基于無人機(jī)影像的九寨溝地震建筑物震害定量評(píng)估

袁小祥 王曉青 丁香 竇愛霞 王書民 丁玲

中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京市復(fù)興路63號(hào) 100036

0 引言

2017年8月8日21時(shí)19分，四川省阿壩州九寨溝縣（33.2°N，103.82°E）發(fā)生7.0級(jí)強(qiáng)烈地震，震源深度20km，震中距離最近的漳扎鎮(zhèn)約10km（圖1）。該地震不僅造成25人遇難，數(shù)人失聯(lián)，數(shù)百人受傷，而且還造成大量建筑物破壞及次生災(zāi)害，人民的生命財(cái)產(chǎn)遭受極大的損失。

及時(shí)準(zhǔn)確的地震災(zāi)情信息是震后開展應(yīng)急救援、最大限度減輕地震災(zāi)害損失的重要保障（王曉青等，2015；柳稼航等，2004）。遙感具有宏觀、非接觸等特點(diǎn)，能夠快速獲取地震災(zāi)區(qū)大范圍的、豐富的建筑物、次生災(zāi)害等災(zāi)情信息，很早就被用于震害信息獲取（柳稼航等，2004；王曉青等，2003）。隨著遙感數(shù)據(jù)的多源化以及時(shí)效性、分辨率的逐步提高，基于遙感影像的定量評(píng)估技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于大震應(yīng)急救援及災(zāi)害評(píng)估中。王曉青等（2008、2009）利用震后獲取的多種衛(wèi)星影像資料進(jìn)行了汶川8.0級(jí)地震遙感應(yīng)急震害評(píng)估；利用都江堰等城鄉(xiāng)大量建筑物震害遙感比對(duì)調(diào)查結(jié)果，進(jìn)行了震害遙感定量評(píng)估，并建立了遙感震害指數(shù)與地面調(diào)查震害指數(shù)之間的定量關(guān)系，為利用遙感手段進(jìn)行震后應(yīng)急震害評(píng)估提供了方法和模型基礎(chǔ)。蘆山7.0級(jí)地震發(fā)生后，王曉青等（2015）采用上述方法模型，利用震后應(yīng)急獲取的高分辨率航空影像和無人機(jī)影像，快速提取了災(zāi)區(qū)建筑物震害信息，并在此基礎(chǔ)上對(duì)災(zāi)區(qū)100多個(gè)居民點(diǎn)進(jìn)行了快速震害遙感定量評(píng)估，得到了與實(shí)地調(diào)查較為吻合的遙感烈度評(píng)估結(jié)果。竇愛霞等（2012）、王曉青等（2013）分別以玉樹7.1級(jí)地震為例，基于遙感平均震害指數(shù)和綜合震害指數(shù)，開展了利用震后高分辨率遙感資料進(jìn)行震害快速定量化評(píng)估的研究，為震后應(yīng)急中震害與地震烈度遙感定量評(píng)估提供了實(shí)用化的思路和應(yīng)用案例。

近年來，無人機(jī)遙感平臺(tái)及飛控技術(shù)得到快速發(fā)展。無人機(jī)飛行高度低，具備云下攝影、響應(yīng)迅速等諸多優(yōu)點(diǎn)，越來越貼近震后應(yīng)急救援與評(píng)估的時(shí)間需求，且無人機(jī)獲取的超高分辨率影像，能夠提供更多的建筑物震害細(xì)節(jié)信息，可以更加準(zhǔn)確地對(duì)低烈度區(qū)震害程度相對(duì)較輕的建筑物進(jìn)行識(shí)別，顯著提高建筑物震害程度的遙感識(shí)別能力。本文利用九寨溝地震震后獲取的一系列高分辨率無人機(jī)影像，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，進(jìn)行無人機(jī)遙感建筑物震害解譯標(biāo)志建立，在前人研究的基礎(chǔ)上，以該地震災(zāi)區(qū)2處典型地區(qū)作為研究區(qū)進(jìn)行無人機(jī)建筑物震害信息定量提取與評(píng)估研究，以期為今后進(jìn)行大震無人機(jī)快速定量評(píng)估提供參考。

