分為磚木結(jié)構(gòu)，15棟磚混結(jié)構(gòu)被錯分為框架結(jié)構(gòu)。第四，框架結(jié)構(gòu)房屋45棟，40棟被正確分類，5棟被錯分為磚混結(jié)構(gòu)。其中磚混結(jié)構(gòu)的房屋被錯分的數(shù)量較磚石、框架結(jié)構(gòu)的較多，磚木結(jié)構(gòu)與磚混結(jié)構(gòu)相互錯分明顯，主要原因在于影像目視判讀時，往往先根據(jù)幾何特征將建筑物結(jié)構(gòu)分為磚石、土木與非磚石、土木結(jié)構(gòu)。非磚石、土木結(jié)構(gòu)中，框架結(jié)構(gòu)由于其單體大小、形狀及陰影特征均比較明顯,在影像上也易于區(qū)分。結(jié)合光譜特征和空間布局特征在非磚石、石木結(jié)構(gòu)(不含框架結(jié)構(gòu))中區(qū)分磚混結(jié)構(gòu)與磚木結(jié)構(gòu)。磚木、磚混平頂屋頂光譜特征明顯,被錯分的概率較低，但坡面屋頂光譜特征不明顯，被錯分概率較高。近年來受地方政策影響，房屋加蓋面積、亮化工程對這兩類房屋提取增加了難度。磚混結(jié)構(gòu)房屋由于其屋頂特性，若屋頂為坡頂,單體面積較小，其特征與磚木結(jié)構(gòu)房屋特征相似，則可能被誤分為磚木類房屋。若屋頂為平頂，單體面積較大，受光照影響個別房屋光譜特性不為明顯，個別房屋違建導(dǎo)致其房屋高度特性趨近框架結(jié)構(gòu)，故判錯為框架結(jié)構(gòu)。另有少量零星分布等違建個體的框架結(jié)構(gòu)被錯判為磚混結(jié)構(gòu)。

無人機(jī)遙感影像在建筑物類型提取方面為地震風(fēng)險評估和震后損失快速評估所需的房屋建筑資料收集提供了一種新的思路，但其遙感影像成像精度與建筑物提取方法分析還需開展進(jìn)一步研究。

本實(shí)驗(yàn)中建立的建筑物結(jié)構(gòu)類型解譯標(biāo)志源于遼寧瓦房店市農(nóng)村兩抽樣點(diǎn)的建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定而出，同時受條件約束，選取抽樣點(diǎn)數(shù)量較少，這在此類解譯標(biāo)志的應(yīng)用性和準(zhǔn)確性上造成了一定的局限，故該方法僅可用于遼南地區(qū)或結(jié)構(gòu)類型相似的地區(qū)開展應(yīng)用。針對遼寧城區(qū)或周邊地區(qū)開展此類研究還需要進(jìn)一步細(xì)化抽樣點(diǎn)、房屋的建筑特征等工作流程，開展更深入的研究。