鄭 韻 姜立新 張 穎 朱耿青 張樹(shù)君 黃玲珠

1）中國(guó)福州350003 福建省地震局

2）中國(guó)北京100045 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心

0 引言

當(dāng)?shù)貢r(shí)間2021 年8 月14 日清晨，海地西部地區(qū)發(fā)生MS7.3 地震（震源深度10 km），據(jù)報(bào)道，約有1 萬(wàn)多所房屋在地震中損毀，數(shù)千人被掩埋于廢墟之下。根據(jù)海地民防局公布的消息，地震造成2 000 多人死亡，1 萬(wàn)多人受傷。淺源大地震對(duì)地表的破壞力巨大，建筑物損毀倒塌，容易造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和慘重的人員傷亡。對(duì)地震災(zāi)害進(jìn)行快速評(píng)估，是進(jìn)行應(yīng)急救援的重要環(huán)節(jié)。

房屋建筑數(shù)據(jù)是影響地震災(zāi)害快速評(píng)估結(jié)果的重要因素（聶高眾等，2002；姜立新等，2012；鄭韻等，2021）。按照傳統(tǒng)調(diào)查模式獲取研究區(qū)多棟房屋的基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)，專業(yè)性要求高，人員和資金投入大，耗時(shí)長(zhǎng)，無(wú)法滿足新時(shí)代地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防治的工作需求。近年來(lái)，隨著時(shí)空分辨率的顯著提升，遙感影像以其宏觀、高效率、成本低等優(yōu)點(diǎn)，成為房屋建筑物資料快速獲取渠道之一，可在宏觀上迅速掌握研究區(qū)房屋數(shù)量與抗震設(shè)防水平。相關(guān)研究有：王曉青等（2008，2015）基于震后災(zāi)區(qū)高分遙感影像，建立震害指數(shù)分析模型并進(jìn)行大震震害的快速評(píng)估；李姜等（2021）利用無(wú)人機(jī)航拍影像，構(gòu)建張家口萬(wàn)全區(qū)建筑物抗震能力震害矩陣；袁小祥等（2023）結(jié)合建筑物震前遙感影像和震害模擬仿真，進(jìn)行地震烈度和房屋震害評(píng)估。

2020 年底，在中國(guó)地震災(zāi)害防御中心指導(dǎo)下，基于遙感影像，在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)展建筑物總量和抗震水平粗略估計(jì)工作，并形成基本可行的技術(shù)路線。本文以福建省仙游縣為例，基于天地圖遙感影像數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 軟件進(jìn)行空間分析與處理提取建筑物輪廓，獲取仙游縣房屋總量基本數(shù)值，采用遙感目視解譯，初步判斷該縣建筑物抗震等級(jí)，結(jié)合百度街景地圖與實(shí)地抽樣調(diào)查進(jìn)行修正與誤差分析，完成基于遙感影像的仙游縣建筑物抗震水平初判。

1 研究方法

1.1 技術(shù)思路

基于遙感影像對(duì)建筑物抗震水平進(jìn)行初判，具體流程見(jiàn)圖1。技術(shù)思路如下：

圖1 房屋抗震能力初判流程Fig.1 Flow chart of initial evaluation of seismic capacity of building

（1）數(shù)據(jù)資料準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)資料準(zhǔn)備階段主要包括向福建省基礎(chǔ)地理信息中心申請(qǐng)授權(quán)天地圖影像數(shù)據(jù)、收集區(qū)域行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)等所需數(shù)據(jù)資料。

（2）建筑物輪廓提取及目視解譯（關(guān)澤群等，2007）。該階段主要利用圖像二值化提取建筑物輪廓，通過(guò)ArcGIS軟件的空間分析功能得到仙游縣房屋大致總量，采用遙感目視解譯初步判別建筑物抗震等級(jí)，錄入房屋所屬行政區(qū)劃編碼、數(shù)量和抗震等級(jí)等房屋屬性數(shù)據(jù)。

（3）百度街景地圖與現(xiàn)場(chǎng)抽樣核查。通過(guò)百度街景地圖或?qū)嵉爻闃雍瞬榻Y(jié)果與遙感影像解譯的對(duì)比分析，進(jìn)行初判數(shù)據(jù)誤差分析與結(jié)果修正。

