基于遙感影像的建筑抗震能力分析
——以張家口萬全區為例1

李 姜 張 合 劉志輝 許 沖

1）河北省地震局，石家莊 050021

2）河北省地震動力學重點實驗室，河北三河 065201

3）中國地震局地殼應力研究所，北京 100085

引言

從近十幾年國內外地震震害來看，房屋破壞是造成人員傷亡和經濟損失的最主要原因。房屋建筑資料等信息一直是災情快速評估的重要基礎，尤其是房屋結構的合理分類，決定著評估結果的準確性（聶高眾等，2002；帥向華等，2009；姜立新等，2012）。

近年來，隨著遙感影像技術的迅速發展，高分衛星遙感分辨率提升至亞米級，為房屋基本信息的快速獲取提供了途徑。王曉青等（2004）和竇愛霞等（2012）通過遙感技術獲取災區震后遙感影像，并提出了遙感震害指數與定量分析模型，成功應用于汶川、玉樹地震等的震害快速定量化評估中。郭建興等（2020）提出了利用遙感影像結合居民地建筑物數據評估地震烈度的方法。馬建等（2020）通過獲取震后高分辨率無人機影像，對房屋進行結構分類和震害解譯。李昌瓏等（2019）利用三維圖像模式識別各類建筑物的數量分布，并建立不同建筑物易損性模型。汶川、玉樹地震等震害多次暴露出我國村鎮房屋抗震能力較脆弱，快速、全面、準確掌握村鎮房屋抗震能力一直是研究的重點方向（周強等，2016；李皓等，2018）。

目前，主要利用遙感影像進行震后房屋震害識別，較少用于房屋抗震能力的研究。因各地房屋結構復雜、形式多樣，實際調查難度大，通過遙感技術快速獲取房屋結構類型等基本信息，對分析房屋抗震能力具有現實意義。劉賈賈等(2019，2021)通過遙感影像對城鎮和農村建筑物進行分類，并根據建筑物分類結果對震害風險進行初步劃分。

本文通過無人機航拍和遙感影像獲取房屋基本信息，通過人機交互方式提取村鎮房屋結構類型，結合實地調查統計得到其他信息，建立當地村鎮房屋抗震能力指數體系，分析村鎮房屋抗震能力。利用遙感影像實現房屋基本信息的快速提取，提高房屋信息獲取的便捷性，且具有較高的準確性和可靠性，對于地震災害損失評估、風險普查、風險區劃等工作具有重要意義。

1 研究區域

張家口市位于河北省西北部，京晉冀蒙交界地帶，是“首都圈”地區地震重點監視防御區和晉冀蒙交界地震重點危險區，屬于張家口?渤海地震構造帶與汾渭地震構造帶交匯地區，具備發生中等破壞性地震的條件和背景（李書進等，2010；張肖等，2019；茅遠哲等，2019）。根據張家口市所處的地理位置、經濟發展情況，部分地區新農村建設發展迅速，按抗震設防建造的房屋抗震能力存在差異。而部分地區發展較慢，存在無抗震能力的舊房，如土木、磚木、土窯結構房屋等（劉龍等，2019）。萬全區位于張家口市西北部，地理位置險要，受地質構造控制，地形北高南低，東西向為西高東低，是川、丘、山并存的地區（圖1），本文以該區域作為研究對象。

圖1 萬全區行政區劃圖Fig. 1 Administrative division map of Wanquan District

2 現場調查

調查數據作為萬全區房屋抗震性能分析的重要基礎數據，為后期房屋抗震能力分析奠定基礎。基于隨機均勻分布原則，對于研究區每個鄉鎮，選取不少于2 個調查點，調查范圍確定了22 個村鎮（圖2），包括新河口村、代家房村、西灣村、武家莊村、新開口村、望虎臺村、劉虎莊村、板山村、陽門堡村、舊羊屯村、吳家窯村、上營房村、西柳林村、洗馬林鎮、萬全鎮、沙家莊村、陳家溝村、高廟堡村、羊窖溝村、岸莊屯村、安家堡村、趙家梁村。采取拍取房屋照片、填寫房屋信息、無人機測航調查點等方式開展調查，普查主要側重于結構類型、抗震設防水平、構造措施等基本情況，詳查是在普查的基礎上，對調查區域內房屋進行隨機抽樣，更加詳細地調查建造年代、層數、用途等信息（周強等，2016）。

