引言

破坏性地震发生之后,在交通、通讯和电力等中断,同时又缺乏足够地面震害调查资料的情况下,进行有效的地震应急救援、灾害损失评估将十分困难。通过获取灾区震后遥感影像进行灾情判断,将不受灾区交通、通讯等中断的影响,能够快速掌握灾区全面宏观的受灾情况,并进一步提供更为详细的受灾类型、位置和程度等信息。通过对遥感图像的快速处理和震害信息提取,对地震灾害及其损失进行快速评估,将弥补地面调查的不足,为地震应急指挥和救援决策提供重要依据。

2008年5月l2目发生的汶川8.0级大地震是我国白唐山地震之后发生在人口较为稠密地区的又一次地震巨灾,造成了巨大的生命财产损失。这次大地震的重灾区主要在山区,受地震引发的严重滑坡、泥石流等灾害影响,灾区道路损毁严重,许多重灾区无法抵达,给地震灾情了解、应急救援和恢复重建造成了极大的困难。震后各种遥感影像的迅速获取和分析处理,为抗震救灾工作提供了大量及时和重要的依据。

本文叙述了遥感应急震害评估的基本方法,并介绍了该方法在2008年汶川8.0级大地震应急中的应用,同时对该方法的实际评估效果进行了评价。

1 遥感应急震害评估的基本方法
1.1 研究进展概述

随着卫星遥感技术的飞速发展,日本、美国等发达国家和部分经济迅速发展的发展中国家,充分发挥航空遥感、高分辨率卫星遥感等现代空间对地观测技术不受时间和地域限制、不受地震破坏影响的优势,在地震发生后,准确、全面地获取了灾情图像信息,并对后续次生灾害进行动态监测。1995年日本阪神大地震、1999年土耳其地震、2004年印尼地震海啸、2005年巴基斯坦南亚地震等发生后,均采用了遥感手段及时、全面地获取了灾区灾情信息,并进行了有效的震害损失评估。我国在1966年邢台地震、1975年海城地震、1976年唐山地震、1989年大同地震和1999年台湾集集地震发生后,均进行了航空遥感摄影与震害判读(陈鑫连,1992;魏成阶等,1993;杨等,1993;张德成,1993;丁军等,1997;王晓青,1997;Mitomi Hajime等,2002)。2003年新疆巴楚一伽师地震发生后,利用航空遥感影像首次成功地实现了在地震应急阶段获取震害遥影像并评估地震灾害(王晓青等,2003a)。

王晓青等(2003b)在震害遥感特征提取模型设计的基础上,初步研制完成了基于GIS的遥感地震灾情信息快速提取与损失评估系统。王晓青等完成了“地震遥感分析处理系统”大型软件系统,并部署于国家地震应急指挥中心,初步具备了遥感应急图像分析处理、震害提取和损失评估的能力。

目前民用光学和雷达遥感卫星的地面分辨率已达到米级和亚米级,红外遥感也达到十米级。在轨运行的可用高分辨率遥感卫星主要包括:美国的IKNOS(1m分辨率)、QuickBird(0.61m分辨率)、WorldView-3(0.5m分辨率)卫星,法国的SPOT5卫星(2.5m分辨率),印度的P6卫星(5.6m分辨率),我国的北京1号小卫星(4m分辨率)、中国资源二号卫星ZY-2(3m分辨率)、中国遥感二号卫星(2m分辨率)、中国台湾“福卫二号”卫星(2m分辨率),以及意大利Cosmos Sky-Med卫星(1m分辨率)和德国TerraSAR1(1m分辨率)等最新发射的雷达卫星。未来几年国内外更多高分辨率(可达亚米级)商业遥感卫星的发射,以及航空遥感、临近空间遥感技术等的发展,包含高分辨率光学遥感、微波遥感、激光遥感和红外遥感的丰富数据源,将使卫星遥感技术在地震应急灾情监测、紧急救援辅助决策、灾害损失评估、灾民安置和恢复重建等方面发挥越来越重要的作用。