圖1 九寨溝地震極震區(qū)地勢(shì)景觀①

1 數(shù)據(jù)收集及處理

九寨溝地震發(fā)生后，中國地震局和國家測(cè)繪地理信息局等單位迅速組織人員趕赴災(zāi)區(qū)，使用固定翼和多旋翼無人機(jī)進(jìn)行災(zāi)情遙感影像獲取工作。本文以漳扎鎮(zhèn)三組（簡稱漳扎）和荷葉寨一組（簡稱荷葉）為研究區(qū)，主要使用2017年8月13日中國地震應(yīng)急搜救中心獲取的固定翼無人機(jī)影像（分辨率約0.10m）、2017年9月6日筆者所在的研究組利用旋翼無人機(jī)獲取的荷葉寨的震后影像（分辨率約0.02m）（圖1）。獲取的無人機(jī)影像主要包括序列航拍照片和與之匹配的姿態(tài)數(shù)據(jù)（POS），本文利用Photo Scan軟件，采用運(yùn)動(dòng)信息中恢復(fù)三維場(chǎng)景結(jié)構(gòu)（Strcuture from Motion，SfM）方法在應(yīng)急模式下進(jìn)行處理（趙云景等，2015）。首先，導(dǎo)入拍攝的無人機(jī)影像數(shù)據(jù)，并進(jìn)行POS數(shù)據(jù)編輯；然后，對(duì)每幅影像進(jìn)行特征點(diǎn)匹配，根據(jù)多目視覺原理進(jìn)行SfM三維重建，獲取相機(jī)和稀疏點(diǎn)云的真實(shí)空間位置；最后，在重建地形的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)區(qū)域的正射影像生成。由于應(yīng)急模式下生成的正射影像與真實(shí)坐標(biāo)存在一定的誤差，需要對(duì)該正射影像與高分辨率底圖進(jìn)行配準(zhǔn)。

通常情況下，無人機(jī)影像反映更多的是建筑物的頂部信息，因而往往對(duì)建筑物震害判斷較輕。為了更好地建立無人機(jī)影像震害解譯標(biāo)志，筆者所在的研究團(tuán)隊(duì)于2017年8月31日～9月8日進(jìn)行九寨溝地震現(xiàn)場(chǎng)建筑物震害實(shí)地調(diào)查，其中，共涉及本文2個(gè)研究區(qū)的100多棟有效單體建筑物。實(shí)地調(diào)查結(jié)果表明，研究區(qū)的建筑物結(jié)構(gòu)類型主要包括土木結(jié)構(gòu)、磚木結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)等。對(duì)每個(gè)建筑物單體進(jìn)行了建筑年代、建筑面積和破壞程度等的調(diào)查。其中，破壞程度按照毀壞（倒塌）、毀壞（未倒塌）、嚴(yán)重破壞、中等破壞、輕微破壞及基本完好等6級(jí)（王曉青等，2013）進(jìn)行評(píng)定。

2 無人機(jī)遙感建筑物震害評(píng)估

2.1 遙感震害指數(shù)

遙感震害指數(shù)（王曉青等，2009）是利用遙感資料定量確定災(zāi)區(qū)震害程度的指標(biāo)。同一地震中，不同地點(diǎn)、不同結(jié)構(gòu)類型的震害程度不同。為了定量評(píng)估震害程度，某一調(diào)查點(diǎn)結(jié)構(gòu)類型i的遙感平均震害指數(shù)按下式計(jì)算

