新疆拜城MS5.4 地震無人機遙感快速災情獲取與分析1

李金香 譚 明 孫甲寧 吳國棟 趙江濤 李 波

（新疆維吾爾自治區地震局, 烏魯木齊 830011）

引言

北京時間2021 年3 月24 日5 時14 分，新疆阿克蘇地區拜城縣發生MS5.4 地震，震源深度10 km。地震造成拜城縣3 人死亡，65 戶房屋不同程度受損。地震發生后，新疆維吾爾自治區地震局現場工作隊深入災區各縣6 個鄉（鎮、場）30 個村共計43 個調查點核實災情。目前政府和社會對災情信息的時效性要求越來越高，僅靠實地調查難以滿足現場工作的需求，遙感技術作為信息獲取的重要手段之一，在應急救援工作中發揮了重要作用（Lin 等，2015；王曉青等，2015）。無人機具有快速、機動、靈活、成本低、便于攜帶等特點（鄧飛等，2018），可在短時間內獲取極災區高精度遙感數據（徐志強等，2009；尹鵬飛等，2010），曾多次應用于災情信息提取工作中（童立強，2008；和仕芳等，2016；于江等，2018）。如李瑋瑋等（2016）基于無人機傾斜攝影技術對云南魯甸地震建筑物震害及地震地質災害信息進行了提??；付博等（2018）利用微型無人機對阿克陶地震震害信息進行了提取；袁小祥等（2017）、荊帥軍等（2019）基于無人機傾斜攝影技術對九寨溝地震震害信息進行了提??；張雪華等（2019）基于無人機影像及其點云特征對北川老縣城地震遺址的建筑物震害信息進行了提??；顧詩瑤等（2021）基于無人機傾斜攝影技術對長寧地震建筑物震害信息進行了提?。欢藕茋龋?021）基于無人機影像對云南漾濞地震震害信息進行了識別。

為配合現場調查，快速開展震后災區無人機遙感災情獲取與分析，新疆地震局無人機航拍小組第一時間利用無人機對極災區進行航拍，采集遙感影像并及時處理，用于解譯極災區地表破裂、房屋破壞等信息，為及時了解震后災區災害情況提供信息，為災情評估和災后重建工作提供科學決策依據。

1 震區基本情況

本次地震震中位于拜城縣，拜城縣隸屬于新疆維吾爾自治區阿克蘇地區，東與庫車縣毗鄰，西與溫宿縣接壤，南隔卻勒塔格山與新和縣相望，北依天山與昭蘇、特克斯縣相連，氣候特點屬溫帶大陸性干旱型氣候，冬季寒冷，夏季涼爽。境內有木扎提河、喀普斯浪河、喀拉蘇河等水系，縣轄4 鎮10 鄉、1 個管委會。

本次地震災區地形復雜，地處天山南麓中段、卻勒塔格山北緣的山間帶狀盆地、渭干河上游流域。四周群山環抱，北部為天山主干，南部為卻勒塔格山，東部為庫車達坂，西部有疊山洪溝。地震災區位于木扎爾特沖洪積平原，地勢開闊平坦，總體地勢西高東低、北高南低，由西北向東南傾斜（圖1）。災區震中位置、地形地貌如圖1 所示，采用ArcGIS 在線地圖作為地圖底圖，圖中同時標示了微觀震中和宏觀震中位置。地震發生后，通過地震現場考察，勾畫等震線，確定的震中位置叫做宏觀震中，宏觀震中是地面上破壞最嚴重的位置。本研究對宏觀震中附近災區進行了無人機遙感快速災情獲取與分析。

圖1 震區位置、地形地貌Fig. 1 Earthquake location and topography map

災區房屋結構類型主要為磚木結構和農村安居工程房屋。磚木結構類型房屋主要分布在農村、鄉鎮附近，多為居民自建房，房屋墻體由黏土磚和砂土泥漿砌筑，無圈梁及構造柱等抗震措施，抗震能力差；安居工程房屋按照抗震設防規范設計施工，抗震能力較好。

