2013年四川蘆山7.0級(jí)地震烈度遙感評(píng)估

王曉青，竇愛(ài)霞，王龍，袁小祥，丁香，張偉

中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

1 引言

2013年4月20日08時(shí)02分，四川省雅安市蘆山縣（30.3°N，103.0°E）發(fā)生7.0級(jí)強(qiáng)烈地震，震源深度13km.該地震的微觀震中位于龍門(mén)山斷裂帶南段，距離2008年5月12日汶川8.0級(jí)地震震中約100km（圖1）.本次地震給人民生命財(cái)產(chǎn)造成了嚴(yán)重?fù)p失，截至4月26日，地震造成196人遇難，21人失蹤，逾萬(wàn)人受傷.

地震災(zāi)情信息的及時(shí)準(zhǔn)確掌握，是開(kāi)展有效地震應(yīng)急救援，最大限度減輕地震災(zāi)害的重要保障.地震烈度圖是地震造成的破壞程度分布的科學(xué)反映，同時(shí)，也是我國(guó)目前抗震救災(zāi)的主要依據(jù)之一.地震烈度評(píng)定的常規(guī)方法是采用大量專(zhuān)業(yè)人員在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展調(diào)查和評(píng)估，較小破壞性地震的評(píng)定一般需要1～3天時(shí)間，較大的破壞性地震評(píng)定則需要更長(zhǎng)，甚至數(shù)十天（如汶川地震）的時(shí)間.因此，如何提高地震烈度評(píng)定的時(shí)效性和評(píng)估效率，既有一定的科學(xué)研究意義，又具有重大的應(yīng)用價(jià)值.

航空遙感影像因其高空間分辨率和全覆蓋性，在房屋建筑和生命線工程震害、地震地質(zhì)災(zāi)害等提取中得到廣泛應(yīng)用（魏成階，2009）.同時(shí)，由于遙感的宏觀與間接性，許多震害細(xì)節(jié)無(wú)法直接反映，但可以通過(guò)一定區(qū)域內(nèi)震害的群體表現(xiàn)，間接、定量地確定該區(qū)域的震害程度，從而進(jìn)一步評(píng)估地震烈度.早期的地震烈度遙感評(píng)估是在震害航空遙感快速解譯基礎(chǔ)上，綜合考慮建（構(gòu)）筑物和生命線工程震害、場(chǎng)地震害等特征評(píng)定的（魏成階等，1996）.這一思路應(yīng)用在2003年新疆巴楚—伽師地震，首次在我國(guó)地震應(yīng)急階段完成了較高烈度區(qū)（VIII度及以上地區(qū)）的地震烈度遙感評(píng)估（王曉青等，2003）.

上述方法是基于遙感所反映的多種震害分級(jí)分類(lèi)標(biāo)志及其組合進(jìn)行地震烈度判定的，基本上是一種半定量的評(píng)定方法，需要借助有經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家判斷才能得到比較好的結(jié)果.為了更好地運(yùn)用遙感手段評(píng)估地震烈度，仿照地面調(diào)查時(shí)地震烈度評(píng)定的思路，將“震害指數(shù)”的概念引入到震害遙感評(píng)估研究中，通過(guò)建立遙感評(píng)估的震害指數(shù)與地面調(diào)查確定的震害指數(shù)之間的定量關(guān)系模型，可以實(shí)現(xiàn)基于遙感的地震烈度評(píng)估（王曉青等，2009）.這一方法提出后，在汶川、玉樹(shù)和海地等一系列地震的應(yīng)急遙感評(píng)估中得到了應(yīng)用（王曉青等，2009，2013；王曉青，2010；Wang et al.，2012）.受資料獲取時(shí)間較長(zhǎng)或?yàn)?zāi)區(qū)范圍較大（如汶川地震）、或資料難以及時(shí)處理（如玉樹(shù)地震），該方法過(guò)去僅得到有限的應(yīng)用.隨著我國(guó)震后應(yīng)急遙感數(shù)據(jù)獲取與處理能力的提高，蘆山地震后，當(dāng)天獲得了災(zāi)區(qū)的高分航空遙感影像，使地震烈度遙感定量評(píng)定方法得到及時(shí)的應(yīng)用.21日上午作者得到災(zāi)區(qū)影像后，于晚上即完成了災(zāi)區(qū)的地震烈度遙感評(píng)估，并及時(shí)提供給地震現(xiàn)場(chǎng)指揮部等，為本次地震烈度的評(píng)定提供了重要依據(jù).

