Google Earth在村鎮(zhèn)民居調(diào)查中的應(yīng)用研究★

趙 杰 宮靜芝

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.山西省地震局昔陽地震臺，山西 昔陽 045300； 3.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

1 概述

我國是地震多發(fā)國，大陸發(fā)生的地震具有頻度高、分布廣、破壞嚴重的特點。為了減輕地震災(zāi)害造成的人員的傷亡、經(jīng)濟損失等，我國制訂了《中華人民共和國防震減災(zāi)法(修訂)》，各省出臺了“建設(shè)工程抗震設(shè)防條例”，對建設(shè)工程的抗震設(shè)防提出了要求。以2015年1月1日施行的《山西省建設(shè)工程抗震設(shè)防條例》為例，其要求重大建設(shè)工程和可能產(chǎn)生嚴重次生災(zāi)害的建設(shè)工程應(yīng)達到省地震工作主管部門確定抗震設(shè)防要求，其他建設(shè)工程滿足地震小區(qū)劃圖或者中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖的抗震設(shè)防要求。由于村鎮(zhèn)地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展水平較低、建房未納入規(guī)范管理，且建造房屋一般無正規(guī)的設(shè)計和施工，廣大村鎮(zhèn)民居是基本不設(shè)防的，歷次地震中災(zāi)害面積最廣的是村鎮(zhèn)，在農(nóng)村居住的8億人口中約6.5億處于基本烈度為6度的地震危險區(qū)[1]，“小震致災(zāi)”“大震大災(zāi)”是我國村鎮(zhèn)地區(qū)地震災(zāi)害的典型特征[2]。結(jié)合“美麗鄉(xiāng)村”建設(shè)和“確保農(nóng)村貧困人口到2020年如期脫貧”的政策要求，對村鎮(zhèn)房屋進行基礎(chǔ)調(diào)查，對不同地域各種結(jié)構(gòu)類型房屋進行抗震能力評價，可為村鎮(zhèn)地震災(zāi)害風險評估、震后人員傷亡快速評估提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。Google Earth是一個具有專業(yè)功能的大眾化地理信息平臺，其集成了高分影像、地形、道路、行政區(qū)劃、地名、人口經(jīng)濟等各種信息，并且具有距離、面積、角度量測、標注、編輯等各種強大的功能，在村鎮(zhèn)民居調(diào)查工作中可以發(fā)揮獨特的作用。

2 Google Earth在村鎮(zhèn)民居調(diào)查中的應(yīng)用方法

Google Earth是2005年由Google公司推出的一款三維影像和矢量地圖服務(wù)軟件[3]，其數(shù)據(jù)豐富、界面友好、使用簡便，除了大眾化領(lǐng)域外，也廣泛應(yīng)用于野外科考、科研等領(lǐng)域。Google公司于2015年宣布Google Earth Pro以后完全免費，與免費版相比，Google Earth Pro支持更多測量工具、更高打印分辨率、更多圖層、更強導入功能、錄制高清視頻等，進一步提升了其應(yīng)用能力。在村鎮(zhèn)民居調(diào)查過程中，Google Earth可在調(diào)查規(guī)劃、基于高分影像的民居識別和統(tǒng)計、民居三模型展示等方面發(fā)揮作用。

2.1 調(diào)查規(guī)劃

村鎮(zhèn)農(nóng)居數(shù)量成千上萬，類型千差萬別，在以省為單位的調(diào)查中一般采用抽樣調(diào)查、實地調(diào)查和問卷調(diào)查相結(jié)合的方式。實地調(diào)研需要組織人員實地走訪村鎮(zhèn)住戶，通過觀察、詢問、量測、取樣等方式，對村鎮(zhèn)民居的建造時間、施工工藝、建材選取、結(jié)構(gòu)形式、造價、抗震設(shè)防及加固、對房屋抗震能力等方面進行詳細調(diào)查。通常來講，不同地區(qū)的民居建造類型主要受以下因素影響：先天條件，包括氣候、地貌、生活習慣、周邊可便宜采用的材料；后天條件，包括當?shù)亓餍械慕ㄖ牧?、施工條件和技藝、經(jīng)濟發(fā)展水平等。各地自然條件稟賦不同、經(jīng)濟發(fā)展水平差異很大，為了減少抽樣調(diào)查時的偏差，必須提前規(guī)劃好樣本總體，確保子總體的同質(zhì)性和不同子總體的異質(zhì)性。通過Google Earth將不同的相關(guān)數(shù)據(jù)源集成到三維虛擬地球平臺上，比如12月和7月月均氣溫、歷年GDP數(shù)據(jù)、森林覆蓋度、地質(zhì)圖、土地覆蓋、交通、居民點、POI、歷年人口等數(shù)據(jù)，結(jié)合其自身的地形、照片、多時相影像，工作人員可根據(jù)農(nóng)居建造的相關(guān)因素指標來規(guī)劃調(diào)查區(qū)域的分區(qū)。以山西省為例，調(diào)查區(qū)域可以在第一層次上分為晉北、晉中、晉南，第二層次上分為山地、平原、丘陵，第三層次上分為石材區(qū)、木材區(qū)、黃土區(qū)等，綜合考量即可合理規(guī)劃子樣本空間分區(qū)。