2 無人機航空遙感數據獲取與處理

為快速評估地震災情，無人機航拍小組第一時間采用大疆Phantom 4 RTK 型無人機采集災區遙感數據。大疆Phantom 4 RTK 型無人機是小型多旋翼高精度航測行業級無人機，具備高精度RTK 導航定位系統，采用實時差分定位技術，可實現厘米級定位，免去傳統作業中的像控點布設，簡化了作業流程（藺建強等，2021），同時可實時記錄精確位置、姿態、置信度、鏡頭標定參數等重要信息，支持多場景下作業與后處理需求。配備2 000 萬像素廣角相機，可實現飛行過程實時監控、自動導航與定點曝光，確保完成震區飛行作業。

2.1 遙感數據獲取

本次地震應急無人機航空遙感數據獲取流程如下：

（1）儀器準備：檢查大疆Phantom 4 RTK 型無人機，確保系統正常，調整軟件參數，確保安全。為確保航測效率，保證場地可充電。分別啟動遙控器和無人機，進行IMU 和指南針校準。

（2）勘察現場：勘察現場地形，觀察測區地物分布，確定航測區域、飛行器高度，制定航線。經勘察，航拍區域建筑物均沿道路兩側呈帶狀分布，本次航拍以道路為中心線，沿建筑物分布方向設縱向航線，航線方向平行于測區長邊，以減少無人機轉彎次數，提高效率。航拍區域建筑物以單層為主，無大型建筑，然而林帶樹木較高，為確保飛行安全，設立飛行高度為100 m，航行速度為7 m/s，定點拍攝，完成動作后返航，返回高度為50 m。云臺角度為?90°，航測正射影像。航向重疊度為60%～80%，旁向重疊度為60%～70%，確保建圖精度。飛行中注意飛行參數，如RTK 狀態、遙控器信號強度及電量等，保持對飛機目視觀察，保證飛行安全。

（3）無人機航測：無人機按規劃好的航線飛行并自動測繪。當電量不足或其他原因導致單架次無法完成航線任務時，可自動返航降落，系統記錄航線中斷點，再次執行任務時，調用當前任務即可繼續斷點續飛。

本次地震應急無人機航拍區域范圍及航線如圖2 所示，圍繞宏觀震中及實測地表破裂帶，航拍宏觀震中附近震害嚴重的4 個居民區，航拍日期為2021 年3 月26 至27 日。采用定點拍攝，共采集災區遙感數據2 072 景，影像分辨率為5 cm。因起降、風速等因素影響，航帶內存在部分區域拍攝間距不均勻的現象。

圖2 無人機航拍范圍及航線Fig. 2 UAV aerial photography range and route map

2.2 遙感數據處理

采用無人機數據處理軟件PhotoScan 對獲取的無人機遙感數據進行處理，形成具有地理位置的全區域高精度遙感影像，進而進行快速災情遙感解譯。數據處理方法如下：首先將無人機影像數據導入軟件，軟件可自動讀取影像中的POS 信息；然后進行影像對齊分析、同名點匹配、密集點云生成、網格生成、紋理生成、模型建立；最終生成DEM 圖及正射影像圖（圖3），為災情遙感解譯提供基礎。

圖3 災區無人機正射影像圖Fig. 3 Orthophoto map of UAV in disaster area

3 地震災情無人機遙感監測與分析

3.1 地表破裂帶

本文根據拜城地震后獲取的無人機高分辨率遙感影像對地震造成的地表破裂進行解譯，結合地面調查勘測獲得地表破裂的空間分布特征。

拜城地震發生后，中國地震臺網中心（CENC）、中國地震局地球物理研究所（CEA-IGP）、防災科技學院地球科學學院萬永革研究員課題組及德國地學中心（GFZ）采用不同方法和數據計算本次地震的震源機制解，得出矩張量反演結果（表1）。震源深度較淺也是本次地震震害較嚴重的原因之一（解孟雨等，2021）。

表1 拜城MS5.4 地震震源機制解參數Table 1 Focal mechanism solution parameters of the Baicheng MS5.4 earthquake

