無人機遙感技術在新疆皮山地震災情獲取中的應用1

李金香 李亞芳 李 帥 譚 明 常想德

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無人機遙感技術在新疆皮山地震災情獲取中的應用1

李金香 李亞芳 李 帥 譚 明 常想德

（新疆維吾爾自治區地震局，烏魯木齊 830011）

2015年07月03日，新疆維吾爾自治區和田地區皮山縣（37.6°N，78.2°E）發生S6.5級地震，震源深度10km。本文利用高性能無人機數據采集平臺獲取災區高分辨率影像數據，結合地震現場震害調查建立建筑物震害遙感解譯特征，采用人工目視解譯完成了災區6個0.01°×0.01°格網評估區房屋類型及損毀程度應急遙感調查，獲取測區地震災情信息。結果表明：測區內房屋結構類型主要包括土木、磚木、磚混結構；倒塌房屋主要為土木結構及個別老舊磚木結構房屋，倒塌和局部倒塌的土木結構房屋占評估區土木結構房屋總數的68%，倒塌和局部倒塌的磚木結構房屋占評估區磚木結構房屋總數的12%；測區磚混結構房屋局部倒塌1間，未倒塌228間，磚混結構顯示出良好的抗震性能，對避免人員傷亡和減少經濟損失起到重要作用。

無人機 遙感 皮山地震 災情

引言

北京時間2015年07月03日09時07分，新疆維吾爾自治區和田地區皮山縣（37.6°N，78.2°E）發生S6.5級地震，震源深度10km。此次地震造成災區各類建筑物大面積破壞，造成巨大的經濟與財產損失。為快速開展震后災情遙感應急調查，工作人員在第一時間利用無人機低空遙感平臺獲取了災區海量高分辨率遙感影像。

地震災情遙感應急調查與一般遙感調查不同，其需要在盡可能短的時間內，以快速獲取的地震災區遙感數據為基礎，采用快速遙感解譯方法獲取盡可能準確的地震災情信息（陳曉清等，2008；童立強，2008；童玲等，2008；陸博迪等，2011）。為此，在本次抗震救災工作中，采用無人機系統平臺，充分發揮其靈活、機動、快速、成本低、操作簡單等特點（龔建華等，2008），在盡可能短的時間內獲取新疆維吾爾自治區和田地區皮山縣皮西那鄉重點災害區域的遙感影像數據，利用本文中的無人機航空遙感數據處理流程解譯出重點災區房屋損毀程度等信息，為及時了解震后災區災害情況提供支持，為災情評估、救援和災后重建工作提供科學決策依據。

1 無人機航空遙感數據的獲取

本次地震重災區主要位于皮山縣。皮山縣隸屬新疆維吾爾自治區和田市，總面積為3.98×104km2，皮山縣為多民族聚居縣，其中少數民族占98.4%，主要以維吾爾族為主體，包含漢、回、柯爾克孜等12個民族。災區中部主要是風積、沖積及傾斜平原區，北部是塔克拉瑪干沙漠，南部是喀喇昆侖山。地震災區范圍內有2—3條規模相對較大的河流，居民生活在河谷地帶，河谷兩側為常年風沙堆積的沙丘。

為快速評估地震重災區災情，工作人員第一時間采用無人機低空遙感信息采集平臺采集皮山縣皮西那鄉遙感數據。無人機低空遙感信息采集平臺有多個不同的種類，使用不同種類無人機進行數據采集，起降時對場地的要求不同，最終調查的區域范圍和調查結果的精度也不一樣。為此，根據調查需求，科學地選擇信息采集平臺、合理地制定航行路線是完成探測任務的首要保證（徐志強等，2009）。在新疆皮山地震災害遙感應急調查中，采用無人機搭載SONY數字相機為傳感器收集地面信息，同時搭載高精度定位定向POS系統以及智能飛行管理系統，以實現無人機飛行過程的實時監控、自動導航和定點曝光，確保完成震區的飛行作業和重災區高精度無人機航空遙感數據源的采集。在本次地震災情遙感應急調查過程中，共采集災區遙感數據9432景。其中，獲取的遙感數據主要參數如表l所示。

