2013年四川芦山7.0级地震烈度遥感评估

2015-12-12王晓青窦爱霞王龙袁小祥丁香张伟

地球物理学报 2015年1期

王晓青，窦爱霞，王龙，袁小祥，丁香，张伟

中国地震局地震预测研究所，北京 100036

1 引言

2013年4月20日08时02分，四川省雅安市芦山县（30.3°N，103.0°E）发生7.0级强烈地震，震源深度13km.该地震的微观震中位于龙门山断裂带南段，距离2008年5月12日汶川8.0级地震震中约100km（图1）.本次地震给人民生命财产造成了严重损失，截至4月26日，地震造成196人遇难，21人失踪，逾万人受伤.

地震灾情信息的及时准确掌握，是开展有效地震应急救援，最大限度减轻地震灾害的重要保障.地震烈度图是地震造成的破坏程度分布的科学反映，同时，也是我国目前抗震救灾的主要依据之一.地震烈度评定的常规方法是采用大量专业人员在现场开展调查和评估，较小破坏性地震的评定一般需要1～3天时间，较大的破坏性地震评定则需要更长，甚至数十天（如汶川地震）的时间.因此，如何提高地震烈度评定的时效性和评估效率，既有一定的科学研究意义，又具有重大的应用价值.

航空遥感影像因其高空间分辨率和全覆盖性，在房屋建筑和生命线工程震害、地震地质灾害等提取中得到广泛应用（魏成阶，2009）.同时，由于遥感的宏观与间接性，许多震害细节无法直接反映，但可以通过一定区域内震害的群体表现，间接、定量地确定该区域的震害程度，从而进一步评估地震烈度.早期的地震烈度遥感评估是在震害航空遥感快速解译基础上，综合考虑建（构）筑物和生命线工程震害、场地震害等特征评定的（魏成阶等，1996）.这一思路应用在2003年新疆巴楚—伽师地震，首次在我国地震应急阶段完成了较高烈度区（VIII度及以上地区）的地震烈度遥感评估（王晓青等，2003）.

上述方法是基于遥感所反映的多种震害分级分类标志及其组合进行地震烈度判定的，基本上是一种半定量的评定方法，需要借助有经验的专家判断才能得到比较好的结果.为了更好地运用遥感手段评估地震烈度，仿照地面调查时地震烈度评定的思路，将“震害指数”的概念引入到震害遥感评估研究中，通过建立遥感评估的震害指数与地面调查确定的震害指数之间的定量关系模型，可以实现基于遥感的地震烈度评估（王晓青等，2009）.这一方法提出后，在汶川、玉树和海地等一系列地震的应急遥感评估中得到了应用（王晓青等，2009，2013；王晓青，2010；Wang et al.，2012）.受资料获取时间较长或灾区范围较大（如汶川地震）、或资料难以及时处理（如玉树地震），该方法过去仅得到有限的应用.随着我国震后应急遥感数据获取与处理能力的提高，芦山地震后，当天获得了灾区的高分航空遥感影像，使地震烈度遥感定量评定方法得到及时的应用.21日上午作者得到灾区影像后，于晚上即完成了灾区的地震烈度遥感评估，并及时提供给地震现场指挥部等，为本次地震烈度的评定提供了重要依据.

本文采用基于“震害指数”的地震烈度遥感定量评估方法，采用震后快速获取的高分航空遥感影像，进行了灾区建筑物震害应急提取和震害指数计算，在此基础上，利用遥感评估的震害指数与地面调查确定的震害指数的定量转换模型和地震烈度遥感评估方法，确定芦山地震灾区相对高烈度区的地震烈度，并将遥感评估结果与现场实际调查结果进行比较分析和讨论，以加深对芦山地震震害分布及其成因的认识.

2 遥感数据与地震烈度遥感评估方法

芦山地震发生后，中国科学院遥感与数字地球研究所（以下简称“科学院”）、国家测绘地理信息局（以下简称“测绘局”）等迅速组织了地震灾区有人机和无人机航拍，取得了灾区高分辨率遥感资料，影像覆盖范围见图2，为地震应急期间震害遥感监测与评估奠定了坚实的基础.本文采用这些遥感影像进行地震烈度评估研究.地震烈度遥感评估主要采用了作者提出并发展的定量评估方法（王晓青等，2009，2013；王晓青，2010；Wang et al.，2012），包括建筑物震害遥感解译、遥感震害指数计算、地面等效震害指数转换和地震烈度评定等步骤.

评估前对部分无空间参考信息的航空影像进行了空间定位、镶嵌等预处理.图3给出了部分典型居民点的局部震后航空遥感影像图.

3 震害指数遥感评估

采用遥感影像人工目视解译（乡镇、农村居民点）或自动判读方法（芦山县城区）确定了建筑物震害等级（倒塌、局部倒塌或未倒塌），对灾区无人机遥感影像（0.2m分辨率为主）和有人机遥感影像（0.6m为主，部分0.4m）覆盖范围内约126个主要居民点的建筑物单体和群体震害程度进行了快速定量解译；基于提取的建筑物震害等级计算确定了每个居民点的遥感震害指数或倒塌率.