圖2 萬全區地貌分區圖與調查點分布Fig. 2 Geomorphic zoning map and distribution of survey points in Wanquan District

3 建筑物數據提取

目前，利用遙感影像提取房屋數據包括人工目視判讀和計算機自動解譯2 種方式。其中，人工目視判讀精度較高，但費時費力，效率較低。計算機自動解譯效率高，但易受周邊背景的影響（趙春霞等，2004）。針對上述方式優缺點，本文采用eCognition 軟件處理與人工目視判讀提取無人機影像圖的房屋信息（劉賈賈等，2019）。

本文以大疆無人機為測航平臺，以Pix4D 軟件為地理空間航片拼接工具，對萬全區村鎮進行抽樣拍攝。所用無人機遙感影像具有高空間分辨率特點，可使地物幾何結構和紋理信息顯示更清晰。從拍攝影像圖來看，研究區內房屋多為紅瓦、青瓦房頂，且房頂多為尖頂，以屋脊為界，向兩側傾斜。無人機遙感影像中的房屋屋頂紋理清晰，形狀規則，顏色與耕地、林地等有顯著區別（胡勇等，2016）。圖3所示為無人機拍攝的調查點影像圖，主要技術流程如圖4 所示。本文以趙家梁村為例進行詳細介紹，由于無人機影像（像素分辨率約為0.12 m）與91 衛圖助手遙感影像（像素分辨率為0.11 m）分辨率接近，其余村鎮采用91 衛圖助手遙感影像進行識別，識別步驟與無人機影像一致。

圖3 無人機拍攝趙家梁村影像圖Fig. 3 Image of zhaojialiang village taken by UAV

圖4 無人機拍攝房屋側面照片Fig. 4 Side photos of houses taken by UAV

影像處理流程如圖5 所示，為提高正確率，采用eCognition 軟件首先對遙感影像進行預處理，分別選擇30、40、50 尺度進行分割。將3 種尺度的分割效果進行對比，發現分割尺度為40 時，建筑物能較好地同其他地物進行區分，提取建筑物較完整，未出現“粘連”現象。由此得出分割尺度為40，形狀指數為0.4，緊密度為0.5。利用特征庫的閾值分類法將建筑物與非建筑物進行區分，與調查結果對比修正后提取影像圖房屋面積。

圖5 影像處理流程Fig. 5 Flow chart of image processing technology

根據實地調查情況，張家口農村地區土木、磚木結構房屋普遍占地面積為40～60 m2，屋頂多為灰瓦小尖頂，顏色較暗沉，房屋進深多為3～4 m。磚混結構房屋占地面積為60～90 m2，屋頂多為灰瓦屋頂，顏色較鮮艷，房屋進深多為4～4.6 m。根據以上特征，采用樣本鄰近分類方法，將房屋類型識別為2 類，分別為土木、磚木結構房屋和磚混結構房屋。

通過人工目視校核和編輯進一步識別房屋類型，對照無人機拍攝的實地房屋側面照片（圖4）與無人機影像圖（圖3）進行對比匹配，最終給出房屋結構和層數提取結果。通過對圖3 進行辨識，將房屋類型劃分為4 類（圖6），包括砌體結構房屋，工業廠房、公共空曠房屋，磚木結構房屋，土、木、石結構房屋。對于一般性居民地，可不考慮工業廠房和公共空曠房屋面積。表1 為計算得出的3 類房屋面積，趙家梁村砌體結構房屋面積為55 478.99 m2，磚木結構房屋面積為21 807.27 m2，土、木、石結構房屋面積為19 233.63 m2。

表1 22 個調查點房屋信息Table 1 House area summary o for 22 survey points

圖6 趙家梁村房屋信息提取結果Fig. 6 Extraction results of house information in zhaojialiang Village

通過無人機遙感影像與91 衛圖助手遙感影像對22 個調查點分別進行房屋結構與面積的提取，并結合實際調查和無人機拍攝房屋側面照片，修正22 個調查點提取的房屋信息數據。因遙感影像無法判斷砌體結構房屋是否設防，故砌體結構房屋中設防房屋與未設防房屋占比通過實地調查得到。

