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(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西　太原　030025)

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地震應(yīng)急測繪信息服務(wù)方法與應(yīng)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(xué)國家野外科學(xué)觀測研究站，山西太原030025)

摘要：分析總結(jié)了地震災(zāi)害和災(zāi)情信息獲取的特點，結(jié)合近年來防震減災(zāi)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(jìn)測繪信息服務(wù)的特點，進(jìn)一步分析其在地震應(yīng)急救援過程中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地震應(yīng)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(chǎn)、經(jīng)濟、社會秩序、外交等產(chǎn)生了重大影響?？拐鹁葹?zāi)是一個綜合性強、多部門協(xié)同、管理與技術(shù)并重、社會動員較大的工作，其根本在于對震情、災(zāi)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(zāi)工作中必不可少，抗震救災(zāi)的緊急救援、災(zāi)民安置、災(zāi)害普查分析、恢復(fù)重建各個時期都需要測繪進(jìn)行保障[1]。測繪技術(shù)和測繪成果作為準(zhǔn)確掌握突發(fā)事件的重要手段，是實施減災(zāi)救災(zāi)的基礎(chǔ)依據(jù)。

應(yīng)急測繪信息服務(wù)指有關(guān)部門為國家應(yīng)對突發(fā)事件提供的測繪保障活動，是突發(fā)事件應(yīng)急準(zhǔn)備與處置、災(zāi)情評估、災(zāi)后恢復(fù)重建中的地理信息服務(wù)和測繪保障的核心與基礎(chǔ)[2]。應(yīng)急測繪信息服務(wù)的重要特征體現(xiàn)在“應(yīng)急”方面，相關(guān)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(shù)手段開展應(yīng)急測繪，第一時間獲取自然災(zāi)害、事故災(zāi)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(yīng)急測繪資料。在最短時間內(nèi)提供可靠的測繪成果，為各級政府機構(gòu)和救援機構(gòu)開展應(yīng)急決策、救援處置、災(zāi)害評估等工作提供測繪保障。本文對目前先進(jìn)的測繪技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)，探討其應(yīng)用于抗震救災(zāi)工作的方式和效果。

1地震災(zāi)害及災(zāi)情信息獲取的特點

1.1地震災(zāi)害特點

地震稱為“群災(zāi)之首”，與其他自然災(zāi)害相比，其特點包括：

(1) 突發(fā)性強，致災(zāi)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(jīng)濟損失。

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

(4) 鏈?zhǔn)綖?zāi)害、次生災(zāi)害嚴(yán)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(chǎn)損失，還會引發(fā)一系列次生災(zāi)害，如海嘯、火災(zāi)、水災(zāi)、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(zāi)害難以預(yù)報，農(nóng)村地區(qū)房屋不設(shè)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(zhì)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(zāi)害主要表現(xiàn)在地表，測繪學(xué)主要研究對象是地球及其表面形態(tài)，將成熟先進(jìn)的測繪技術(shù)應(yīng)用于地震應(yīng)急是非常必要的。

1.2災(zāi)情信息獲取的特點

鑒于地震災(zāi)害的特殊性，快速準(zhǔn)確地獲取災(zāi)情是地震應(yīng)急救援的關(guān)鍵之一，震后災(zāi)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(zāi)情難以全面掌握。汶川地震時由于初期對災(zāi)情不能全面掌握導(dǎo)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(zāi)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(zhì)災(zāi)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(wù)可大規(guī)模、快速地獲取地表信息，對地面目標(biāo)進(jìn)行精確、長時間地跟蹤觀測，在地震災(zāi)情獲取中可發(fā)揮重要作用。