震區主體位于庫車坳陷內，是塔里木盆地北緣構造活動最強烈地帶之一，歷史上發生多次強破壞性地震，最大地震為1949 年庫車7?級地震（沈軍等，2006），距今最近的是2020 年3 月23 日新疆拜城MS5.0 地震，震中距約6 km。本次拜城MS5.4 地震產生近5 km 長的地表破裂帶，主要分布在拜城縣老虎臺鄉，近500 m長的破裂帶分布在木扎爾特河西岸河流階地面上，破裂帶總體走向NE54°～NE68°，由2 組NNE 向張裂縫和NE 向左旋剪切裂縫雁列組成，其性質與南北向主壓應力場構造一致。本次地震地表破裂帶具有左旋走滑特征，主要表現為地表裂縫和相對水平移位。在拜城地震現場調查過程中，多名現場調查隊員協同工作，采用測量儀器對地表破裂帶位置及走向進行精確定位測量，測量結果如圖4 所示。

圖4 地表破裂帶的空間分布和分段特征Fig. 4 Spatial distribution and segmentation characteristics of surface rupture zone

為更好地了解災區特征，現場科學考察工作與地震現場調查工作同步進行，科研人員采用開挖探槽的方法精確識別災區場地類別及地表破裂帶內在特征，宏觀震中附近開挖的探槽剖面如圖5 所示，圖中可見多條豎向裂縫，展示了地表破裂帶的地下深層結構，說明地震動產生了強大破壞力。圖5 中①層為腐殖質層，②層為粉土層，③層為礫石層，災區場地土層為上覆粉土，下伏沖積河床相卵礫石、漂礫，為Ⅱ類場地。

圖5 地表破裂帶附近開挖探槽Fig. 5 Trench excavation near surface fracture zone

無人機遙感影像目視解譯是根據影像中地物的光譜、紋理等影像特征進行地物識別，判斷地物類別和特征屬性。地震產生的地表破裂本身在結構特征方面與鄰區存在較明顯的差異，顯示為影像色調和紋理結構的細微變化（張景發等，1996），根據這些影像特征和野外調查建立解譯標志，綜合實踐經驗進行分析，采用遙感手段解譯地表破裂信息，研究地表破裂帶的各類特征（Ganas 等，2001；盧善龍等，2008；董彥芳等，2012；陳順云等，2014）。對拜城地震無人機遙感影像進行目視解譯，地表破裂帶無人機影像與現場調查對比如圖6 所示。

圖6（a）為開普臺爾哈納村4 組地表破裂帶無人機影像，地理位置位于圖4 中a點。經遙感影像目視解譯可知，地表破裂帶顏色與周邊地物差異明顯，呈黑色調，紋理結構清晰，呈線性分布，圖中地表破裂帶由多條線狀分布破裂組成，地表破裂帶通過道路、房屋和院落，所經之處的道路被錯斷，大門倒塌，老舊磚木結構房屋損毀，院落地面破壞，院中花臺出現貫穿裂縫。圖6（b）為對應區域現場調查結果，可知林帶和道路出現連貫線狀裂縫，經測量破裂帶走向為鏡向NE44°，其性質與南北向主壓應力場構造一致。

圖6（c）為科克亞村3 組地表破裂帶無人機影像，地理位置位于圖4 中c點。經遙感影像目視解譯可知，地表破裂帶顏色呈黑灰色，紋理結構清晰，地表破裂帶由2 條破裂組成，地表破裂帶通過院墻、房屋和院落，所經之處的院墻倒塌，老舊磚木結構房屋地表裂縫處墻體外閃，損毀嚴重。地表破裂帶未穿過的安居富民房基本完好，院落地面破壞。圖6（d）為對應區域現場調查結果，可知2 條破裂帶端點處墻體倒塌，院落出現連貫裂縫，經測量破裂帶走向為鏡向SW。

圖6 地表破裂帶無人機影像與現場調查對比Fig. 6 Comparison between UAV image and field investigation in surface rupture zone

圖6（e）為科克亞村2 組地表破裂帶無人機影像，地理位置位于圖4 中b點。經遙感影像目視解譯可知，地表破裂帶顏色呈黑色，地表破裂帶裂縫寬度不均，紋理結構較清晰，由1 組裂縫雁列組成，影像特征明顯。圖6（f）為對應區域現場調查結果，可知地表破裂帶通過農田，經測量，地裂縫寬約11 cm。地表破裂帶穿過的地物均遭受嚴重破壞。