2.2 無人機(jī)震害解譯標(biāo)志

通常航天、航空遙感手段由于影像空間分辨率的限制，目視判讀的建筑物破壞等級(jí)有限，一般只能識(shí)別未倒塌、部分倒塌和倒塌等3類。與以往遙感震害評(píng)定不同的是，本文使用高（甚至超高）分辨率無人機(jī)影像判讀建筑物破壞等級(jí)。因此，本文嘗試按照地面震害調(diào)查中將建筑物震害劃分為上述6級(jí)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)建筑物單體震害詳查資料建立基本完好至毀壞（未倒塌）的不同等級(jí)的建筑物震害無人機(jī)影像解譯標(biāo)志（圖2）。通過分析，得到各建筑物震害級(jí)別遙感解譯標(biāo)志如下。

基本完好：圖2（a）、2（b）為2012年前后建成的4層框架結(jié)構(gòu)房屋。地面調(diào)查顯示，該房屋整體結(jié)構(gòu)完好，但外墻有少量輕微裂縫，屋頂瓦有一定程度破壞，震害等級(jí)為基本完好。影像顯示，該建筑物輪廓較為清晰、完整，南側(cè)為現(xiàn)澆樓面，邊緣清晰，色調(diào)規(guī)則，建筑物周圍無明顯紋理或者色調(diào)突變，屋頂無明顯或者較輕的破壞，色調(diào)總體過渡自然，頂層磚木結(jié)構(gòu)部分人字形屋頂有少量落瓦發(fā)生輕微色調(diào)變化。

輕微破壞：圖2（c）、2（d）為荷葉1990年代建成的2層土木結(jié)構(gòu)民居。地面調(diào)查顯示，該房屋在窗角等部位有輕微裂縫，經(jīng)過簡單修繕后可繼續(xù)使用，震害等級(jí)為輕微破壞。影像上顯示，房屋為人字形屋頂，覆蓋青瓦，震害特征表現(xiàn)為少數(shù)因輕微落瓦造成的相對(duì)亮斑狀紋理，但是屋面及墻體保持較好，影像顯示規(guī)則紋理特征，建筑物周圍無墻倒塌或屋面滑落造成的不規(guī)則影像色調(diào)變化特征，幾何形狀較規(guī)則。

圖2 無人機(jī)震害解譯標(biāo)志

中等破壞：圖2（e）、2（f）為荷葉1990年代建成的2層土木結(jié)構(gòu)民居，其中，第 2層為木結(jié)構(gòu)。地面調(diào)查顯示，第1層有部分片石材料的墻體外閃，震害等級(jí)為中等破壞。震害影像特征表現(xiàn)為，屋頂部分中等規(guī)模落瓦，可見明顯漏頂現(xiàn)象，造成色調(diào)明顯不均勻；屋脊破壞形成顯著亮色紋理；山墻部分墻體倒塌形成小規(guī)模廢墟造成影像局部色調(diào)相對(duì)變化（圖2（e）中的A），屋面四周輪廓形狀呈規(guī)則狀。

嚴(yán)重破壞：圖2（g）、2（h）為漳扎1990年代后期建成的2層磚木結(jié)構(gòu)房屋。地面調(diào)查可見該民居主體為木屋架，且較為完好，一側(cè)山墻全部外閃，其他外墻有部分外閃，震害等級(jí)為嚴(yán)重破壞。影像顯示，自然深色調(diào)的屋面上由于落瓦造成較大面積高亮顯示區(qū)域，房屋其他邊緣輪廓外有因部分墻體倒塌而形成的局部廢墟影像，凌亂的堆積物破壞了原圖像特征造成明顯的明暗相間色調(diào)變化，如圖2（g）B中箭頭所示。

毀壞（未倒塌）：圖2（i）、2（j）為漳扎2010年之后建立的1層磚木結(jié)構(gòu)房屋。地面調(diào)查可見該房屋主體受到嚴(yán)重破壞，屋頂部分坍塌，一側(cè)山墻嚴(yán)重外閃，部分磚石材料堆積房屋外側(cè)，震害等級(jí)為毀壞（未倒塌）。影像上顯示，房屋一側(cè)屋頂扭曲，輪廓不完整，色調(diào)、紋理明顯不對(duì)稱，一側(cè)墻角不規(guī)則高亮色調(diào)與屋頂色調(diào)形成明顯對(duì)比（圖2（i）箭頭所示），塌陷部分屋頂陰影色調(diào)明顯不對(duì)稱分布。