由于遥感反映建筑物震害的间接性和宏观性，基于遥感确定的震害指数与实际震害程度是有差别的，因此，通过一定的转换关系，将遥感震害指数（或倒塌率）转换为可与实际震害程度对应的震害指数.采用这种方式确定的震害指数称为地面等效震害指数.通过汶川、玉树地震现场震害遥感比对科学调查与研究，分别建立了适用于城市、乡镇、农村的遥感震害指数与地面等效震害指数的定量转换模型（王晓青，2010；王晓青等，2013；窦爱霞等，2012），并建立了建筑物倒塌率与遥感震害指数之间的关系（王晓青等，2009）.在本研究中，遥感快速解译结果主要采用居民点建筑物倒塌率表示，部分居民点同时给出了遥感震害指数.考虑到芦山地震灾区与汶川地震灾区地理和社会环境有相似之处，依据汶川地震的转换关系（王晓青等，2009），转换得到了各居民点的地面等效震害指数，结果如图4所示.

4 地震烈度遥感评估

图1 四川芦山7.0级地震灾区地势景观图图中断层数据据徐锡伟等（2013）和陈立春等（2013）修改.Fig.1 Map showing topography in the affected region of the MS7.0Lushan earthquake，Sichuan ProvinceFault data are modified from Xu et al.（2013）and Chen et al.（2013）.

图2 芦山地震震后航空影像覆盖范围分布图Fig.2 Coverage of aerial images acquired after the Lushan earthquake

图3 芦山地震典型居民点震后局部航空遥感影像图（均为2013年4月20日获取）（a）芦山县城震后三维影像图（影像数据由科学院提供）；（b）芦山县城震后航空影像图（城市型居民点，影像数据由测绘局提供）；（c）芦山县太平镇震后无人机影像图（乡镇型居民点，影像数据由测绘局提供）；（d）芦山县太平镇黄家窝村震后无人机影像（农村居民点，影像数据由测绘局提供）.Fig.3 Aerial remote sensing images of typical residents acquired on April 20，2013immediately after the occurrence of the Lushan earthquake

图4 芦山地震遥感评估震害指数与地震烈度分布图Fig.4 Distribution of seismic damage indexes and seismic intensity of the Lushan earthquake estimated through remote sensing images

由于遥感评估并转换得到的地面等效震害指数是对实际地震震害程度的估计，因此，根据中国地震烈度表（国家质量技术监督局，1999；中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局和中国国家标准化管理委员会，2008）震害指数与地震烈度的对应关系，以地面等效震害指数评估结果为主，得到地震灾区126个居民点的地震烈度，并勾画了地震烈度图，如图4所示.

依据遥感评估结果，芦山地震Ⅸ度区主要位于龙门山断裂带南段的双石—大川断裂以东，东北自芦山县宝盛乡溪口上村，西南至芦山县清仁乡仁加村，面积约150km2；Ⅷ度区跨双石—大川断裂分布，但位于断裂以东（断层下盘）的分布面积较大，东北自芦山县大川镇岩口上村，西南至天全县青凉寺，面积约900km2.考虑到遥感震害的识别能力和高分遥感影像覆盖范围，遥感解译结果的Ⅶ度区边界采用虚线表示，结果仅供参考.

5 地震烈度遥感评估结果检验

对于上述结果的合理性，本研究从3个方面进行验证.

5.1 典型居民点震害指数详细评估验证

采用高分辨率航空影像对重灾区内的芦山县龙门乡、太平镇、宝盛乡等破坏较严重的主要居民点进行了建筑物震害详细解译.以龙门乡驻地为例，对震后无人机影像（图5a）覆盖范围内的所有建筑物震害进行了逐栋解译，结果如图5b所示.

再以街区为统计单元，进行了遥感震害指数评估，结果如图5c所示；利用遥感震害指数定量转换模型（王晓青，2010；Wang et al.，2012；王晓青等，2013），计算各街区内的等效地面震害指数，结果如图5d所示.如以整个龙门乡驻地为单元，等效地面震害指数遥感评估结果为0.54，对应地震烈度为Ⅸ度；图4显示的龙门乡驻地的烈度遥感快速评估结果（等效地面震害指数0.6，对应Ⅸ度）与此详细评估结果一致.

同理对太平镇和宝盛乡驻地及其周边地区，以及部分农村地区进行了评估检验，结果（图6）表明，遥感快速评估结果相比较于详细评估结果，震害指数相差绝对值不大于0.10，地震烈度评估结果为同一个烈度值.表明地震烈度遥感快速评估结果与详细评估结果具有可比性.