表1 遙感影像數據相關參數表

2 無人機航空遙感數據處理

飛行作業結束后，對獲取的9432景無人機航空遙感數據進行處理，完成震區高精度正射遙感影像制作，并進行快速災情遙感解譯。

遙感數據處理主要采用原始航空影像、相機參數、機載POS數據等作為輸入數據，進行正射影像（DOM）制作（梁生甫等，2012）。首先獲取機載POS數據并進行相應的處理，得到每個POS事件的位置（，，）和姿態（，，）參數，POS數據可用來建立航帶內及航帶間模型間的拓撲關系網；其次結合POS數據對原始航空影像進行篩選，去除飛機起降時及質量不高的影像數據；最后進行正射影像制作，包括進行影像的內定向、外定向、正射糾正、正射影像鑲嵌等。影像內定向為針對遙感傳感器系統誤差（如光學畸變差、CCD排列誤差等）對單幅影像進行糾正，進而確定光學相機的內方位元素的過程（盧小平等，2010）；影像外定向即根據相機攝影中心的位置和相機姿態數據進行差分解算得到影像外方位數據；影像正射糾正主要是對航空影像進行投影變換，糾正航攝時產生的像點位移、圖形變形及比例尺不一致等因素，在獲得正射像片的同時將其改化成規定比例尺的過程（尹鵬飛等，2010）。最后進行影像鑲嵌完成災區正射影像制作。測區經處理后的正射影像圖如圖1所示，這些處理后的正射影像數據是開展災區震害判定的基礎資料。

圖1 測區正射影像圖

3 無人機航空遙感數據解譯

3.1 建筑物震害遙感解譯標志的建立

目前在基于遙感影像進行震害信息提取和評估方面，國內外學者已經開展了大量的研究與應用，提出了一系列震害信息定量提取和評估的模型（Mitomi等，2000；Yamazaki等，2004；王曉青等，2009，2015a；魏成階，2009；Wang等，2012），如王曉青等（2008）基于高分辨率遙感影像進行了2008年汶川8.0級大地震遙感應急震害信息評估方法研究，并對實際評估效果進行了評價；竇愛霞等（2009）基于遙感圖像震害特征提出了震害信息提取和評估的組合增強模型；李志強等（2012）基于震后房屋破壞的圖像表現特征，進行了汶川地震房屋損壞快速鑒定研究。考慮到地震災害遙感應急調查及災區建筑物震害快速分析的需要，本次皮山地震災害信息提取從快速產出的角度，通過地震現場震害調查結果與震害遙感影像特征的對比分析，建立地震災區建筑物群體的震害遙感解譯特征，作為震害信息提取的主要依據。

現場調查結果表明，此次測區房屋類型主要為土木結構、磚木結構和磚混結構等。依據中華人民共和國國家標準中《建（構）筑物地震破壞等級劃分（GB/T 24335—2009）》（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2009）及建（構）筑物在遙感影像中的表現特點，對地震災區建筑物震害情況進行遙感影像分析，總結建筑物震害遙感影像特征，作為震害遙感解譯的依據。災區地震現場房屋震害調查結果表明，土木結構房屋包含笆子墻結構、土坯結構等，抗震性能較低；磚木結構多為2008年后國家補貼所建富民安居房，在本次地震中有部分房屋不同程度受損；磚混結構的抗震性能較好。

