劉耀輝

山東建筑大學(xué)測(cè)繪地理信息學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101

地震災(zāi)害具有突發(fā)性和不可預(yù)測(cè)性，嚴(yán)重威脅人類生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)穩(wěn)定。進(jìn)行區(qū)域尺度地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，既有助于相關(guān)部門制定城市規(guī)劃和應(yīng)急管理方案，最大限度減輕地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，也可提高人民群眾對(duì)潛在災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)。承災(zāi)體、建(構(gòu))筑物數(shù)據(jù)是進(jìn)行地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。然而，當(dāng)前存在建筑物數(shù)據(jù)獲取難、更新速度慢等局限，無(wú)法滿足區(qū)域尺度地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中建筑物數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高、獲取方便、更新及時(shí)等要求。同時(shí)，也缺乏結(jié)合社會(huì)脆弱性因素構(gòu)建情景地震的應(yīng)用案例。論文針對(duì)上述不足，以基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)方法快速、準(zhǔn)確獲取建筑物信息及其地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為研究目標(biāo)，主要研究?jī)?nèi)容如下。

(1) 提出了一種融合編碼-解碼器結(jié)構(gòu)和空間金字塔池化模塊的輕量級(jí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型——USPP，用于高分辨率遙感影像建筑物自動(dòng)提取。在Massachusetts和INRIA兩個(gè)國(guó)際開源的建筑數(shù)據(jù)集上，與其他國(guó)際上通用的圖像分割模型(包括SegNet、FCN、U-Net、Tiramisu及FRRN)相比，USPP模型的定性和定量結(jié)果都有所提升，能較好地提取建筑物，分類誤差小、邊界清晰。

(2) 上一步提出的USPP模型，雖然取得較優(yōu)的建筑物分割結(jié)果，但無(wú)法滿足區(qū)域尺度地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的計(jì)算效率需求。為此，提出了融合深度可分離卷積和非對(duì)稱殘差連接的ARC-Net網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)融合空洞卷積和空洞卷積空間金字塔池化模塊來(lái)擴(kuò)大視覺(jué)感受野，提升建筑物提取精度。在INRIA和WHU兩個(gè)數(shù)據(jù)集上的試驗(yàn)表明，ARC-Net模型性能優(yōu)于其他國(guó)際常用的深度學(xué)習(xí)模型。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用ARC-Net模型在烏魯木齊城區(qū)和渭南農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行建筑物自動(dòng)提取。結(jié)果表明，ARC-Net模型進(jìn)行面向地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的建筑物高精度、快速、自動(dòng)提取是可行的，可以達(dá)到較高的建筑物提取精度和較快的計(jì)算效率，并且在農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行建筑物提取效果更好。

(3) 在上一步提取建筑物輪廓基礎(chǔ)上，提出了一種基于多源數(shù)據(jù)融合、機(jī)器學(xué)習(xí)和地理信息技術(shù)相結(jié)合的建筑物信息提取及其地震易損性的綜合評(píng)定方法，并以烏魯木齊為例進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。首先，選擇天山區(qū)部分區(qū)域進(jìn)行建筑物詳細(xì)實(shí)地調(diào)研；其次，采用EMS-98建筑物易損性分類標(biāo)準(zhǔn)和兩種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，即支持向量機(jī)和關(guān)聯(lián)規(guī)則方法，建立建筑物屬性信息與地震易損性的對(duì)應(yīng)規(guī)則；然后，基于街景影像、道路交通、土地利用規(guī)劃和多時(shí)相遙感影像等多源數(shù)據(jù)，將烏魯木齊進(jìn)行居民地塊體劃分，將上一步建立的建筑物易損性對(duì)應(yīng)規(guī)則應(yīng)用于烏魯木齊數(shù)據(jù)庫(kù)，整體精度達(dá)到79.7%；最后，應(yīng)用地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，分析不同地震烈度下烏魯木齊地震風(fēng)險(xiǎn)分布情況。

(4) 基于情景地震的地震易損性、危險(xiǎn)性和社會(huì)脆弱性的地震風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估分析。首先，對(duì)陜西省渭南市3個(gè)具有不同地形特征的農(nóng)村進(jìn)行建筑物及社會(huì)因素的詳細(xì)調(diào)查；然后，應(yīng)用RISK-UE脆弱性指數(shù)方法，對(duì)3個(gè)村莊在不同地震烈度下的建筑物破壞程度進(jìn)行定量分析；最后，綜合社會(huì)脆弱性因素，構(gòu)建情景地震，對(duì)3個(gè)村莊可能的地震影響情景進(jìn)行描述，并針對(duì)性地進(jìn)行地震應(yīng)急部署準(zhǔn)備，為中國(guó)西部地區(qū)地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考借鑒。