程紫燕，楊 斌，鄭樹(shù)平，徐 博

(1．山西省地震局，山西 太原 030021；2．太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

根據(jù)全球歷史地震資料統(tǒng)計(jì)，由地震引起的建筑物及生命線工程損毀，造成95%以上的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失[1]。存在地震風(fēng)險(xiǎn)的地區(qū)，不同建筑結(jié)構(gòu)、建筑年代的房屋遭受地震災(zāi)害的破壞程度有較大差別。如，云南景谷6.6級(jí)地震與魯?shù)?.5級(jí)地震，因兩個(gè)地區(qū)房屋建筑結(jié)構(gòu)不同，地震造成死亡人數(shù)相差數(shù)百倍。為了解各地區(qū)的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)和可能造成的災(zāi)害損失，開(kāi)展地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估可有效降低震害損失。基于遙感的房屋影像識(shí)別是一種新興的地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估方法，采用GIS技術(shù)結(jié)合高分辨率影像來(lái)判別房屋的抗震能力。近年來(lái)，山西開(kāi)展的地震風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估工作主要是應(yīng)用已有房屋數(shù)據(jù)，結(jié)合專家組進(jìn)行的實(shí)地調(diào)研、座談、入戶查詢等，修正建筑物易損性矩陣，分析給出當(dāng)?shù)亟ㄖ锲茐那闆r；綜合地震后次生災(zāi)害可能造成的損失，給出人員傷亡預(yù)測(cè)及災(zāi)害應(yīng)對(duì)措施。筆者結(jié)合山西房屋遙感影像特點(diǎn)，研究其在地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估中的應(yīng)用。

1 地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估工作綜合建筑物的年代、用材、結(jié)構(gòu)與當(dāng)?shù)丨h(huán)境，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及修正建筑物易損性模型，對(duì)震后建筑物損毀和人員傷亡情況進(jìn)行分析預(yù)估?？梢缘贸?，地震危險(xiǎn)性越高，建筑物易損性越高，特別是對(duì)于人口稠密和經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，地震造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失會(huì)越大。

目前，地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估針對(duì)建筑物使用的數(shù)據(jù)是抽樣統(tǒng)計(jì)后得出的房屋數(shù)據(jù)，主要來(lái)源于相關(guān)部門(mén)的建筑普查結(jié)果，大概比例符合現(xiàn)狀，有時(shí)因無(wú)法及時(shí)更新，與實(shí)際情況存在差異；采取實(shí)地調(diào)研，數(shù)據(jù)的精確度高，明細(xì)清楚，再結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)詢問(wèn)，能明確建筑物構(gòu)造及建設(shè)年代，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估的準(zhǔn)確性有保障。由于受人力、物力和時(shí)間限制，實(shí)地調(diào)研范圍較小、入戶核查普及面不夠，不適宜廣泛應(yīng)用，不能從宏觀上把握當(dāng)?shù)氐慕ㄖ闆r。

基于遙感的房屋影像識(shí)別可快速摸清房屋分布與數(shù)量，為宏觀上整體把握房屋抗震能力提供一種新的解決方法，為地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估數(shù)據(jù)提供快捷、可靠的來(lái)源。

2 房屋遙感影像識(shí)別在地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估中的應(yīng)用

房屋遙感影像識(shí)別是基于遙感影像和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，對(duì)區(qū)域內(nèi)房屋的抗震能力進(jìn)行初步判定。根據(jù)遙感影像，簡(jiǎn)單識(shí)別房屋的高度和房屋用途，通過(guò)街景判斷房屋建筑結(jié)構(gòu)，綜合判斷房屋抗震能力等級(jí)，推斷地震風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。房屋的遙感影像識(shí)別工作是在相對(duì)合理的精度和準(zhǔn)確度的控制下，迅速掌握區(qū)域內(nèi)房屋分布情況，從宏觀上把握房屋整體抗震設(shè)防達(dá)標(biāo)的情況[2]。