圖2為地震現場調查照片。圖2（a）為皮西那鄉農經站土木結構房屋倒塌現場調查圖片，圖中房屋承重結構全部損毀，屋頂塌落，整片土木結構房屋全部倒塌，震害嚴重。圖2（b）為皮西那鄉央塔克村13棟笆子墻土木房屋成片倒塌的現場調查圖片，由圖可知，笆子墻土木房屋倒塌特征多為墻體外閃及屋頂塌落，可清晰分辨出倒塌房屋屋頂的木梁及地上塌落的土塊；從圖2（b）中可以看出土木結構的房屋屋頂邊緣具有外延木質房梁，屋頂多為灰色色調，以平頂為主，與表2中遙感影像土木結構房屋特征一一對應。圖2（c）為皮西那鄉烏喀什村磚木房屋局部倒塌的現場調查圖片，由圖可知，磚木結構房屋局部倒塌主要表現為房屋部分區域屋頂塌落，磚木結構房屋形狀規則，屋頂邊緣整齊，部分房屋可見外延木質房梁，與表2中遙感影像磚木結構房屋特征一一對應。圖2（d）為皮西那鄉阿亞各阿孜干村老舊磚木結構房屋倒塌的現場調查圖片，從圖中可見倒塌房屋屋頂的木梁及地上塌落的磚塊，老舊磚木結構房屋屋頂邊緣具有外延木質房梁，房屋規整。圖2（e）為皮西那鄉烏喀什村土木房屋毀壞（左）與磚混結構房屋基本完好（右）的現場調查圖片，由圖可知，磚混結構房屋抗震性能較好，房屋形狀規則，屋頂邊緣整齊，無外延木質房梁。圖2（f）為皮西那鄉央塔克村靶子墻土木房屋倒塌、磚混結構房屋完好的現場調查圖片，由圖2（e）、（f）可知農村磚混結構房屋多為近年新建房屋，房屋按照統一設計施工，房屋大小及外在形狀基本一致，屋頂邊緣整齊，部分具有紅色脊狀屋頂，與表2中遙感影像磚混結構房屋特征一一對應。

根據地震現場調查的房屋類型及外在形態，在獲得的遙感影像上進行房屋類型及損壞程度人工解譯，由地震現場調查結合遙感影像特征可知，土木結構房屋單體房屋形狀多樣，房屋面積大小不一，屋頂邊緣不十分規整，可見鋸齒狀外延房梁且房梁外延多少不等。磚木結構房屋多為2008年后國家補貼所建，房屋形狀較為規整，房屋影像特征為：單體房屋形狀多為長方形，屋頂邊緣整齊，可見鋸齒狀外延房梁且房梁外延長度相同，房屋整齊、美觀程度均優于土木結構房屋。測區磚混結構房屋多為2011年以后新建房屋及政府辦公樓、學校、醫院等公用房屋，抗震性能較高，其影像特征為：房屋多為按要求建設，單體房屋形狀規則，多為長方形，屋頂邊緣整齊，無外延木質房梁。結合各類房屋影像特征（表2）進行測區房屋類型遙感解譯。

表2 皮山地震災情遙感應急調查主要房屋類型及其典型影像

《地震現場工作第3部分：調查規范》（GB18208.3—2011）中根據建筑物的破壞情況共分為5個破壞等級：毀壞、嚴重破壞、中等破壞、輕微破壞和基本完好。毀壞：房屋多數承重構件遭受嚴重破壞，房屋結構瀕于崩潰，土木結構房屋和磚木結構房屋墻倒頂塌；嚴重破壞：土木結構房屋的承重構件遭受嚴重破壞，出現局部倒塌現象，磚木結構房屋和磚混結構房屋多數承重構件嚴重破壞；中等破壞：房屋的多數主體結構、承重墻體出現輕微裂縫，非主體結構及墻體連接處有明顯裂縫。輕微破壞：房屋的個別主體結構局部有輕微裂縫，非主體結構局部有明顯裂縫；基本完好（含完好）：房屋的承重構件完好，個別非承重構件輕微破壞（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2012）。由于測區正射遙感影像受到拍攝角度的影響，只能從房屋屋頂的損毀程度來區分建筑物的損毀程度，因此采用遙感解譯的房屋震害程度與地震現場調查結果略有不同（李云等，2011；王曉青等，2015b）。本文采用人工目視遙感解譯，將測區房屋的損毀程度分為倒塌、局部倒塌和未倒塌。其中倒塌對應地震現場調查規范中的毀壞（倒塌）；局部倒塌對應地震現場調查規范中的毀壞（未倒塌）；未倒塌對應地震現場調查規范中的其他類型（王曉青等，2013）。解譯標志如表3所示。