綜上所述，遙感解譯震害特征為：該地表破裂帶穿過的地物多被毀壞，距破裂帶越遠，震害越輕。結合地面測量，地表破裂長約5 km，具有明顯的左旋走滑特征。震區主體位于庫車坳陷內，屬于塔里木盆地北緣第1 排褶皺斷裂帶，拜城地震表明天山正在經歷剪切變形。

3.2 房屋建筑損毀分析

拜城地震造成地表破裂帶附近房屋嚴重破壞，本次地震應急無人機遙感災情監測主要航拍了地表破裂帶穿過的村莊，數據采集主要分為無人機飛行高度100 m 正射拍攝和無人機飛行高度40 m 、∠30°傾斜拍攝，從屋頂和側立面多個角度獲取房屋建筑破壞影像。相比單一的正射影像，僅可看到屋頂破壞情況，正射加斜視可更好地識別建筑物頂面和側立面紋理特征，更加全面地判斷建筑物破壞等級。同時，地震現場聯合工作隊在災區范圍內開展現場調查工作，結合GPS 手段對航拍區域每棟建筑物進行現場災害詳查，完成天地一體化立體災情監測與分析。

圖7 所示為房屋建筑無人機影像與現場調查對比，圖7（a）為無人機飛行高度100 m 正射拍攝的地表破裂帶附近老舊磚混結構房屋，可以看出在強烈的地震作用下，房屋女兒墻普遍存在不同程度的破壞，房屋周邊可見大量倒塌磚塊，正射影像僅可識別房屋頂面破壞信息，對于房屋整體破壞情況了解不全面。圖7（b）為對應區域現場調查結果，可知該房屋建筑無構造柱、無上圈梁，抗震構造措施不滿足設防要求，且不滿足安全使用要求，在地震作用下，造成房屋上部側向錯位與傾斜，房屋門窗上角、下角斜向貫穿裂縫，房屋整體損毀嚴重，無法繼續使用。周邊涼棚支柱在地震作用下傾斜，傾斜方向與房屋傾斜方向一致。

圖7（c）為無人機飛行高度100 m 正射拍攝的地表破裂帶附近老舊磚木結構房屋，可見房屋周邊倒塌磚塊，房屋兩側墻體傾斜，棚頂出現多條橫向拉張裂縫，房屋墻體承重構件破壞嚴重。圖7（d）為對應區域現場調查結果，可知該房屋為牲畜養殖用房，為磚木結構，墻體為磚砌體，屋頂為木梁承重，在地震作用下，房屋產生較大變形，橫墻及支撐柱傾斜，屋頂部分塌陷，房屋整體損毀嚴重，旁邊小工具房在傾倒墻體擠壓及地震作用下，整體傾斜。

圖7 房屋建筑無人機影像與現場調查對比Fig. 7 Comparison between UAV image of house building and field investigation

圖7（e）、7（f）為無人機飛行高度40 m 、∠30°傾斜拍攝影像，可從屋頂和側面獲取房屋建筑破壞信息。地震地表破裂帶附近老舊房屋均為農牧民自建磚木房屋，建造年代較早，房屋墻體由黏土磚和砂土泥漿砌筑，無圈梁及構造柱，抗震構造措施不滿足設防要求，抗震能力差。部分房屋存在腐蝕酥堿現象，在此次地震中遭受局部破壞，震害特征以屋面及檐口大量塌落為主，磚木自建房是此次地震的破壞主體。附近的安居房屋絕大部分基本完好。圖7（e）、7（f）中院落圍墻部分損毀嚴重，呈整體傾倒現象，圍墻建造中缺少地基或地基過淺，在地震作用下，使墻體喪失穩定性而整體傾倒。因此，應定期開展農村居住房屋隱患排查、維修加固，進而減輕災害損失。

地震造成的建筑物破壞是地震災害的直接反映，救災帳篷是重大地震等自然災害發生后安置災民的重要裝備，其災后分布及隨時間的變化在一定程度上可反映受災人員數量和安置情況（徐岳仁等，2009；吳瑋等，2015）。此次地震地表破裂帶穿過的房屋大多毀壞，無法繼續使用，距破裂帶越遠，房屋震害越輕。在地震中受損嚴重的房屋，震后屋內人員全部搬遷。無人機航拍的震后轉移安置點如圖8 所示，由圖8 可知，藍色救災帳篷整齊規劃，搭建在開闊地帶，為轉移安置居民提供了臨時居住地點，展示了政府快速有力的救災能力。