通過(guò)對(duì)遙感影像房屋的識(shí)別，能初步篩選出城鄉(xiāng)中符合抗震設(shè)計(jì)、抗震性能優(yōu)良和抗震性能差的房屋，在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估調(diào)查的地區(qū)中就可省去對(duì)該部分的調(diào)查，直接判別風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；也可通過(guò)實(shí)地抽樣調(diào)查復(fù)核這兩類房屋，驗(yàn)證房屋遙感影像識(shí)別的準(zhǔn)確度。該方法基于影像底圖的更新，而遙感影像更新周期更短，能獲得現(xiàn)勢(shì)性強(qiáng)的影像資料。高分辨率的影像識(shí)別房屋可從建筑高度、規(guī)模簡(jiǎn)單判別抗震能力，應(yīng)用于地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估工作。

2.1 不同衛(wèi)星影像房屋遙感識(shí)別結(jié)果的應(yīng)用

遙感影像可使用多種衛(wèi)星影像，高德、雅虎、谷歌等不同高清影像的結(jié)合比對(duì)，能有效識(shí)別房屋情況。如，使用雅虎和谷歌不同來(lái)源影像核實(shí)房屋建筑高度看出，谷歌影像較清晰，因采用垂直角度拍攝，得到正射影像，看不到房屋的高度(見(jiàn)圖1)；雅虎影像的拍攝角度更易分辨房屋建筑高度(見(jiàn)圖2)，切換遙感影像底圖可清楚地看到房屋建筑高度，為判定房屋抗震能力提供依據(jù)，對(duì)于明顯的高層建筑可省去實(shí)地調(diào)研的過(guò)程。

圖1 谷歌高清影像

圖2 雅虎高清影像

2.2 抗震性能較好房屋的影像應(yīng)用

在房屋的遙感影像識(shí)別過(guò)程中，城區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的房屋識(shí)別容易，尤其是高層建筑，從房屋影像上看，陰影較長(zhǎng)、樓間距較大、建筑年代新，此類房屋都是按抗震設(shè)防要求設(shè)計(jì)，抗震性能較好(見(jiàn)圖3)；還有一部分農(nóng)村安居房，是國(guó)家對(duì)征收農(nóng)村宅基地而補(bǔ)償?shù)陌仓梅?，建設(shè)時(shí)已經(jīng)過(guò)統(tǒng)一的規(guī)劃設(shè)計(jì)，符合抗震設(shè)防要求，建筑年代也較新，屬于抗震性能較好的一類房屋(見(jiàn)圖4)。對(duì)比實(shí)地照片看出，遙感影像判別的結(jié)論基本符合實(shí)際(見(jiàn)圖5，來(lái)源于網(wǎng)絡(luò))。

圖3 典型高層樓房影像

圖4 安居房影像

圖5 安居房實(shí)際照片

2.3 農(nóng)村地區(qū)房屋影像的應(yīng)用

農(nóng)村地區(qū)的房屋相對(duì)容易判別，房屋從建筑影像上看比較老舊、陰影短、層數(shù)低，都是單層土木結(jié)構(gòu)和磚木結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖6)。房屋建筑以村民自建為主，施工質(zhì)量差，幾乎不設(shè)防，抗震性能差。也有個(gè)別具有抗震結(jié)構(gòu)的磚混房屋，大多分布在有過(guò)地震史、經(jīng)濟(jì)條件好、注重房屋質(zhì)量的地區(qū)。通過(guò)遙感影像識(shí)別，結(jié)合當(dāng)?shù)靥攸c(diǎn)，可有針對(duì)性地選擇實(shí)地調(diào)研核查的方式，減輕考察工作量。

圖6 典型農(nóng)村自建民居

2.4 無(wú)規(guī)律房屋影像的應(yīng)用

城鄉(xiāng)結(jié)合部的房屋從遙感影像上看難以判別，房屋密度大、排列雜亂、層數(shù)有多有少(見(jiàn)圖7)。從街景上看，建筑結(jié)構(gòu)無(wú)規(guī)則，有無(wú)圈梁構(gòu)造柱不確定、開(kāi)間有大有小、挑梁陽(yáng)臺(tái)有寬有窄，通常還會(huì)在表面增加裝飾品(如，貼瓷磚等)，造成無(wú)法有效抵御地震災(zāi)害(見(jiàn)圖8)。