表3 皮山地震災情遙感應急調查主要破壞類型及其解譯標志

3.2 建筑物震害遙感解譯結果

根據上述建立的測區房屋類型及損毀程度解譯標志進行測區各類房屋震害程度遙感解譯。首先在測區建立0.01°×0.01°格網，將測區進行格網劃分，從北至南隨機選擇覆蓋測區的6個評估區，統計區域內房屋建筑類型及損毀程度，進而了解整個測區房屋震害情況，完成測區地震災害遙感應急調查，獲取測區地震災情信息。測區格網及評估區如圖3所示。

圖3 格網及評估區圖

遙感解譯主要是根據建立的解譯標志，采取在計算機輔助下的人工目視解譯方法進行。在遙感解譯過程中，解譯處理的關鍵技術和絕大部分的工作均由人工完成，以確保遙感解譯結果的精確性。本文工作在ArcGIS軟件平臺上進行，利用遙感圖像可以解譯出每個房屋地理位置、建筑類型及損毀程度，以便于統計評估區內各類房屋損壞程度，掌握災區房屋震害基本信息。最終的遙感解譯結果如表4所示。

表4 評估區建筑物遙感解譯結果

續表

由表4可知，地震造成測區土木結構房屋大量毀壞，評估區中倒塌和局部倒塌的土木結構房屋共計266間，未倒塌房屋共計123間，倒塌和局部倒塌的土木結構房屋占評估區土木結構房屋總數的68%。同時受到正射影像拍攝視角影響，建筑物損毀程度遙感解譯僅從房頂破壞程度判斷，對于內部承重墻及其他部件的損毀難以觀測，故而在解譯結果中未倒塌的建筑物存在嚴重破壞及中等破壞情況。綜合6個評估區土木結構房屋遙感應急調查結果可知，測區土木結構房屋損毀嚴重，易造成人員傷亡和大量經濟財產損失。評估區共有房屋930間，其中土木結構房屋占比最大，主要因為災區為平原綠洲地區，人口稠密，經濟卻相對落后，許多自建的老舊土木房屋依然作為輔助房屋使用，因此土木結構房屋在災區分布較多。災區土木結構房屋的承重構建主要包括土坯砌筑墻體和木架笆子墻兩種類型，多為老舊房屋，年久失修，具有建筑材料強度低、基礎穩定性差等缺陷，同時受建筑施工質量和區域場地條件的影響，地震造成了房屋大面積倒塌。結合地震現場調查可知，測區土木結構房屋倒塌情況主要為：笆子墻房屋大多為墻倒頂塌，土坯墻房屋山墻和前后墻體均倒塌，無完整本墻體。

測區磚木結構房屋倒塌1間，局部倒塌共計35間，未倒塌共計276間，倒塌和局部倒塌的房屋占評估區磚木結構房屋的12%。遙感影像中可清晰分辨出部分老舊磚木及自建磚木結構房屋局部倒塌及房頂掉落現象。磚木結構房屋在地震災區分布較多，主要有老舊磚木結構房屋和自建房及新建磚木結構房屋。結合地震現場調查可知，災區倒塌的磚木結構房屋均為老舊磚木結構房屋，基本完好的磚木結構房屋大多為2008年后新建的磚木結構房屋。

測區磚混結構房屋局部倒塌1間，未倒塌228間，磚混結構顯示出良好的抗震性能。測區范圍內磚混結構房屋數量較少，主要為政府、學校、醫院等公共房屋以及部分新建富民安居工程房屋。磚混結構房屋在本次地震抗震中發揮了重要作用，抗震效果顯著。