本文采用基于“震害指數(shù)”的地震烈度遙感定量評(píng)估方法，采用震后快速獲取的高分航空遙感影像，進(jìn)行了災(zāi)區(qū)建筑物震害應(yīng)急提取和震害指數(shù)計(jì)算，在此基礎(chǔ)上，利用遙感評(píng)估的震害指數(shù)與地面調(diào)查確定的震害指數(shù)的定量轉(zhuǎn)換模型和地震烈度遙感評(píng)估方法，確定蘆山地震災(zāi)區(qū)相對(duì)高烈度區(qū)的地震烈度，并將遙感評(píng)估結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)查結(jié)果進(jìn)行比較分析和討論，以加深對(duì)蘆山地震震害分布及其成因的認(rèn)識(shí).

2 遙感數(shù)據(jù)與地震烈度遙感評(píng)估方法

蘆山地震發(fā)生后，中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“科學(xué)院”）、國(guó)家測(cè)繪地理信息局（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“測(cè)繪局”）等迅速組織了地震災(zāi)區(qū)有人機(jī)和無(wú)人機(jī)航拍，取得了災(zāi)區(qū)高分辨率遙感資料，影像覆蓋范圍見(jiàn)圖2，為地震應(yīng)急期間震害遙感監(jiān)測(cè)與評(píng)估奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).本文采用這些遙感影像進(jìn)行地震烈度評(píng)估研究.地震烈度遙感評(píng)估主要采用了作者提出并發(fā)展的定量評(píng)估方法（王曉青等，2009，2013；王曉青，2010；Wang et al.，2012），包括建筑物震害遙感解譯、遙感震害指數(shù)計(jì)算、地面等效震害指數(shù)轉(zhuǎn)換和地震烈度評(píng)定等步驟.

評(píng)估前對(duì)部分無(wú)空間參考信息的航空影像進(jìn)行了空間定位、鑲嵌等預(yù)處理.圖3給出了部分典型居民點(diǎn)的局部震后航空遙感影像圖.

3 震害指數(shù)遙感評(píng)估

采用遙感影像人工目視解譯（鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村居民點(diǎn)）或自動(dòng)判讀方法（蘆山縣城區(qū)）確定了建筑物震害等級(jí)（倒塌、局部倒塌或未倒塌），對(duì)災(zāi)區(qū)無(wú)人機(jī)遙感影像（0.2m分辨率為主）和有人機(jī)遙感影像（0.6m為主，部分0.4m）覆蓋范圍內(nèi)約126個(gè)主要居民點(diǎn)的建筑物單體和群體震害程度進(jìn)行了快速定量解譯；基于提取的建筑物震害等級(jí)計(jì)算確定了每個(gè)居民點(diǎn)的遙感震害指數(shù)或倒塌率.

由于遙感反映建筑物震害的間接性和宏觀性，基于遙感確定的震害指數(shù)與實(shí)際震害程度是有差別的，因此，通過(guò)一定的轉(zhuǎn)換關(guān)系，將遙感震害指數(shù)（或倒塌率）轉(zhuǎn)換為可與實(shí)際震害程度對(duì)應(yīng)的震害指數(shù).采用這種方式確定的震害指數(shù)稱(chēng)為地面等效震害指數(shù).通過(guò)汶川、玉樹(shù)地震現(xiàn)場(chǎng)震害遙感比對(duì)科學(xué)調(diào)查與研究，分別建立了適用于城市、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村的遙感震害指數(shù)與地面等效震害指數(shù)的定量轉(zhuǎn)換模型（王曉青，2010；王曉青等，2013；竇愛(ài)霞等，2012），并建立了建筑物倒塌率與遙感震害指數(shù)之間的關(guān)系（王曉青等，2009）.在本研究中，遙感快速解譯結(jié)果主要采用居民點(diǎn)建筑物倒塌率表示，部分居民點(diǎn)同時(shí)給出了遙感震害指數(shù).考慮到蘆山地震災(zāi)區(qū)與汶川地震災(zāi)區(qū)地理和社會(huì)環(huán)境有相似之處，依據(jù)汶川地震的轉(zhuǎn)換關(guān)系（王曉青等，2009），轉(zhuǎn)換得到了各居民點(diǎn)的地面等效震害指數(shù)，結(jié)果如圖4所示.