5.2 与中国地震局发布的地震烈度图的比较验证

图5 芦山县龙门乡震害遥感详细评估（a）震害遥感影像图；（b）建筑物单体震害等级详细判读结果图；（c）遥感震害指数分布图；（d）等效地面震害指数分布图.Fig.5 Detailed assessment of seismic damage in Longmen Township of Lushan County based on remote sensing data

图6 典型居民点震害指数遥感详细评估（横坐标）和快速评估（纵坐标）结果比较图Fig.6 Comparison between the detailed assessment and fast assessment results of seismic damage indexes in typical residents of Lushan County based on remote sensing data

4月25日中国地震局官方网站公布了四川芦山7.0级地震烈度图（图7）.该图是中国地震局地震现场应急工作队，在地震灾区360个调查点和231个抽样点灾害调查基础上，综合遥感震害解译、强震观测记录等资料编制完成的（张勇等；2013）.遥感快速评估的烈度图（图5）和该公布的烈度图比较，两者Ⅸ度区和Ⅷ度区总体分布位置及方向一致，后者向南和向东有一定增长.其中遥感评估Ⅸ度区与公布的Ⅸ度区基本一致，Ⅷ度区和Ⅶ度区大部分一致；106个进行了遥感快速评估的居民点按照圈定的遥感评估烈度区对应的地震烈度与公布的烈度图上的地震烈度进行比较（表1），总体一致性精度为80%，Kappa检验值达到0.68，显示地震烈度遥感快速评估结果与公布的结果具有较好的一致性.

表1 106个居民点地震烈度遥感快速评估结果与中国地震局公布的结果比较Table 1 Comparison of seismic intensities of 106settlements determined by the fast RS－based assessment and by the seismic intensity map issued by China Earthquake Administration

图7 中国地震局（2013）发布的四川芦山7.0级地震烈度图（根据原图等震线重新绘制）Fig.7 Seismic intensity map of the MS7.0Lushan earthquake issued by China Earthquake Administration（2013，modified from isoseismic lines of the original map）

5.3 典型居民点震害指数野外调查验证

地震应急期后，作者到地震灾区开展了历时约2周的地震现场建筑物震害遥感比对科学考察，获取了数千栋建筑物单体的结构类型、震害程度及其致灾原因调查资料.依据这些实际调查资料，得到部分居民点的震害指数与地震烈度的初步分析结果.表2给出了芦山县城区（芦阳镇）、宝盛乡、龙门乡、太平镇和双石镇，邛崃市高何镇和火井镇、天全县老场乡、雨城区中里镇和上里镇等10个城镇的遥感评定地震烈度与现场详细调查确定的地震烈度之间的关系.

表2 地震烈度遥感快速评估结果与地面详细调查评估结果比较Table 2 Comparison of seismic intensities of 10settlements determined respectively by fast RS－based assessment and by the field survey

表2结果显示，应急遥感快速评估的地震烈度在Ⅸ度区和Ⅶ度区分别与地面调查结果完全一致；在Ⅷ度区则有部分一致，部分地面调查结果为Ⅶ度区.地震烈度遥感快速评估总体正确率为80%，Kappa检验值达到0.71，显示遥感评估的地震烈度与现场详细震害调查结果也具有较好的一致性.

6 结论与讨论

（1）芦山地震基于遥感的地震烈度快速评定是相对独立的评定，且在4月21日晚完成并提交给国家抗震救灾指挥部和中国地震局地震现场指挥部.该结果与4月25日中国地震局公布的地震烈度，以及与应急期后现场开展的建筑物震害详细科学考察资料所评定的烈度，均具有较好的一致性.上述事实表明，震后灾区高分辨率遥感资料可以用于评定地震烈度，且在地震应急阶段评估显示了快速高效的特点.

（2）本结果所显示的Ⅸ度区与精定位后的芦山余震（MS3.0以上）震源深度和空间分布区（张广伟和雷建设，2013；吕坚等，2013）比较一致，余震空间上多分布于Ⅸ度区的西北半部分；同时，也与震源机制所显示的地壳内发震断层北东—南西走向分布的逆冲型地震破裂（吕坚等，2013），以及依据全球地震台网远震地震波数据快速反演的芦山地震破裂过程（张勇等；2013）及其致灾特征分析结果也是一致的.

（3）综合分析表明芦山地震震源破裂范围有限、破裂时间较短，破裂没有扩展到地表.因此地震造成的建筑物破坏方式和程度主要受地震动和局部场地条件影响，极灾区房屋破坏总体上倒塌不多，但较严重破坏和中等破坏的房屋相对比较多.因此，地震造成一定人员死亡和较多的人员受伤，形成较特殊的高“受伤数∶死亡数”比例震例.

（4）值得注意的是，限于遥感的宏观、间接性，遥感评估结果并不能完全代替地震现场评估，地震烈度评定的最终结果仍然要依据地震现场实地调查资料产生.遥感快速评定结果作为应急产出结果之一，可以为地震应急救援提供及时的依据；同时，有效结合地震现场震害调查和遥感解译工作，将使地震烈度评定的效果和精度均能得到进一步提高.

致谢中国科学院遥感与数字地球研究所和国家测绘地理信息局为本研究提供了震后灾区高分航空遥感影像数据.张伟、杨海霞、李振敏、黄树松、崔丽萍、邱玉荣等参与了部分数据处理和震害提取工作.审稿专家给出重要修改意见.在此一并致谢！

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