1.2 遥感应急震害评估的基本方法

王晓青等(2003a;2003b)描述了遥感应急震害评估的基本方法,并应用于2003年新疆巴楚-伽师6.8级地震的遥感应急震害评估工作中。从震害研究的角度,遥感手段的运用需要解决如下几方面的问题:

(1)遥感震害的分级分类

房屋建筑、生命线工程等在地震时遭受破坏的程度是与其结构类型密切相关的。不同类型的建(构)筑物,其抗震性能差别比较大。震害程度不同,其震害表现也是不同的。从遥感影像上,只能通过结构外观(特别是顶部)明显破坏、结构周边有明显破坏堆积物分布的影像,判断结构单体或群体是否遭受地震破坏以及破坏的程度。因此,结构按类型进行分类,震害按破坏程度进行分级,是遥感震害研究的基础之一。一般将震害等级分为倒塌、部分倒塌和未倒塌三级。其中区域(以街区或自然村为单位)不同类型房屋倒塌率与震害程度和地震动强度具有密切关系。

(2)遥感震害判读标志的确定

结构及其震害程度在遥感影像上的可识别性是与结构的规模(尺度)、遥感影像的类型和分辨率等密切相关的。因此,同一结构、同一震害程度在不同影像类型和分辨率的遥感影像上的判读标志是不同的。遥感震害判读标志的确定是遥感震害提取研究与应用工作的基础。

(3)遥感震害的提取方法

从震后快速获取的遥感影像上提取震害的方法,可分为人工目视判读法、计算机自动识别法和人机结合的识别法。目视判读法是在图像增强处理与显示的基础上,依据判读标志,识别地物类型及其震害程度,该方法识别精度相对高,但效率较低;计算机自动识别法则在图像增强处理的基础上,采用监督或非监督分类法进行地物类型及其震害程度的自动识别,该方法识别速度快,但精度相对低;人机结合的识别法则是通过计算机辅助的人工识别,兼顾识别的精度和效率。

(4)遥感震害的定量分析方法

在遥感震害提取的基础上进行震害的定量分析,是遥感震害研究的重要方面。通过建立遥感震害定量化指标,并依据震害提取结果统计确定的震害指标,与地面调查确定的实际震害相比较,建立两者之间的定量关系,将促进遥感震害物理模型研究、震害识别的影响因素与识别方法研究,拓展遥感震害研究与应用的领域,建立遥感震害研究与应用的体系。王晓青等提出了遥感震害指数的概念,并初步建立了2003年伽师一巴楚6.8级地震的遥感震害指数与地面实际调查震害指数的对应关系。

2 汶川大地震应急遥感工作概述

2008年5月l2日汶川8.0级地震影响范围大,现场开展广泛调查的工作量十分巨大,同时由于地震重灾区在山区,交通、通讯系统破坏严重,因此,开展地震现场灾害调查和烈度调查十分困难。地震发生后,中国地震局在迅速展开地震现场应急救援、灾害调查与损失评估、震情监测预报等工作的同时,于地震发生当天决定开展灾区遥感资料应急处理工作,为地震应急指挥、现场救援与灾害调查、损失评估提供支持。中国地震局地震预测研究所牵头承担了应急遥感资料的处理工作,在地壳运动工程中心、中国地震台网中心、中国地震局地质研究所、中国地震局地壳应力研究所等单位的共同努力下,在民政部减灾中心、中国科学院、中国人民解放军总参谋部、国土资源部、国家测绘局等单位和各卫星数据公司的大力支持下,为地震抗震救灾指挥决策、地震次生灾害监测和灾害损失评估等提供了一定的支持。

本次对大地震开展的遥感工作主要分为如下几个阶段:

(1)应急启动和数据准备阶段

在地震发生的第一时间,笔者迅速启动了为国家地震应急指挥中心系统开发的“地震遥感分析与处理系统”,在震后1个半小时内完成了灾区范围初步估计、三维地势图、背景遥感图、行政区划图等图件和震后遥感资料获取建议书。在后续工作中,制定了遥感应急处理的工作方案和工作分工,进行了数字地形图、社会经济资料、灾区震前遥感资料和其它相关资料的准备,为开展灾区遥感资料处理和解释奠定了基础。