4 結論

本文進行了無人機遙感技術在新疆皮山地震災情獲取中的應用研究，以高性能無人機為平臺的低空航空遙感技術在新疆皮山地震抗震救災中發揮了特殊的作用，獲取的9432景遙感數據以及經處理獲得的DOM數據為災區災情信息的快速獲取、人民群眾生活安置和災后規劃重建提供了寶貴的資料。

本次地震災害提取從快速產出角度，通過對地震現場震害調查與震害遙感影像進行對比分析建立建筑物群體震害遙感特征，通過人工目視解譯完成了地震災區房屋類型及損毀程度的應急遙感調查。從北至南隨機選擇覆蓋測區的6個0.01°×0.01°格網評估區，統計區域內房屋建筑類型及損毀程度，獲取測區地震災情信息。測區內的房屋結構類型主要包括土木結構、磚木結構和磚混結構。倒塌房屋主要為土木結構房屋和個別老舊磚木結構房屋，土木結構房屋破壞嚴重，其中倒塌和局部倒塌的土木結構房屋占評估區土木結構房屋總數的68%。倒塌的磚木結構房屋均為老舊房屋，其中倒塌和局部倒塌的磚木結構房屋占評估區磚木結構房屋的12%。測區磚混結構房屋局部倒塌1間，未倒塌228間，磚混結構顯示出良好的抗震性能。

本次地震是新疆近10年來損害最為嚴重的一次地震，地震造成災區大量房屋倒塌，尤其是災區土木結構的房屋損壞十分嚴重，出現了成片倒塌的現象，而災區經濟落后，土木結構房屋又占比較大，因此造成本次地震損失慘重。災區近年來新建的富民安居工程房屋無一倒塌，抗震效果顯著，富民安居工程在地震來臨時，對避免人員傷亡、減少經濟損失和維護社會穩定起到了重要作用。本次地震災區是我國地震高發區，地震形勢十分嚴峻，應繼續加大該區域富民安居工程的投入力度，爭取惠及更多群眾。

致謝：在本文的研究與分析過程中，得到了下列單位及專家的支持：中國科學院新疆生態與地理研究所提供了災區無人機遙感影像數據支持，王曉青研究員給出了寶貴建議，審稿專家給出重要修改意見。在此一并致謝！