（4）成果生成。根據(jù)百度街景地圖或?qū)嵉爻闃雍瞬樾拚Y(jié)果中房屋分區(qū)數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 軟件生成房屋抗震水平初步評(píng)估圖。

1.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

在標(biāo)繪房屋建筑片區(qū)數(shù)據(jù)時(shí)，需按照鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)行政區(qū)劃范圍進(jìn)行區(qū)分，避免出現(xiàn)同一個(gè)片區(qū)跨多個(gè)行政區(qū)劃的問(wèn)題。因此，需準(zhǔn)備所在地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)行政區(qū)劃數(shù)據(jù)（shp格式，面狀圖層），1:10 000 或更大比例尺均可。該項(xiàng)目實(shí)施中統(tǒng)一采用福建省基礎(chǔ)地理信息中心提供的全省行政區(qū)劃數(shù)據(jù)，空間參考為CGS2000 坐標(biāo)系。

通過(guò)向福建省基礎(chǔ)地理信息中心申請(qǐng)授權(quán)等方式，獲取福建省天地圖街道地圖影像數(shù)據(jù)的接口。在GIS平臺(tái)軟件上，選擇GIS Server服務(wù)，輸入天地圖接口加載影像地圖。天地圖·福建提供了仙游縣大部分區(qū)域17—18 級(jí)影像電子地圖，影像分辨率為0.5—0.8 m，少數(shù)地區(qū)影像電子地圖為第11—16 級(jí)，分辨率為2.0—2.1 m，數(shù)據(jù)現(xiàn)勢(shì)性為2020 年。

1.3 數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)

錄入房屋屬性時(shí)需在ArcGIS 中建立統(tǒng)一的房屋數(shù)據(jù)面圖層，并根據(jù)需求建立數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)，規(guī)范屬性數(shù)據(jù)的定義。如表1 所示，數(shù)據(jù)表中包含ID 編碼、建筑物所屬地區(qū)編碼等基本信息，并分別定義了區(qū)域內(nèi)房屋棟數(shù)和抗震設(shè)防能力初判情況，百度街景地圖或?qū)嵉爻闃雍瞬榻Y(jié)果作為待輸入數(shù)據(jù)項(xiàng)。

表1 數(shù)據(jù)表格結(jié)構(gòu)Table 1 Data table structure diagram

1.4 圖像二值化提取建筑物輪廓

圖像二值化通過(guò)設(shè)定閾值圖像的像素分成大于閾值和小于閾值的2 種像素群。設(shè)輸入圖像函數(shù)為g(x,y)，輸出二值圖像函數(shù)為f(x,y)，則

其中，threshold 表示閾值，選取原則是盡可能將所需圖像信息和背景區(qū)分開(kāi)來(lái)。由式（1）可知，圖像經(jīng)二值化處理，輸出圖像點(diǎn)的灰度值變?yōu)? 或255，即為黑白分明的灰度圖像。

在ArcMap 軟件中加載影像后顯示3 種波段顏色影像，基于波段提取函數(shù)提取影像單波段，利用空間重分類工具將單波段柵格重分類為“1”“2”“3”新值，分別對(duì)應(yīng)表示建筑物、道路和背景的灰度值。確定道路灰度值，將圖片再次重分類，將道路灰度值賦值為背景灰度值，從而實(shí)現(xiàn)建筑物影像二值化，基于ArcScan 工具矢量化建筑物影像輪廓，創(chuàng)建建筑物輪廓圖層。

2 基于經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的房屋抗震能力判別

2.1 區(qū)域概況

仙游縣位于福建省東南沿海中部，轄區(qū)總面積約1 835 km2?？h人民政府駐鯉城街道，全縣轄：鯉城街道、鯉南鎮(zhèn)、社硎鄉(xiāng)、龍華鎮(zhèn)、石蒼鄉(xiāng)、榜頭鎮(zhèn)、度尾鎮(zhèn)、菜溪鄉(xiāng)、楓亭鎮(zhèn)、賴店鎮(zhèn)、郊尾鎮(zhèn)、西苑鄉(xiāng)、園莊鎮(zhèn)、鐘山鎮(zhèn)、游洋鎮(zhèn)、書(shū)峰鄉(xiāng)、蓋尾鎮(zhèn)、大濟(jì)鎮(zhèn)，共計(jì)1個(gè)街道、12 個(gè)鎮(zhèn)和5 個(gè)鄉(xiāng)。根據(jù)第七次全國(guó)人口普查數(shù)據(jù)，仙游縣常住人口約905 068 人。2020 年，仙游縣生產(chǎn)總值約為521.49 億元（仙游縣人民政府，2021）。