2測繪信息服務(wù)方法與應(yīng)用

測繪信息服務(wù)種類繁多，可應(yīng)用于地震應(yīng)急救援過程中的各個方面。當(dāng)前，衛(wèi)星遙感、無人機航攝、GNSS(Global Navigation Satellite System，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))、SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔徑雷達(dá))、移動GIS(Geographic Information System，地理信息系統(tǒng))是測繪領(lǐng)域較為先進(jìn)的技術(shù)，可應(yīng)用于抗震救災(zāi)工作的各個階段，尤其在地震應(yīng)急災(zāi)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(shù)的蓬勃發(fā)展為地震災(zāi)害的監(jiān)測、災(zāi)情獲取、災(zāi)害評估等提供了快速、高效的技術(shù)手段。衛(wèi)星遙感具有及時、動態(tài)、宏觀以及能夠重復(fù)獲取同一區(qū)域不同時段上的影像等優(yōu)點，結(jié)合計算機迅速處理的特點，是常規(guī)地震災(zāi)害調(diào)查技術(shù)所無法比擬的[3]。與其他監(jiān)測手段相比，遙感技術(shù)具有速度快、精度高、范圍廣等特點，并且能為地震災(zāi)害應(yīng)急救援提供基于事實影像的、可精確量測的地震災(zāi)害動態(tài)監(jiān)測結(jié)果。

衛(wèi)星遙感在地震應(yīng)急救援過程中的應(yīng)用范圍主要包括：

(1) 地震構(gòu)造背景分析。當(dāng)一次大地震發(fā)生時，加強地質(zhì)構(gòu)造背景方面的分析研究有助于對地震發(fā)生的原因進(jìn)行科學(xué)解釋。因此震害調(diào)查研究首先要做的遙感應(yīng)用工作是地震構(gòu)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(zāi)區(qū)宏觀的受災(zāi)情況，借助高分辨率衛(wèi)星影像還能獲得災(zāi)區(qū)建筑物倒塌率等詳細(xì)災(zāi)情，在GIS的輔助下結(jié)合專家經(jīng)驗和有關(guān)災(zāi)害評估模型，可以更加準(zhǔn)確地評估或預(yù)測地震后的人員傷亡，進(jìn)一步指導(dǎo)地震應(yīng)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(jìn)行監(jiān)測與破壞評估。

(4) 次生災(zāi)害識別與監(jiān)測。地震次生災(zāi)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(jìn)行監(jiān)測與識別。

衛(wèi)星遙感應(yīng)用于地震應(yīng)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(shù)據(jù)的獲取渠道不暢通，有關(guān)部門缺乏良好的合作機制。

目前，各省的地震應(yīng)急指揮中心均建設(shè)了地震應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫涵蓋了地震應(yīng)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(zāi)指揮部，為應(yīng)急成員單位提供極震區(qū)有關(guān)地面目標(biāo)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(zāi)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(biāo)，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(gòu)、商業(yè)遙感影像公司建立合作關(guān)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(shù)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(yīng)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(shù)據(jù)，已成功用于影像解譯與災(zāi)損信息識別，為評價北川縣城受災(zāi)情況、制訂抗震救災(zāi)方案提供科學(xué)依據(jù)；在“3·10”云南盈江地震中，利用獲取的無人機影像與災(zāi)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?shù)榈卣鹬?，采用的旋翼無人機可在1秒內(nèi)進(jìn)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(jīng)過處理合成后可實現(xiàn)各個角度、方位的災(zāi)情可視化。

無人機航攝技術(shù)應(yīng)用于地震應(yīng)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(dǎo)致航攝的影像數(shù)目較多，進(jìn)而影響影像處理效率；無人機在進(jìn)行航攝時的操作較為復(fù)雜，往往需要傾角、旋轉(zhuǎn)等復(fù)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(fēng)力等因素的干擾。無人機航攝技術(shù)在汶川地震后得到了廣泛的應(yīng)用，但其應(yīng)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(dān)并驗收通過了國家地震社會服務(wù)工程小型無人機(小飛機)地震災(zāi)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(zāi)情信息的能力。在投入有限的情況下，省級地震應(yīng)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(yīng)急領(lǐng)域的應(yīng)用。

2.3GNSS

GNSS技術(shù)與GIS、RS(Remote Sensing，遙感)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地震現(xiàn)場的信息采集、風(fēng)險評估、防災(zāi)備災(zāi)、應(yīng)急救援、重建規(guī)劃等領(lǐng)域。2008 年“5·12”汶川8.0級特大地震的救災(zāi)工作中，GNSS技術(shù)在綜合減災(zāi)救災(zāi)工作中初試鋒芒，增強了國家災(zāi)害應(yīng)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(shè)的必要性。在抗震救災(zāi)工作中，GNSS 技術(shù)已經(jīng)在災(zāi)害監(jiān)測與定位報警、災(zāi)害應(yīng)急指揮管理、災(zāi)區(qū)搜救導(dǎo)航定位、災(zāi)害損失評估等方面發(fā)揮重要作用[6]。