陳曉清，崔鵬，程尊蘭等，2008．5·12汶川地震堰塞湖危險性應急評估．地學前沿，15（4）：244—249．

竇愛霞，王曉青，丁香等，2009．遙感圖像震害特征組合增強模型及其算法實現．震災防御技術，4（4）：373—379．

龔建華，趙忠明，2008．四川汶川地震應急無人機遙感信息獲取與應用．城市發展研究，15（3）：31—32，42．

李云，徐偉，吳瑋，2011．災害監測無人機技術應用與研究．災害學，26（1）：138—143．

李志強，代博洋，李曉麗等，2012．紅外熱成像技術在震后房屋損壞快速鑒定中的應用研究．震災防御技術，7（1）：1—11．

梁生甫，王延蓮，劉魯軍等，2012．基于無人機影像的正射影像制作方法．青海大學學報（自然科學版），30（4）：54—58．

陸博迪，孟迪文，陸鳴等，2011．無人機在重大自然災害中的應用與探討．災害學，26（4）：122—126．

盧小平，田繼輝，盧遙等，2010．基于ERDAS9．/ER mapper軟件快速制作航空遙感DOM的方法．河南理工大學（自然科學版），29（1）：56—60．

童立強，2008．“5·12”汶川大地震極重災區地震堰塞湖應急遙感調查．國土資源遙感，（3）：61—63．

童玲，李玉霞，趙忠明等，2008．低空遙感技術與地震堰塞湖監測．中國科學基金，22（6）：335—338．

王曉青，王龍，王巖等，2008．汶川8.0級大地震應急遙感震害評估研究．震災防御技術，3（3）：251—258．

王曉青，王龍，章熙海等，2009．汶川8.0級地震震害遙感定量化初步研究——以都江堰城區破壞為例．地震，29（1）：174—181．

王曉青，竇愛霞，孫國清等，2013．基于綜合震害指數的玉樹地震烈度遙感評估研究．地震，33（2）：1—10．

王曉青，竇愛霞，王龍等，2015a．2013年四川蘆山7.0級地震烈度遙感評估．地球物理學報，58（1）：163—171．

王曉青，黃樹松，丁香等，2015b．尼泊爾8.1級地震建筑物震害遙感提取與分析．震災防御技術，10（3）：481—490．

魏成階，2009．中國地震災害遙感應用的歷史、現狀及發展趨勢．遙感學報，13（S1）：332—344．

徐志強，楊建思，姜旭東等，2009．無人機快速獲取地震災情的應用探索．地震地磁觀測與研究，30（5）：66—70．

尹鵬飛，尹球，陳興峰等，2010．無人機航空遙感技術在震后災情調查中的應用．激光與光電子學進展，47（11）：112802．

中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，2009．GB/T 24335—2009建（構）筑物地震破壞等級劃分．北京：中國標準出版社．

中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，2012．GB/T 18208.3—2011地震現場工作第3部分：調查規范．北京：中國標準出版社．

Mitomi H., Yamazaki F., Matsuoka M., 2000. Automated detection of building damage due to recent earthquakes using aerial television images. In: Proceedings of the 21st International Asian Conference on Remote Sensing. Tokyo: Tokyo Tech Research Repository, 401—406.

Wang X. Q., Dou A. X., Jin D. J., et al., 2012. Study on the cooperation of building damage extracted from different RS images acquired after 2010=7.1 Yushu, Qinghai, China earthquake. In: Proceedings of the 2012 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium (IGARSS). Munich, Germany, 935—938.

Yamazaki F., Kouchi K., Matsuoka M., et al., 2004. Damage detection from high-resolution satellite images for the 2003 Boumerdes, Algeria earthquake. In: Proceedings of the 13th World Conference on Earthquake Engineering. Vancouver, BC, Canada: WCEE, 2595—2608.

李金香，李亞芳，李帥，譚明，常想德，2017．無人機遙感技術在新疆皮山地震災情獲取中的應用．震災防御技術，12（3）： 690—699．

Application of Remote Sensing Technology of UAV in the Acquisition of Earthquake Disaster in Pishan, Xinjiang

Li Jinxiang, Li Yafang, Li Shuai, Tan Ming and Chang Xiangde

(Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China)

On July 3, 2015, an earthquake (S6.5) occurred near Pishan county (37.6°N, 78.2°E), Hotan Prefecture, Xinjiang Uygur Autonomous Region of China. The focal depth is 10km. In this paper, we use high performance UAV data acquisition platform to obtain the high resolution image data in disaster areas, and establish the remote sensing characteristic features of earthquake disaster based on the field investigation of earthquake damage, and then we use the method of artificial visual interpretation to investigate the building type and the building damage extent in six 0.01°×0.01° degree grid assessment districts to access the earthquake disaster information. The results revealed that the building structure types in the survey area mainly include civil structure, brick-wood structure and brick-concrete structure. The collapse building types mainly include civil structure buildings and individual old brick-wood structure buildings. The collapse and partial collapse of the civil structure building accounted for 68% of the total number of civil structures, and the collapse and partial collapse of the brick-wood structures building accounted for 12% of the total number of brick-wood structures in the assessment area. There is only one brick-concrete structure building collapsed and 228 did not collapse. Brick-concrete structure buildings show good anti-seismic performance and play the important role in avoiding casualties and reducing economic loss by the earthquake.

UAV; Remote sensing; Pishan Earthquake; Disaster

10.11899/zzfy20170324

新疆地震科學基金項目（201510），地震應急青年重點任務（CEA_EDEM-201511），中國地震局地震行業科研專項（2013419018）

2016-08-05

李金香，女，生于1984年。工程師。主要從事地震應急與遙感震害監測研究。E-mail：ljxhappy365@163.com