2.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景

仙游近場(chǎng)區(qū)為低山—丘陵地形地貌，主要由中低山、低山、丘陵、臺(tái)地和海灣平原等地貌類型構(gòu)成。區(qū)內(nèi)第四紀(jì)地層有全新統(tǒng)和更新統(tǒng)，其中更新統(tǒng)以殘坡積土為主，全新統(tǒng)出露較廣，主要分布于海灣平原及河流兩岸和山間盆地，為沖洪積的粘性土、砂、碎石土和濱海相沉積的淤泥、淤泥質(zhì)土夾粘性土、砂層。近場(chǎng)區(qū)地處NNE—NE 向長(zhǎng)樂(lè)—詔安斷裂帶中北段，EW 向漳平—莆田斷裂帶東端。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造發(fā)育，具多期和不同性質(zhì)的活動(dòng)特點(diǎn)，以NNE—NE 向斷裂最為發(fā)育，NW 向、近EW 向斷裂零星分布。近場(chǎng)區(qū)內(nèi)現(xiàn)今地震活動(dòng)相對(duì)較弱，小震主要位于場(chǎng)地東北部一帶，震中零星分布，近場(chǎng)區(qū)無(wú)破壞性地震記載。歷史上，仙游近場(chǎng)地共遭受2 次烈度達(dá)Ⅵ度及以上地震影響，其中1604 年泉州海外71/2級(jí)地震對(duì)場(chǎng)地影響烈度為Ⅶ度，1918 年廣東南澳7.3 級(jí)地震影響烈度為Ⅵ度。綜合分析認(rèn)為，仙游地區(qū)存在發(fā)生5.5 級(jí)以下地震的構(gòu)造背景。

2.3 房屋遙感影像特征粗判

借助遙感影像目視解譯，即每種地物在各波段反射率均有差異，在遙感影像上則以不同色調(diào)展現(xiàn)。目視解譯依據(jù)地學(xué)、光譜規(guī)律和解譯者經(jīng)驗(yàn)，從圖像的色調(diào)、形態(tài)、紋理等，結(jié)合房屋建筑物分布、用途與空間關(guān)系特征的對(duì)應(yīng)關(guān)系，依據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)水平，總結(jié)歸納經(jīng)驗(yàn)估計(jì)的判別依據(jù)。

（1）估計(jì)設(shè)防達(dá)標(biāo)類典型樣本特征影像。建筑輪廓影像清晰、建筑物占地面積較大或呈現(xiàn)出規(guī)則建筑群排列，如城市安商房小區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部4 層以上房屋、農(nóng)村的抗震安居房、火車站、體育館之類的公用建筑、生命線工程相關(guān)建筑等，此類建筑物均判定為估計(jì)抗震能力達(dá)標(biāo)。圖2 所示為估計(jì)設(shè)防達(dá)標(biāo)類典型樣本特征影像，特征明顯，滿足抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

（2）疑似抗震能力不足樣本特征影像。建筑影像模糊不清、占地面積小、房屋密集且排列雜亂無(wú)序，如大部分農(nóng)村地區(qū)自建房、城鄉(xiāng)結(jié)合部2—3 層房屋、小型廠房等，此類房屋抗震設(shè)防設(shè)計(jì)特征不太明顯，需要進(jìn)一步詳細(xì)調(diào)查與鑒定，初判為疑似抗震能力不足。圖3 為疑似抗震能力不足樣本特征影像。

圖3 疑似抗震能力不足示例圖Fig.3 Example diagram of suspected seismic inadequacy

（3）疑似嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)典型樣本特征影像。建筑影像稀疏且占地面積小，如城市城中村、城鄉(xiāng)結(jié)合部單層房屋、農(nóng)村地區(qū)土石房屋及低層自建房屋、工地棚房等，這類房屋具備不達(dá)標(biāo)房屋的一些影像特征，需要進(jìn)一步詳細(xì)調(diào)查與鑒定，可初步判定為疑似抗震能力嚴(yán)重不足。圖4 為疑似嚴(yán)重不達(dá)標(biāo)典型樣本特征影像示例圖。