4 地震烈度遙感評(píng)估

圖1 四川蘆山7.0級(jí)地震災(zāi)區(qū)地勢(shì)景觀圖圖中斷層數(shù)據(jù)據(jù)徐錫偉等（2013）和陳立春等（2013）修改.Fig.1 Map showing topography in the affected region of the MS7.0Lushan earthquake，Sichuan ProvinceFault data are modified from Xu et al.（2013）and Chen et al.（2013）.

圖2 蘆山地震震后航空影像覆蓋范圍分布圖Fig.2 Coverage of aerial images acquired after the Lushan earthquake

圖3 蘆山地震典型居民點(diǎn)震后局部航空遙感影像圖（均為2013年4月20日獲?。╝）蘆山縣城震后三維影像圖（影像數(shù)據(jù)由科學(xué)院提供）；（b）蘆山縣城震后航空影像圖（城市型居民點(diǎn)，影像數(shù)據(jù)由測(cè)繪局提供）；（c）蘆山縣太平鎮(zhèn)震后無(wú)人機(jī)影像圖（鄉(xiāng)鎮(zhèn)型居民點(diǎn)，影像數(shù)據(jù)由測(cè)繪局提供）；（d）蘆山縣太平鎮(zhèn)黃家窩村震后無(wú)人機(jī)影像（農(nóng)村居民點(diǎn)，影像數(shù)據(jù)由測(cè)繪局提供）.Fig.3 Aerial remote sensing images of typical residents acquired on April 20，2013immediately after the occurrence of the Lushan earthquake

圖4 蘆山地震遙感評(píng)估震害指數(shù)與地震烈度分布圖Fig.4 Distribution of seismic damage indexes and seismic intensity of the Lushan earthquake estimated through remote sensing images

由于遙感評(píng)估并轉(zhuǎn)換得到的地面等效震害指數(shù)是對(duì)實(shí)際地震震害程度的估計(jì)，因此，根據(jù)中國(guó)地震烈度表（國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，1999；中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)，2008）震害指數(shù)與地震烈度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以地面等效震害指數(shù)評(píng)估結(jié)果為主，得到地震災(zāi)區(qū)126個(gè)居民點(diǎn)的地震烈度，并勾畫(huà)了地震烈度圖，如圖4所示.

依據(jù)遙感評(píng)估結(jié)果，蘆山地震Ⅸ度區(qū)主要位于龍門(mén)山斷裂帶南段的雙石—大川斷裂以東，東北自蘆山縣寶盛鄉(xiāng)溪口上村，西南至蘆山縣清仁鄉(xiāng)仁加村，面積約150km2；Ⅷ度區(qū)跨雙石—大川斷裂分布，但位于斷裂以東（斷層下盤(pán)）的分布面積較大，東北自蘆山縣大川鎮(zhèn)巖口上村，西南至天全縣青涼寺，面積約900km2.考慮到遙感震害的識(shí)別能力和高分遙感影像覆蓋范圍，遙感解譯結(jié)果的Ⅶ度區(qū)邊界采用虛線表示，結(jié)果僅供參考.

5 地震烈度遙感評(píng)估結(jié)果檢驗(yàn)

對(duì)于上述結(jié)果的合理性，本研究從3個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證.

5.1 典型居民點(diǎn)震害指數(shù)詳細(xì)評(píng)估驗(yàn)證

采用高分辨率航空影像對(duì)重災(zāi)區(qū)內(nèi)的蘆山縣龍門(mén)鄉(xiāng)、太平鎮(zhèn)、寶盛鄉(xiāng)等破壞較嚴(yán)重的主要居民點(diǎn)進(jìn)行了建筑物震害詳細(xì)解譯.以龍門(mén)鄉(xiāng)駐地為例，對(duì)震后無(wú)人機(jī)影像（圖5a）覆蓋范圍內(nèi)的所有建筑物震害進(jìn)行了逐棟解譯，結(jié)果如圖5b所示.

再以街區(qū)為統(tǒng)計(jì)單元，進(jìn)行了遙感震害指數(shù)評(píng)估，結(jié)果如圖5c所示；利用遙感震害指數(shù)定量轉(zhuǎn)換模型（王曉青，2010；Wang et al.，2012；王曉青等，2013），計(jì)算各街區(qū)內(nèi)的等效地面震害指數(shù)，結(jié)果如圖5d所示.如以整個(gè)龍門(mén)鄉(xiāng)駐地為單元，等效地面震害指數(shù)遙感評(píng)估結(jié)果為0.54，對(duì)應(yīng)地震烈度為Ⅸ度；圖4顯示的龍門(mén)鄉(xiāng)駐地的烈度遙感快速評(píng)估結(jié)果（等效地面震害指數(shù)0.6，對(duì)應(yīng)Ⅸ度）與此詳細(xì)評(píng)估結(jié)果一致.