4 房屋抗震能力分析

獲取房屋結構類型比例是分析房屋抗震能力的重要環節。通過建立遙感影像獲取不同類型建筑物面積，得到研究區內建筑物結構比例，結合抽樣調查得到的各影響因素類型和分布比例關系，得出不同時代建筑物面積所占比例及層數所占比例。利用樣本建筑物房屋類型抗震能力指數，分析萬全區建筑物綜合房屋類型抗震能力指數。

4.1 影響建（構）筑物抗震能力的因素

無數震害實例表明，提高建（構）筑物抗震能力是減輕震害最有效的途徑。因此，提高建（構）筑物抗震能力是防震減災重要環節（張風華等，2004；劉莉，2009）。歸納震害經驗，同時考慮建（構）筑物抗震能力影響因素和數據易獲取性，將房屋抗震設防水平、結構類型、建造年代和層數作為抗震能力指標。

4.2 劃分建（構）筑物抗震能力指數等級

根據《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），將建（構）筑物地震破壞分為5個等級，即基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞、毀壞。將建（構）筑物抗震能力量化為抗震能力指數，其代表建（構）筑物抵御地震災害的能力，取值范圍為0～1，數值越大表明抗震能力越好，越小表明抗震能力越差（謝禮立，2006），基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞、毀壞對應的抗震能力指數分別為1.0、0.8、0.6、0.4、0.2。

4.3 建（構）筑物抗震能力指數的確定

《建筑抗震設計規范》（GB 50011?2010）（中華人民共和國住房和城鄉建設部等，2010）規定，地震區建筑必須按規定設防，因此不同的基本烈度地區設防標準不同，震害矩陣也不同。本文依據《中國大陸地震災害損失評估匯編》收集到的1989?2016 年華北片區成災地震的震害記錄和相關數據，參考河北省地震應急基礎數據庫震害矩陣，修改得到適用于本研究區的震害矩陣。根據《地震現場工作 第4 部分：災害直接損失評估》（GB/T 18208.4?2011）（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2011）將房屋類別劃分為鋼結構房屋，鋼筋混凝土房屋，砌體房屋，磚木房屋，土、木、石結構房屋，工業廠房和公共空曠房屋。鑒于張家口地區農村房屋多為砌體房屋、磚木、土木結構房屋，可將房屋類別劃分為A、B、C、D 類，其中A 類為土、木、石結構房屋，包括土墻木屋架的土坯房、磚柱土坯房、土坯窯洞、碎石砌筑房屋；B 類為磚木房屋，包括磚墻、木房架的多層磚木結構、磚木平房；C 類為未設防的砌體房屋，即未經設防的磚砌體房屋；D 類為設防的砌體房屋，即按照Ⅶ度設防的磚砌體房屋，選用的震害矩陣如表2～5 所示。

表2 A 類房屋震害矩陣（%）Table 2 Earthquake damage matrix of A type buildings（Unit:%）

表3 B 類房屋震害矩陣（%）Table 3 Earthquake damage matrix of B type buildings（Unit:%）

表4 C 類房屋震害矩陣（%）Table 4 Earthquake damage matrix of C type buildings（Unit:%）

表 5 D 類房屋震害矩陣（%）Table 5 Earthquake damage matrix of D type buildings（Unit:%）

因遙感影像無法區別設防與未設防的砌體房屋，所以通過實地調查對利用遙感影像提取到的砌體房屋進行分類，即分為C 類或D 類。一般來說，設防的砌體結構房屋所占比例高的地區建（構）筑物抗震能力強。不同地區建（構）筑物抗震能力在很大程度上取決于A、B、C、D 類房屋面積比例。因此，本文采用謝禮立（2006）確定的抗震能力指數公式計算不同地區建（構）筑物震害矩陣：

表6 建造年代修正參考值Table 6 Reference value of building age correction

表7 層數修正參考值Table 7 Corrected reference value of layers

基于上述分析，可以給出某地區建（構）筑物抗震能力指數計算公式為：

式中：a1、a2、a3、a4分別表示1979 年以前、1980?1989 年、1990?1999 年、2000?2019 年建筑物面積占比；b1、b2、b3分別表示平房、2～6 層、7 層以上建筑物面積占比。