圖4 疑似抗震能力嚴(yán)重不足示例圖Fig.4 Example diagrams ofsuspected insufficient earthquake resistance

采用遙感目視解譯，依據(jù)以上3 種影像判別標(biāo)準(zhǔn)，將仙游縣房屋建筑物抗震能力等級(jí)粗分為估計(jì)抗震能力達(dá)標(biāo)、疑似抗震能力不足和疑似抗震能力嚴(yán)重不足3 個(gè)等級(jí)。運(yùn)用ArcGIS 空間頻數(shù)分析和統(tǒng)計(jì)分析（郭仁忠，2001），估算圖像二值化后的建筑物總數(shù)及不同抗震水平的房屋大致數(shù)量。解譯結(jié)果不需要較高準(zhǔn)確度，大致判斷分類和總數(shù)即可。

2.4 抽樣調(diào)查

抽樣調(diào)查（孫山澤，2014）即從所研究對(duì)象抽取一定比例的樣本進(jìn)行調(diào)查。利用樣本特征推測(cè)研究對(duì)象特征，需隨機(jī)抽取有代表性的樣本，且樣本數(shù)量不宜過(guò)少。實(shí)地抽樣調(diào)查的主要目的為：①更正因影像滯后導(dǎo)致的建筑物遺漏，如城市大面積拆遷區(qū)、新規(guī)劃居民區(qū)等；②修正因建筑特征不明顯、影像分辨率低引起的房屋抗震水平難以確定的情況；③抽樣計(jì)算檢查數(shù)據(jù)質(zhì)量。

對(duì)于仙游縣城鯉城街道和城郊鯉南鎮(zhèn)，核查房屋主要位于城中村或城郊結(jié)合部，綜合時(shí)效性、便捷性和經(jīng)費(fèi)等多方面因素，使用百度街景地圖進(jìn)行房屋抗震能力核查，共計(jì)6 處抽查點(diǎn)，核查發(fā)現(xiàn)，部分遙感影像判讀房屋抗震水平出現(xiàn)錯(cuò)誤。具體核查結(jié)果見(jiàn)表2，抽樣點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)圖5。

表2 百度街景地圖核查結(jié)果Table 2 Baidu street view map verification results

圖5 仙游縣城遙感影像和百度街景地圖抽樣點(diǎn)對(duì)比圖Fig.5 Sampling point comparison of Xianyou county remote sensing image and Baidu street view map

仙游縣其他鄉(xiāng)鎮(zhèn)由于缺乏百度街景地圖資料，隨機(jī)均勻抽取每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)的1 個(gè)調(diào)查點(diǎn)，最終選取16 個(gè)村鎮(zhèn)調(diào)查點(diǎn)。通過(guò)實(shí)地核查，發(fā)現(xiàn)部分遙感影像判讀房屋抗震水平出現(xiàn)錯(cuò)誤。具體核查結(jié)果見(jiàn)表3，抽樣點(diǎn)1—6 對(duì)比圖見(jiàn)圖6。

表3 實(shí)地核查結(jié)果Table 3 Results of field verification

圖6 仙游縣城遙感影像和實(shí)地抽樣點(diǎn)對(duì)比圖Fig.6 Comparison of remote sensing images and field sampling points in Xianyou county

2.5 誤差計(jì)算與分析

將遙感初判結(jié)果作為估計(jì)值，百度街景地圖或?qū)嵉睾瞬榻Y(jié)果作為真實(shí)值，計(jì)算基于遙感影像經(jīng)驗(yàn)初判的房屋抗震水平相對(duì)誤差，仙游縣22 處調(diào)查點(diǎn)中有4 個(gè)調(diào)查點(diǎn)遙感影像判讀房屋抗震水平出現(xiàn)錯(cuò)誤，相對(duì)誤差為18.18%，符合中國(guó)地震災(zāi)害防御中心誤差小于20%的規(guī)定，達(dá)到數(shù)據(jù)質(zhì)檢要求。