圖7 縣城(城鄉(xiāng)結(jié)合部)房屋影像

圖8 實(shí)地看到的城鄉(xiāng)結(jié)合部

通過(guò)地圖全景影像不同角度看當(dāng)?shù)胤课?，如圖9所示，縣城街邊的房屋高低不齊，無(wú)法從表面判斷建筑結(jié)構(gòu)。

圖9 城鄉(xiāng)結(jié)合部房屋結(jié)構(gòu)實(shí)地照片

城鄉(xiāng)結(jié)合部許多房屋裝飾也會(huì)在地震發(fā)生時(shí)成為安全隱患。如，山西南部房屋加蓋女兒墻，在2016年3月12日運(yùn)城鹽湖區(qū)4.4級(jí)地震時(shí)，由于房屋頂部女兒墻和屋脊過(guò)多過(guò)高，磚體粘結(jié)性差，極易在遭遇地震作用時(shí)倒塌掉落，造成避震人員受傷[3](見(jiàn)圖10，李俊栓攝)[6]。城鄉(xiāng)結(jié)合部房屋的建筑就需要實(shí)地調(diào)研考察，入戶尋訪才能準(zhǔn)確掌握其抗震能力，是實(shí)地調(diào)研的核心工作區(qū)域。

圖10 女兒墻跌落圖片

2.5 區(qū)域整體房屋影像的應(yīng)用

將某一區(qū)域房屋遙感影像全部識(shí)別后，可得到該區(qū)域的整體概況(見(jiàn)圖11，2019年的遙感影像，山西省地震應(yīng)急中心2021年制圖)。圖中不同區(qū)域分為有識(shí)別后抗震能力較差的農(nóng)居、抗震性能好的房屋和較難判別抗震能力的房屋。通過(guò)該圖可宏觀把握該區(qū)域房屋的整體抗震能力，同時(shí)，可有針對(duì)性地對(duì)較難判別抗震能力的房屋開(kāi)展實(shí)地調(diào)研。

圖11 區(qū)域房屋遙感影像識(shí)別圖

3 結(jié)論與討論

將房屋的遙感影像識(shí)別工作成果應(yīng)用于地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估中，可實(shí)現(xiàn)高效地把握該區(qū)域房屋整體抗震能力，得到該地區(qū)在地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估中可靠的參考數(shù)據(jù)。

(1) 在地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估實(shí)地調(diào)研前期，通過(guò)不同底圖的遙感影像進(jìn)行房屋抗震能力的簡(jiǎn)單識(shí)別，排除高層建筑、大型公共設(shè)施及新建的安居房等明顯抗震設(shè)防區(qū)域，縮小實(shí)地調(diào)研工作量。

(2) 通過(guò)影像可判別現(xiàn)存農(nóng)居和已經(jīng)拆除的農(nóng)居，在選取實(shí)地調(diào)研區(qū)域時(shí)，現(xiàn)存農(nóng)居作為抗震設(shè)防能力不足區(qū)域來(lái)選點(diǎn)進(jìn)行調(diào)研，已經(jīng)拆除農(nóng)居的區(qū)域可省去調(diào)研。

(3) 將實(shí)地調(diào)研的重點(diǎn)放在該地區(qū)城鄉(xiāng)結(jié)合部的位置上，這類地區(qū)可能是城中村、經(jīng)濟(jì)較好的縣城周邊和一些較大規(guī)模的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，城鄉(xiāng)地域差異大，要想精準(zhǔn)掌握建筑抗震能力，詳細(xì)調(diào)查這類房屋必不可少。找出該區(qū)域需要核查的地方，在調(diào)研期間有針對(duì)性地精準(zhǔn)開(kāi)展。

(4) 制作區(qū)域房屋抗震能力圖，對(duì)區(qū)域房屋做出整體判斷，從宏觀上把握該區(qū)域整體抗震能力，為風(fēng)險(xiǎn)預(yù)評(píng)估提供決策參考依據(jù)。通過(guò)遙感影像還可清楚看到房屋建設(shè)位置對(duì)抗震風(fēng)險(xiǎn)的影響。如，建設(shè)在河道邊、山坡底等危險(xiǎn)區(qū)域的房屋，抵御地震風(fēng)險(xiǎn)的能力就會(huì)下降，增加震后救援難度，不利于救災(zāi)。

遙感影像的精度及分辨率決定著能否從影像上初步掌握當(dāng)?shù)亟ㄖ锘厩闆r，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，會(huì)有越來(lái)越多的遙感影像應(yīng)用于房屋的抗震能力判別。科學(xué)、合理地應(yīng)用遙感影像識(shí)別方法，是一條減輕地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作量、增加可信度的有效途徑。