建筑物抗震能力等級劃分如表8 所示。

表8 建筑物抗震能力等級劃分Table 8 Classification of seismic capacity of buildings

5 結果分析

本文選取不同類型的建筑物面積數據（表1），得到研究區內房屋結構類型比例，并結合實際調查中的詳查資料，對研究區域內房屋建造年代、層數進行統計與分類，得到22 個調查點房屋建造年代、層數比例，進而計算房屋抗震能力指數。表9 所示為22 個調查點不同結構類型、建造年代和層數對應的抗震能力指數。根據《建筑工程抗震設防分類標準》（GB 50223?2008）（中華人民共和國住房和城鄉建設部，2008），萬全區村鎮抗震設防水平應按Ⅶ度設防。

表9 22 個調查點房屋抗震能力指數Table 9 Seismic capacity index of 22 survey points

根據式（1）～（4）和修正系數得出22 個調查點建筑物抗震能力指數值，如圖7 所示。

圖7 22 個調查點建筑物抗震能力指數對比圖Fig. 7 Comparison of seismic capacity index of buildings in 22 survey points

采用平均數算法得到萬全區房屋抗震設防水平，不同結構類型、建造年代和層數對應的抗震能力指數如表10 所示。

表10 萬全區房屋抗震能力指數Table 10 Seismic capacity index of buildings in Wanquan district

通過式（1）計算萬全區建筑物震害矩陣，從而得到建（構）筑物平均抗震能力指數為：

萬全區建（構）筑物抗震能力指數為：

可得萬全區遭遇VI～Ⅹ度地震時，抗震能力指數為：[0.684 7，0.542 0，0.403 7，0.307 6，0.199 4]。

6 分析與討論

本文利用無人機遙感技術獲得高分辨率遙感影像圖，通過eCognition 軟件處理初步得到建筑物面積及分類，結合無人機拍攝的側面照片，通過人工輔助進行識別與修正，并與實地調查相結合，使提取的村鎮房屋信息數據更準確，為地震災害風險評估和地震風險普查工作提供參考。本文在建筑物抗震能力指數計算中考慮了設防與未設防的砌體房屋情況，得到了較精準的建筑物抗震能力情況。但目前無法通過遙感影像識別砌體房屋是否設防，需通過實地調查確定。本研究村鎮房屋結構較單一，需對進一步提高城市房屋識別正確率進行研究與探索。

由萬全區村鎮建筑物抗震能力指數計算結果可知，萬全區房屋整體抗震能力較弱，以未設防的砌體結構和磚木、土木結構房屋為主。抗震能力指數為0.6～0.7，基本可抵御VI 度地震，當遭遇VI 度地震時，萬全區村鎮建筑物抗震能力為中等，除個別土木結構房屋集中的地區外，房屋不至于大面積損壞，也不會造成巨大損失。當遭遇Ⅶ度地震時，萬全區村鎮建筑物抗震能力較差。

通過對萬全區房屋進行現場調查，發現交通較發達的地方磚木結構房屋較多，偏遠難行的地方土木結構房屋較多。老舊的土窯洞、土木結構房屋由于建設年代較早，抗震性能普遍較差。磚木結構房屋普遍未采取抗震措施，木屋架多為硬山擱檁形式，與墻體無可靠拉結，整體性較差。同時，普遍存在門窗開洞過大、窗間墻過窄的現象，造成墻體抗剪能力減弱、房屋剛度不均勻，對房屋整體抗震不利。房屋多采用石砌基礎，基礎埋深為30～100 cm，部分基礎砌筑不牢，影響房屋抗震性能。普遍存在附屬設施安全隱患，其中出屋面煙囪、門樓、圍墻、挑檐等震后均可能出現掉落、倒塌，進而導致傷人，應予以重視。

地震烈度為VI 度時，萬全區房屋基本完好。地震烈度為Ⅶ度以上時，房屋會發生大面積損壞，由此看來，張家口地區農村房屋抗震性能仍不足，地震風險偏大，防震減災形勢嚴峻，應加大農村地區抗震減災力度。