圖8 轉移安置點無人機航拍影像Fig. 8 Aerial image of UAV at transfer resettlement site

3.3 交通系統破壞分析

拜城地震產生的地表破裂帶基本呈線性展布，破裂左旋錯斷道路，造成13 km 村道局部破壞。本次地震中應急無人機遙感災情監測航拍了道路震害信息，同時地震現場聯合工作隊結合GPS 手段在災區范圍內開展道路震害詳查，交通系統無人機影像與現場調查對比如圖9 所示。

圖9（a）為無人機航拍的科克亞村2 組路面破裂正射影像，可知地表破裂帶穿過村莊道路，路面破裂處顏色與完好路面差異明顯，呈黑色，紋理結構清晰，破裂產生大小不一的破碎塊體，造成路面局部破壞。圖9（b）為此處道路震害的現場調查結果，可以看出道路出現連貫線狀裂縫，在地震作用下，裂縫周邊產生多個破碎塊體，經車輛來回碾壓，塊體移位且更加破碎化，經測量破裂帶走向為鏡向NE，與南北向主壓應力場構造一致。

圖9 交通系統無人機影像與現場調查對比Fig. 9 Comparison between UAV image of traffic system and field investigation

圖9（c）為無人機航拍的科克亞村2 組另一處路面破裂正射影像，可知路面破裂處呈較寬的黑色紋理，破裂線性分布，整齊明顯，未產生路面破碎塊體，道路整體呈左旋錯動。圖9（d）為此處道路震害的現場調查結果，可以看出道路出現連貫線狀裂縫，原本對齊的路面在地震作用下左旋錯動移位，經測量路面錯動約10 cm。

圖9（e）為無人機航拍的科克亞村3 組路面破裂正射影像，可知路面破裂處呈較寬的灰色帶狀紋理，破裂呈階梯狀分布，路面產生細小破碎塊體。圖9（f）為此處道路震害的現場調查結果，可以看出道路出現分段破壞現象，原本平整的路面在地震作用下出現階梯狀破裂，在燈光照射下，地表破裂帶處產生燈光陰影區，與平整路面色調差異明顯。經測量科克亞村3 組路面破裂為鏡向N。

4 結論

利用無人機進行新疆拜城MS5.4 地震災區應急航拍，對災區地表破裂帶、房屋建筑及交通系統震害信息進行無人機遙感監測與分析，主要結論如下：

（1）為快速評估地震災情，無人機航拍小組第一時間采用大疆Phantom 4 RTK 型無人機低空遙感信息采集平臺采集災區遙感數據。共采集災區無人機遙感數據2 072 景，經數據處理，形成具有地理位置的全區域高精度正射影像，并進行快速災情遙感監測與分析。

（2）根據影像中地物的光譜特征、紋理特征等影像特征判斷地物類別和特征屬性，進行無人機遙感影像震害信息目視解譯，經分析可知，地震產生線性地表破裂帶，破裂帶所經之處房屋大多毀壞，中等以上破壞程度的房屋集中分布在地表破裂帶兩側500 m 范圍內。距破裂帶越遠，房屋震害越輕，震害分布受斷裂帶控制。

（3）本次地震應急采用無人機飛行高度100 m 正射拍攝和無人機飛行高度40 m 、∠30°斜向拍攝進行房屋震害監測，從屋頂和側面多個方向獲取房屋破壞影像。經分析可知，地震災區造成人員傷亡的房屋均為農牧民自建磚木房屋，抗震構造措施不滿足設防要求，在地震作用下產生較大變形，安居房屋絕大部分基本完好，在很大程度上保護了廣大群眾的生命財產安全。

（4）無人機遙感災情監測航拍影像解譯出村莊道路局部破壞。路面產生多處裂縫及錯動移位。本次地震造成的地表破裂帶性質單一，1 條主破裂帶沿斷裂帶呈線性分布，使大部分應力得以釋放，是災害產生的主要原因。

致謝 感謝新疆維吾爾自治區地震現場聯合工作隊提供的現場調查數據支持，感謝中國地震局地震預測研究所王曉青研究員給出的寶貴建議及感謝審稿專家給出的重要修改意見。