需要說明的是，由于研究區(qū)缺乏毀壞（倒塌）建筑物樣本，本文未給出遙感解譯標(biāo)志，可參考資料②竇愛霞等，2014，地震災(zāi)害遙感評(píng)估（第3部分）：建筑物震害進(jìn)行定量評(píng)估。

2.3 研究區(qū)震害遙感定量評(píng)估

利用2.2建立的建筑物震害遙感解譯標(biāo)志，對(duì)研究區(qū)的建筑物按照4種結(jié)構(gòu)類型和6個(gè)震害等級(jí)逐棟目視判讀，共解譯148棟建筑物及其震害等級(jí)（圖3）。其中，漳扎建筑物結(jié)構(gòu)類型主要為磚混、框架結(jié)構(gòu)，分別占50%、35%；主要震害級(jí)別為輕微破壞（占37.1%）和基本完好（占32.2%），其他包括毀壞（未倒塌）（占3.2%）、嚴(yán)重破壞（占11.3%）和中等破壞（占16.2%）。荷葉建筑物結(jié)構(gòu)類型主要為磚木、磚混結(jié)構(gòu)，分別占48%、30%；主要震害級(jí)別為輕微破壞（占47.7%）和基本完好（占40.7%），其他為中等破壞（占11.6%）。

為定量評(píng)估研究區(qū)總的震害程度，設(shè)單體建筑物各震害等級(jí)的平均震害指數(shù)（王曉青等，2009）分別為：毀壞（未倒塌）1.0，嚴(yán)重破壞 0.9，中等破壞 0.4，輕微破壞 0.2，基本完好 0。對(duì)所解譯的單體建筑物利用式（1）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，得到漳扎和荷葉2個(gè)地區(qū)的遙感震害指數(shù)分別為0.25、0.14，依據(jù)《中國地震烈度表》（中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)等，2009），其烈度估計(jì)值均為Ⅷ度。其中，遙感震害評(píng)估的結(jié)果，在漳扎與地面調(diào)查烈度一致，但在荷葉比地面調(diào)查烈度輕?？傮w來看，無人機(jī)影像判讀結(jié)果顯示，該研究區(qū)建筑物震害主要集中在嚴(yán)重破壞、中等破壞、輕微破壞及基本完好等級(jí)內(nèi)。漳扎研究區(qū)建筑物年代相對(duì)較新，磚混、磚木結(jié)構(gòu)建筑的墻體大多為土、石材料，形成的震害圖像特征較明顯，且該地區(qū)影像為8月13日獲取，地震離逝時(shí)間較短，較為真實(shí)地反映了原生震害程度。荷葉區(qū)域無人機(jī)影像判讀結(jié)果沒有發(fā)現(xiàn)毀壞（未倒塌）及嚴(yán)重破壞類型，由于荷葉無人機(jī)影像為震后9月6日現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查獲取的，此時(shí)，災(zāi)區(qū)部分房屋已進(jìn)行了廢墟清理和房屋修復(fù)（如屋頂瓦重新進(jìn)行了鋪設(shè)）。因此，造成部分建筑物震害遙感解譯結(jié)果相對(duì)于原生震害存在偏輕的現(xiàn)象，且荷葉區(qū)域結(jié)構(gòu)類型大多數(shù)為木結(jié)構(gòu)房屋，相對(duì)抗震性能較好，存在客觀偏輕的因素。