同理對(duì)太平鎮(zhèn)和寶盛鄉(xiāng)駐地及其周邊地區(qū)，以及部分農(nóng)村地區(qū)進(jìn)行了評(píng)估檢驗(yàn)，結(jié)果（圖6）表明，遙感快速評(píng)估結(jié)果相比較于詳細(xì)評(píng)估結(jié)果，震害指數(shù)相差絕對(duì)值不大于0.10，地震烈度評(píng)估結(jié)果為同一個(gè)烈度值.表明地震烈度遙感快速評(píng)估結(jié)果與詳細(xì)評(píng)估結(jié)果具有可比性.

5.2 與中國(guó)地震局發(fā)布的地震烈度圖的比較驗(yàn)證

圖5 蘆山縣龍門(mén)鄉(xiāng)震害遙感詳細(xì)評(píng)估（a）震害遙感影像圖；（b）建筑物單體震害等級(jí)詳細(xì)判讀結(jié)果圖；（c）遙感震害指數(shù)分布圖；（d）等效地面震害指數(shù)分布圖.Fig.5 Detailed assessment of seismic damage in Longmen Township of Lushan County based on remote sensing data

圖6 典型居民點(diǎn)震害指數(shù)遙感詳細(xì)評(píng)估（橫坐標(biāo)）和快速評(píng)估（縱坐標(biāo)）結(jié)果比較圖Fig.6 Comparison between the detailed assessment and fast assessment results of seismic damage indexes in typical residents of Lushan County based on remote sensing data

4月25日中國(guó)地震局官方網(wǎng)站公布了四川蘆山7.0級(jí)地震烈度圖（圖7）.該圖是中國(guó)地震局地震現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急工作隊(duì)，在地震災(zāi)區(qū)360個(gè)調(diào)查點(diǎn)和231個(gè)抽樣點(diǎn)災(zāi)害調(diào)查基礎(chǔ)上，綜合遙感震害解譯、強(qiáng)震觀測(cè)記錄等資料編制完成的（張勇等；2013）.遙感快速評(píng)估的烈度圖（圖5）和該公布的烈度圖比較，兩者Ⅸ度區(qū)和Ⅷ度區(qū)總體分布位置及方向一致，后者向南和向東有一定增長(zhǎng).其中遙感評(píng)估Ⅸ度區(qū)與公布的Ⅸ度區(qū)基本一致，Ⅷ度區(qū)和Ⅶ度區(qū)大部分一致；106個(gè)進(jìn)行了遙感快速評(píng)估的居民點(diǎn)按照圈定的遙感評(píng)估烈度區(qū)對(duì)應(yīng)的地震烈度與公布的烈度圖上的地震烈度進(jìn)行比較（表1），總體一致性精度為80%，Kappa檢驗(yàn)值達(dá)到0.68，顯示地震烈度遙感快速評(píng)估結(jié)果與公布的結(jié)果具有較好的一致性.

表1 106個(gè)居民點(diǎn)地震烈度遙感快速評(píng)估結(jié)果與中國(guó)地震局公布的結(jié)果比較Table 1 Comparison of seismic intensities of 106settlements determined by the fast RS－based assessment and by the seismic intensity map issued by China Earthquake Administration

圖7 中國(guó)地震局（2013）發(fā)布的四川蘆山7.0級(jí)地震烈度圖（根據(jù)原圖等震線重新繪制）Fig.7 Seismic intensity map of the MS7.0Lushan earthquake issued by China Earthquake Administration（2013，modified from isoseismic lines of the original map）

5.3 典型居民點(diǎn)震害指數(shù)野外調(diào)查驗(yàn)證

地震應(yīng)急期后，作者到地震災(zāi)區(qū)開(kāi)展了歷時(shí)約2周的地震現(xiàn)場(chǎng)建筑物震害遙感比對(duì)科學(xué)考察，獲取了數(shù)千棟建筑物單體的結(jié)構(gòu)類(lèi)型、震害程度及其致災(zāi)原因調(diào)查資料.依據(jù)這些實(shí)際調(diào)查資料，得到部分居民點(diǎn)的震害指數(shù)與地震烈度的初步分析結(jié)果.表2給出了蘆山縣城區(qū)（蘆陽(yáng)鎮(zhèn)）、寶盛鄉(xiāng)、龍門(mén)鄉(xiāng)、太平鎮(zhèn)和雙石鎮(zhèn)，邛崍市高何鎮(zhèn)和火井鎮(zhèn)、天全縣老場(chǎng)鄉(xiāng)、雨城區(qū)中里鎮(zhèn)和上里鎮(zhèn)等10個(gè)城鎮(zhèn)的遙感評(píng)定地震烈度與現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)調(diào)查確定的地震烈度之間的關(guān)系.