2.2 基于高分影像的民居識別和統(tǒng)計

高分辨率多時相影像是Google Earth最突出的優(yōu)勢。在村鎮(zhèn)農(nóng)居調(diào)查中，房子的年代、層高、面積、數(shù)量等特征可以在Google Earth影像上通過目視解譯、變化檢測、量測等方式得到。

以山西省大同市大同縣許堡鄉(xiāng)許堡村為例，1989年10月18日，大同縣、陽高縣交界處的堡村、西團堡村、貴仁村等村莊，發(fā)生里氏6.1級地震，大同縣冊田鄉(xiāng)的堡村是此次地震的震中，村內(nèi)1 000多間土窯全部倒塌。之后，在國家和全國人民的共同資助下，不同許多村民在原址重建家園，磚木結(jié)構(gòu)房屋讓大家告別了原始的土窯。然而，1991年3月26日,1999年11月1日，堡村先后又發(fā)生了里氏5.8級、5.6級兩次地震，10年內(nèi)發(fā)生了三次地震，后經(jīng)鑒定堡村實施整體搬遷至大同縣許堡鄉(xiāng)[4]。在Google Earth上定位至該地點，如圖1所示，其提供了從2009年至2016年年底共7個不同時間點的影像，影像分辨率基本可以識別到房屋、院墻、屋頂顏色、紋理、坡頂特征等，房屋面積和數(shù)量可以較準確地量測和識別，通過滑動時間控制條、對照房屋日照陰影可以很快看出該村東南角在2009年至2012年新建一棟3層～4層的樓房。在實地調(diào)研時，可以建立房屋特征和影像特征的對照關(guān)系，為日后通過高分影像解譯房屋特征提供樣本。此外，無人機航拍已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)在的農(nóng)居調(diào)查中，拼接影像導出后可以添加到Google Earth中查看[5]，亞米級影像能夠提供更多的房屋信息。

2.3 民居三模型展示

根據(jù)村鎮(zhèn)民居實地調(diào)查可以得到某一地區(qū)幾類房屋的基本結(jié)構(gòu)特征、建造方式、材料等信息，通過三維建模的方式可以更直觀的表達出來，是典型農(nóng)居展示、三維情景構(gòu)建必須可少的步驟。建筑物建模方式包括基于AutoCAD和3DMax的建筑物三維建模、基于三維激光掃描數(shù)據(jù)的建筑物三維建模、基于傾斜航空影像的建筑物三維建模、基于規(guī)則進行三維建模等方法，在村鎮(zhèn)農(nóng)居調(diào)查中，可以采用Sketch Up進行三維建模，與Google Earth無縫集成，模型添加地理坐標后，可以直接添加在Google Earth的準確位置上進行展示。Sketch Up最突出的特點是使用簡便，在2013年前由谷歌出售給天寶公司前的版本均可以免費使用，村鎮(zhèn)農(nóng)居結(jié)構(gòu)較為簡單，建模要求比較低，使用Sketch Up可以提升工作效率。此外，其他建模軟件建造的模型也可以導出為Collada的文件格式添加到Google Earth中。

3 結(jié)語

村鎮(zhèn)農(nóng)居調(diào)查是震害防御與預(yù)測、地震災(zāi)害應(yīng)急評估、農(nóng)村震害風險評估、新農(nóng)村建設(shè)規(guī)劃、抗震加固改造的基礎(chǔ)性工作，快速、高效、經(jīng)濟、科學地獲得農(nóng)居建筑的完備信息具有重要意義。Google Earth可以應(yīng)用于農(nóng)居調(diào)查規(guī)劃、基于遙感影像的民居識別和統(tǒng)計、民居三模型展示等，其作為大眾化地理信息工具可以提供專業(yè)級功能，簡單易用的特性使其可在農(nóng)居調(diào)查的各個階段發(fā)揮作用，提升村鎮(zhèn)農(nóng)居調(diào)查的工作效果?；贕oogle Earth進行二次開發(fā)構(gòu)建震后災(zāi)害情景需要在以后作更深入的研究。

[1] 周 安,孫 潔,楊 勇.基于抽樣調(diào)查的安徽農(nóng)村民居震害預(yù)測與減災(zāi)對策[J].地震學報,2009,31(1):102-120.

[2] 李書進,毛 羚,陶禮龍,等.湖北農(nóng)村民居抗震性能調(diào)查與分析[J].震災(zāi)防御技術(shù),2010,5(1):116-124.

[3] 趙 杰,楊 斌.直接利用Google Earth進行數(shù)字化的方法[J].科技信息,2013(34):265-266.

[4] 王 雁.“大陽”地震村的真情回報[EB/OL].http://www.sxrb.com/sxjjrb/erban_0/2719891.shtml.2017-12-09.

[5] 趙 杰,張聰聰.無人機航空攝影測量影像數(shù)據(jù)快速處理方法[J].山西建筑,2016,42(25):191-192.