圖3 無人機(jī)建筑物震害等級(jí)判讀結(jié)果

2.4 遙感定量評(píng)估結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證建筑物震害遙感解譯結(jié)果，將其與筆者現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的單體建筑物震害調(diào)查結(jié)果進(jìn)行比較分析，得到表1（漳扎）和表2（荷葉）的無人機(jī)遙感解譯震害與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查震害的比對(duì)混淆矩陣。表1、2的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，與地面真實(shí)震害比較，漳扎研究區(qū)建筑震害遙感識(shí)別總體精度為85%，Kappa系數(shù)為0.8，顯示較高的一致性；荷葉研究區(qū)建筑震害遙感識(shí)別總體精度為72%，Kappa系數(shù)為0.5，顯示中度一致性。表明建筑物震害遙感解譯結(jié)果在漳扎研究區(qū)正確率較高，一致性好，但在荷葉研究區(qū)建筑震害遙感識(shí)別總體精度相對(duì)低一些。

表1 漳扎研究區(qū)建筑物震害遙感解譯與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果對(duì)比

上述驗(yàn)證結(jié)果表明，遙感解譯結(jié)果與地面調(diào)查結(jié)果總體上具有較好的一致性，但也存在一定差別。究其原因，主要是由于無人機(jī)正射鑲嵌影像一般只能直接反映建筑物頂部震害信息，通過建筑物周圍出現(xiàn)的廢墟影像特征可亦間接反映墻體倒塌信息，而建筑物墻體和梁柱等部件的開裂、變形、甚至坍塌等重要現(xiàn)象一般無法反映，這難免造成一定程度的震害等級(jí)錯(cuò)判與輕判；另一個(gè)原因如上所述，震后廢墟清理、部分建筑物屋頂瓦片重新鋪設(shè)等情況使得遙感判讀的建筑物震害等級(jí)相對(duì)偏輕，造成震害指數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果相對(duì)偏小。

表2 荷葉研究區(qū)建筑物震害遙感解譯與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論與討論

本文利用九寨溝地震震后獲取的高分辨率無人機(jī)影像建立了建筑物不同震害等級(jí)的解譯標(biāo)志，并對(duì)荷葉、漳扎研究區(qū)建筑物及其震害進(jìn)行了詳細(xì)逐棟目視解譯，獲取了詳細(xì)的建筑物結(jié)構(gòu)類型和震害結(jié)果信息。利用遙感平均震害指數(shù)對(duì)建筑物震害進(jìn)行了定量評(píng)估，得到了與同一研究區(qū)建筑物震害地面調(diào)查比較一致的結(jié)果。研究表明，利用震后快速獲取的無人機(jī)影像可以為地震應(yīng)急救援和災(zāi)情定量評(píng)估提供重要的參考。

區(qū)別于傳統(tǒng)遙感影像，無人機(jī)影像可以提供更為豐富的震害細(xì)節(jié)信息，可以給出與地面調(diào)查震害等級(jí)類似的結(jié)果。但如果震后無人機(jī)影像獲取時(shí)間較遲，因應(yīng)急救援甚至恢復(fù)重建（典型的如屋面瓦的重新鋪設(shè)）的緣故，原生震害信息可能很快消失，獲取準(zhǔn)確的震害分布的難度會(huì)進(jìn)一步加大。因此，需要震后盡可能快速地獲取災(zāi)區(qū)高分遙感影像。此外，隨著更為豐富的無人機(jī)載荷如傾斜相機(jī)及LiDAR等的廣泛應(yīng)用，預(yù)期可以進(jìn)一步降低對(duì)于建筑物類型和震害等級(jí)誤判的概率。

致謝：中國地震局應(yīng)急搜救中心許建華、張雪華為本研究提供了部分震后高分辨率無人機(jī)影像。四川省地震局申源，中國地震局地震預(yù)測(cè)研究所鄧飛、吳瑋瑩、邵霄怡、陳子翰、吳效勇、陳夢(mèng)等參與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與部分?jǐn)?shù)據(jù)處理。審稿專家給出重要修改意見。在此一并致謝。