表2 地震烈度遙感快速評(píng)估結(jié)果與地面詳細(xì)調(diào)查評(píng)估結(jié)果比較Table 2 Comparison of seismic intensities of 10settlements determined respectively by fast RS－based assessment and by the field survey

表2結(jié)果顯示，應(yīng)急遙感快速評(píng)估的地震烈度在Ⅸ度區(qū)和Ⅶ度區(qū)分別與地面調(diào)查結(jié)果完全一致；在Ⅷ度區(qū)則有部分一致，部分地面調(diào)查結(jié)果為Ⅶ度區(qū).地震烈度遙感快速評(píng)估總體正確率為80%，Kappa檢驗(yàn)值達(dá)到0.71，顯示遙感評(píng)估的地震烈度與現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)震害調(diào)查結(jié)果也具有較好的一致性.

6 結(jié)論與討論

（1）蘆山地震基于遙感的地震烈度快速評(píng)定是相對(duì)獨(dú)立的評(píng)定，且在4月21日晚完成并提交給國(guó)家抗震救災(zāi)指揮部和中國(guó)地震局地震現(xiàn)場(chǎng)指揮部.該結(jié)果與4月25日中國(guó)地震局公布的地震烈度，以及與應(yīng)急期后現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展的建筑物震害詳細(xì)科學(xué)考察資料所評(píng)定的烈度，均具有較好的一致性.上述事實(shí)表明，震后災(zāi)區(qū)高分辨率遙感資料可以用于評(píng)定地震烈度，且在地震應(yīng)急階段評(píng)估顯示了快速高效的特點(diǎn).

（2）本結(jié)果所顯示的Ⅸ度區(qū)與精定位后的蘆山余震（MS3.0以上）震源深度和空間分布區(qū)（張廣偉和雷建設(shè)，2013；呂堅(jiān)等，2013）比較一致，余震空間上多分布于Ⅸ度區(qū)的西北半部分；同時(shí)，也與震源機(jī)制所顯示的地殼內(nèi)發(fā)震斷層北東—南西走向分布的逆沖型地震破裂（呂堅(jiān)等，2013），以及依據(jù)全球地震臺(tái)網(wǎng)遠(yuǎn)震地震波數(shù)據(jù)快速反演的蘆山地震破裂過(guò)程（張勇等；2013）及其致災(zāi)特征分析結(jié)果也是一致的.

（3）綜合分析表明蘆山地震震源破裂范圍有限、破裂時(shí)間較短，破裂沒(méi)有擴(kuò)展到地表.因此地震造成的建筑物破壞方式和程度主要受地震動(dòng)和局部場(chǎng)地條件影響，極災(zāi)區(qū)房屋破壞總體上倒塌不多，但較嚴(yán)重破壞和中等破壞的房屋相對(duì)比較多.因此，地震造成一定人員死亡和較多的人員受傷，形成較特殊的高“受傷數(shù)∶死亡數(shù)”比例震例.

（4）值得注意的是，限于遙感的宏觀、間接性，遙感評(píng)估結(jié)果并不能完全代替地震現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估，地震烈度評(píng)定的最終結(jié)果仍然要依據(jù)地震現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查資料產(chǎn)生.遙感快速評(píng)定結(jié)果作為應(yīng)急產(chǎn)出結(jié)果之一，可以為地震應(yīng)急救援提供及時(shí)的依據(jù)；同時(shí)，有效結(jié)合地震現(xiàn)場(chǎng)震害調(diào)查和遙感解譯工作，將使地震烈度評(píng)定的效果和精度均能得到進(jìn)一步提高.

致謝 中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所和國(guó)家測(cè)繪地理信息局為本研究提供了震后災(zāi)區(qū)高分航空遙感影像數(shù)據(jù).張偉、楊海霞、李振敏、黃樹(shù)松、崔麗萍、邱玉榮等參與了部分?jǐn)?shù)據(jù)處理和震害提取工作.審稿專(zhuān)家給出重要修改意見(jiàn).在此一并致謝！

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