GNSS技術(shù)在地震應(yīng)急救援過程中的應(yīng)用范圍主要包括：

(1) 災(zāi)情采集和管理。基于衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)的連續(xù)運行參考站和便攜式應(yīng)急救援裝備在地震災(zāi)害發(fā)生后可協(xié)助地震調(diào)查工作組開展調(diào)查和搜救工作，能快速提供突發(fā)性災(zāi)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(diào)查獲得的災(zāi)情數(shù)據(jù)實時向抗震救災(zāi)指揮部門發(fā)布。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)支持短報文通信，在通訊擁堵或中斷時可為災(zāi)情的搜集匯總提供可靠通道。

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

(3) 災(zāi)害評估和救援輔助決策。GNSS可輔助地震應(yīng)急現(xiàn)場工作隊在災(zāi)區(qū)通訊物資保障、余震監(jiān)測、災(zāi)民生活保障和災(zāi)后重建等方面開展高精度的災(zāi)情損失評估和定位工作。應(yīng)急救援隊工作人員可以利用便攜式衛(wèi)星導(dǎo)航定位裝置實時定位災(zāi)民災(zāi)情所在區(qū)域、快速量算受災(zāi)范圍面積、測量房屋受損情況、調(diào)查次生災(zāi)害情況等，為地震應(yīng)急管理部門抗震救災(zāi)決策支持提供可靠的技術(shù)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(wù)，在災(zāi)情搜集匯報、應(yīng)急通訊中發(fā)揮作用。

在當(dāng)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(jìn)行的。在地震應(yīng)急工作中，GPS早已得到了廣泛應(yīng)用，隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的成熟，地震部門可逐步引進(jìn)北斗導(dǎo)航設(shè)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(shù)

SAR技術(shù)相對于光學(xué)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(zāi)后應(yīng)急救援, 特別是惡劣天氣條件下的應(yīng)急工作，提供可靠的數(shù)據(jù)保證，同時由于其對觀測目標(biāo)的幾何形態(tài)、位移變化的敏感性，其成為地震災(zāi)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(guān)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(jìn)行了變化檢測，經(jīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)難以獲取的情況下，該方法是較為穩(wěn)定、可行的技術(shù)方法。

SAR技術(shù)主要應(yīng)用于震后監(jiān)測評估引發(fā)地表變化的災(zāi)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(xué)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(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)處理方面要比光學(xué)遙感復(fù)雜得多，在地震應(yīng)急時時間緊迫的情況下其應(yīng)用受到限制。地震應(yīng)急過程中SAR的應(yīng)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(shù)普及后快速發(fā)展的一門應(yīng)用，主要由移動終端、無線通信網(wǎng)絡(luò)、空間數(shù)據(jù)與空間服務(wù)組成，具有數(shù)據(jù)采集靈活、傳輸方便等特點。移動GIS可應(yīng)用于地震現(xiàn)場工作，包括地震定位與顯示、災(zāi)情搜集和報送、災(zāi)害損失初評估、救援力量指揮調(diào)度、路徑規(guī)劃導(dǎo)航、災(zāi)區(qū)空間數(shù)據(jù)庫查詢等。其主要特點是改變了地震應(yīng)急工作全靠紙介質(zhì)地圖進(jìn)行指揮決策的面貌，提高了地震救援工作的及時性、準(zhǔn)確性和科學(xué)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(zhuǎn)到了地震現(xiàn)場，改變了地震應(yīng)急救援的工作方式。

移動GIS技術(shù)應(yīng)用于地震應(yīng)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(nèi)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(shù)的在線/離線訪問模式。移動GIS中存儲的空間數(shù)據(jù)，或者向空間數(shù)據(jù)庫服務(wù)器請求的數(shù)據(jù)可能具有保密性要求，在其開發(fā)、應(yīng)用過程中需要特別注意。移動GIS在地震應(yīng)急中應(yīng)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(yīng)急部門需要加強交流，相互借鑒引進(jìn)或自主研發(fā)，將其作用真正發(fā)揮出來。

3結(jié)語

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

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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(xué)，碩士研究生，助理工程師。

中圖分類號：P315.99

文獻(xiàn)標(biāo)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