將百度街景地圖或?qū)嵉睾瞬榻Y(jié)果與遙感影像進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致誤判的主要原因有：①仙游縣城中村尚存在一定數(shù)量的土坯瓦片房和磚砌為主的純磚造建筑，此類房屋無(wú)抗震構(gòu)造措施，抗震能力差。而設(shè)圈梁和構(gòu)造柱的磚混結(jié)構(gòu)自建房具有一定抗震能力。僅通過(guò)遙感影像無(wú)法將純磚造建筑與設(shè)圈梁和構(gòu)造柱的磚混結(jié)構(gòu)建筑區(qū)分開(kāi)，也難以識(shí)別參雜其中的土坯瓦片房。②仙游縣老城區(qū)依然存在少量預(yù)制板的簡(jiǎn)易砌體房屋和樓頂違規(guī)搭建棚房，因無(wú)法獲取房屋修建年代、承重構(gòu)建材質(zhì)等房屋屬性，遙感影像識(shí)別時(shí)可能將此類房屋與鐵皮輕鋼構(gòu)造的廠房混淆，從而引起誤判。③仙游縣存在少量石砌結(jié)構(gòu)房屋，石結(jié)構(gòu)整體性差，抗震能力差，僅從遙感影像無(wú)法將其與磚混結(jié)構(gòu)房屋區(qū)別開(kāi)，易造成誤判。④仙游縣鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)一些設(shè)圈梁和構(gòu)造柱的磚混結(jié)構(gòu)辦公樓或居民樓抗震能力較強(qiáng)，但遙感影像判別時(shí)難以將此類建筑與鄉(xiāng)鎮(zhèn)一般自建房區(qū)分開(kāi)，從而導(dǎo)致誤判。

2.6 判別結(jié)果

根據(jù)百度街景地圖或?qū)嵉睾瞬榻Y(jié)果，對(duì)遙感影像初判錯(cuò)誤的調(diào)查點(diǎn)進(jìn)行修正，最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：仙游縣房屋總棟數(shù)約為65 645 棟，主要房屋類型為框架結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、石結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)和土木結(jié)構(gòu)房屋。利用ArcGIS 軟件繪制仙游縣房屋抗震能力初步評(píng)估圖，結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7 可見(jiàn)，估計(jì)抗震能力達(dá)標(biāo)房屋有20 391 棟，占比31.06%；疑似抗震能力不足房屋有43 239棟，占比65.87%；疑似抗震能力嚴(yán)重不足房屋有2 015棟，占比3.07%。

圖7 基于遙感影像的仙游縣房屋抗震水平初判Fig.7 Seismic level judgment of houses in Xianyou County based on remote sensing images

3 結(jié)論

針對(duì)福建省房屋地震設(shè)防情況不明、總量不祥的現(xiàn)狀，利用天地圖遙感影像數(shù)據(jù)，運(yùn)用ArcGIS 軟件進(jìn)行空間分析與處理，獲取仙游縣房屋大致總量，采用遙感目視解譯初步判別研究區(qū)建筑物抗震等級(jí)，結(jié)合百度街景地圖與實(shí)地抽樣調(diào)查進(jìn)行修正與誤差分析，完成基于遙感影像的仙游縣建筑物抗震水平初判，得出以下結(jié)論：

（1）仙游縣房屋總棟數(shù)約65 645 棟，其中，估計(jì)抗震能力達(dá)標(biāo)房屋占比31.06%，疑似抗震能力不足房屋占比65.87%，疑似抗震能力嚴(yán)重不足房屋占比3.07%。從結(jié)果看，仙游縣房屋總體抗震水平較好，疑似抗震能力嚴(yán)重不足房屋主要分布于仙游縣城中村、城鄉(xiāng)結(jié)合部區(qū)域以及農(nóng)村地區(qū)，這些區(qū)域仍然存在少量土坯結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)與石砌結(jié)構(gòu)的老舊房屋。

（2）通過(guò)百度街景地圖或?qū)嵉爻闃雍瞬榻Y(jié)果與遙感影像解譯的對(duì)比分析，得到相對(duì)誤差為18.18%，其分類結(jié)果具有較高可信度，達(dá)到中國(guó)地震災(zāi)害防御中心誤差小于20%的數(shù)據(jù)質(zhì)檢規(guī)定要求。導(dǎo)致誤判的原因主要是，受遙感影像分辨率和影像拍攝角度的影響，僅通過(guò)遙感影像無(wú)法識(shí)別房屋建筑結(jié)構(gòu)、承重構(gòu)建材質(zhì)等房屋的重要屬性，從而造成誤判。