(2)灾区应急遥感数据获取定制

地震后的当天下午,笔者即分别向国内外有关遥感数据获取单位联系了卫星和航空遥感数据获取事宜,并根据对受灾区域与程度的估计,提供了比较准确的遥感数据获取范围等信息。数据获取定制的工作一直持续到5月15日。

(3)灾区应急遥感数据获取情况

一方有难,八方支援。巨大的地震灾难发生后,国内外各有关遥感卫星公司迅速组织灾区遥感数据的获取工作,最早于5月13日即获取了都江堰市城区的雷达遥感影像数据(意大利Cosmos Sky—Med卫星1m和3m数据),14 Et又获取了灾区首景高分辨率光学遥感卫星影像。除卫星遥感影像外,中国科学院、中国人民解放军总参谋部、国家测绘局等单位都迅速在灾区开展了航空遥感影像的获取工作。部分单位利用小飞机在灾区部分地区进行了超低空局部航空摄影。在救援过程中,根据需要对部分目标地区开展了航空摄像等工作。大量卫星遥感、有人驾驶航空遥感、无人驾驶小飞机遥感影像数据的相互补充,以及地面救援和现场调查获取的灾情信息,为开展巨灾灾后遥感应急工作奠定了坚实的基础。震后获取的灾区主要遥感数据如表1所示。

表1 汶川8.0级大地震后获取的主要遥感数据源 Table 1 The major satemte data resources available after Wenchuan earthquake

(4)遥感资料应急处理、解译和服务

遥感数据获取后,迅即开展了数据的快速递送、遥感数据预备处理、图像增强处理、震害信息提取、震害范围与程度分析、地震次生灾害分析、地震损失评估和震害损失提取与各种专题图的编制与分发等工作,依据前、后方的应急需要,及时提供了各类遥感影像及其解译图。其中包括了主要城镇遥感震害判读与基于遥感的高烈度区地震烈度圈定、灾区典型次生灾害分析和高分辨率遥感震害图的制作等。据不完全统计,截至2008年5月底,遥感资料处理工作组制作了数百景遥感影像及其解译图、基础地理图、行政区划图等以及一部震害遥感影像图集,为地震应急救援、震害调查和评估、次生灾害监测以及震害科学考察等提供了大量及时有效的服务。

(5)遥感震害详细研究与科学研究阶段

开展野外震害详细调查,并与遥感资料进行分析对比。在总结遥感影像震害判读标志的基础上,对遥感震害与实际震害的定量关系进行研究,并运用遥感手段对灾区震害及损失进行详细分析,编制了震害遥感影像图、震害解译图和典型震害图。对地震应急遥感需求和实施情况的分析总结,将为地震应急灾民安置和恢复重建提供依据,同时也为未来地震遥感应急积累研究资料和经验。

应急遥感震害评估的主要阶段与工作内容如图1所示。

图 1遥感震害评估工作模式 Fig. 1The flowchart showing emergency earthquake damage assessment procedure based on RS imagery
3 汶川大地震应急遥感震害评估结果及其效果检验
3.1 资料与工作地区选择

在应急数据处理的基础上,以已经获取的汶川大地震航空遥感资料为主,进行遥感震害判读工作。对部分没有航空遥感资料的地区,则选择高分辨率卫星遥感资料。震害判读地点以受损严重且已经获取了震后遥感资料的县、乡镇所在地为主,这些地区主要建筑物包括:多层砌体、一般房屋(砖平房、土木结构、木架结构等)和少数框架结构。根据笔者对我国多次地震航空遥感震害提取的经验(王晓青等,2003a;2003b)和房屋倒塌率与震害指数对应关系研究结果,在应急评估阶段采用了表2所示的震害评估标准表。

表2 遥感震害评估参考表 Table 2 Parameters and damage index of diferent types of buildings
3.2 应急遥感震害评估结果

通过应急震害判读,获取了各个地点的震害指数,并依据震害指数与地震烈度的对应关系,确定了高烈度区地震烈度分布图(图2),将不同结构的震害指数转换为一般房屋的震害指数,并按照地震烈度国家标准确定的算法,以乡镇驻地为单位确定其综合震害指数,从而确定其地震烈度。该图完成于5月17日晚。

图 2依据遥感震窑指数评估的汶川太地震烈度分布图 Fig. 2Map of seisnùc intensity d.istribution from lhe Remole sensing 'anaJysis
3.3 评估结果评价
图 3汶川8.0级地震烈度分布图(中国地震局,2008 Fig. 3Map of seismic intensity distribution from field investigation
(from China Earthquake Administration,2008)

为了对遥感震害评估结果进行评价,图3给出了中国地震局(2008)正式公布的汶川地震烈度分布图。通过遥感震害解译获得的地震烈度分布与地面调查确定的地震烈度分布的比较,可以得到如下几点认识:

(1)遥感震害确定的高烈度区(Ⅵ、Ⅸ、Ⅹ度烈度及其以上地区)与地面调查烈度总的分布区域是一致的;

(2)受当时遥感资料在平武、青川等地区缺少的限制,遥感确定的高烈度地区在北部缺少控制点,因而与地面调查有较大的差异;

(3)Ⅹ度烈度及其以上地区在龙门山断裂的上盘地区缺少控制点,因此相对范围与实际烈度比较偏小。

4 结论与讨论

以上叙述了利用遥感资料对汶川8.0级大地震的高烈度区震害及其烈度分布开展的工作,并将遥感震害解译获得的地震烈度分布与地面调查确定的地震烈度分布结果进行了比较分析。总的来看,采用遥感资料对地震造成的破坏范围和程度是可以把握的。通过定量研究并依据遥感资料可快速确定地震的烈度分布,这对地震应急阶段的现场应急指挥、救援决策和震害调查与损失评估等都具有重要意义。同时,充分占有震后遥感资料,开展遥感震害科学研究,并提高遥感资料的处理能力和灾情信息提取的准确性与时效性,将显著提高遥感震害评估的精度和实际应用效果。


①王晓青,窦爱霞,丁香,王龙,王栋梁,王岩等,2007.地震遥感分析处理系统软件说明书(内部资料).
②王晓青,丁香,窦爱霞,2004.伽师地震遥感震害定量关系研究(内部资料).
参考文献
1.陈鑫连,1992.地震灾害的航空遥感信息快速评估与救灾决策.北京:地震出版社
2.丁军,王丹,1997.航空遥感影像上震害解释的结构模型与几何特征获取.灾害学,1期:1—6.
3.王晓青,蒋铭,张德成,1997.航空影象震害自动识别的初步研究.见:中国地方遥感应用进展——全国地方遥感应用协会成立五周年论文集,庄逢甘主编.北京:宇航出版社,152—156.
4.王晓青,魏成阶,苗崇刚,张景发,单新建,马庆尊等,2003.震害遥感快速提取研究——以2003年2月24日新疆巴楚-伽师6.8级地震为例.地学前缘,8(增刊):285—291.
5.王晓青,张景发,单新建等,2003.震害遥感快速识别与损失评估系统的开发研究.见:中国遥感应用协会文集.北京:宇航出版社
6.魏成阶,朱博勤,张宗科等,1993.地震灾害航空遥感快速调查技术研究——以唐山地震区作模拟试验场.见:重大自然灾害遥感监测与评估研究进展,何建邦等编.北京:科学出版社
7.杨喆,程家喻,1993.澜沧-耿马地震灾情的航空遥感调查.国土资源遥感,5(1):17—23.
8.张德成,1993.建筑物震害航空照片目视判读标志的初步研究.地震,1期:26—30.
9.中国地震局,2008.汶川8.0级地震烈度分布图.http://www.cea.gov.cn
10.Mitomi Hajime,Matsuoka Masashi,Yamazaki Fumio et al.,2002.Determination of the areas with building damage due to the 1995 Kobe earthquake using airborne MSS images.Geoscience and Remote Sensing Symposium,2002IEEE International,5:2871—2873.