地震应急测绘信息服务方法与应用

赵　杰，张聪聪

(1.山西省地震局，山西　太原　030021；2.山西省地震局临汾中心地震台，山西　临汾　041000；3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西　太原　030025)



地震应急测绘信息服务方法与应用

赵杰1，3，张聪聪2，3

(1.山西省地震局，山西太原030021；2.山西省地震局临汾中心地震台，山西临汾041000；3.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西太原030025)

摘要：分析总结了地震灾害和灾情信息获取的特点，结合近年来防震减灾工作的实际案例，分析讨论卫星遥感、无人机航摄、GNSS、SAR、移动GIS几种先进测绘信息服务的特点，进一步分析其在地震应急救援过程中的应用。

关键词：地震应急；测绘信息；信息获取

0引言

自2008年汶川发生8.0级地震以来，我国大陆及周边共发生了25次影响较大的地震，对群众生命、财产、经济、社会秩序、外交等产生了重大影响。抗震救灾是一个综合性强、多部门协同、管理与技术并重、社会动员较大的工作，其根本在于对震情、灾情的精确掌握。而测绘作为地理国情获取的基本手段，在抗震救灾工作中必不可少，抗震救灾的紧急救援、灾民安置、灾害普查分析、恢复重建各个时期都需要测绘进行保障[1]。测绘技术和测绘成果作为准确掌握突发事件的重要手段，是实施减灾救灾的基础依据。

应急测绘信息服务指有关部门为国家应对突发事件提供的测绘保障活动，是突发事件应急准备与处置、灾情评估、灾后恢复重建中的地理信息服务和测绘保障的核心与基础[2]。应急测绘信息服务的重要特征体现在“应急”方面，相关部门通常要求在突发事件发生后的第一时间，综合利用航空摄影测量、移动测量、地理信息系统、卫星通讯、计算机等多种技术手段开展应急测绘，第一时间获取自然灾害、事故灾难、公共卫生事件、社会安全事件等突发事件现场的应急测绘资料。在最短时间内提供可靠的测绘成果，为各级政府机构和救援机构开展应急决策、救援处置、灾害评估等工作提供测绘保障。本文对目前先进的测绘技术进行了总结，探讨其应用于抗震救灾工作的方式和效果。

1地震灾害及灾情信息获取的特点

1.1地震灾害特点

地震称为“群灾之首”，与其他自然灾害相比，其特点包括：

(1) 突发性强，致灾过程极短。几十秒至几分钟即可造成大量建筑物倒塌、人员伤亡。

(2) 破坏性大。在常规条件下一次中强震即可造成人员伤亡和巨大的经济损失。

(3) 影响面广。强烈地震发生后，人员伤亡惨重、经济损失巨大，严重影响人们的正常生活和经济活动，对人们的心灵也造成了巨大创伤。

(4) 链式灾害、次生灾害严重。发生破坏性地震后，不仅有建筑物破坏引发的人员伤亡和财产损失，还会引发一系列次生灾害，如海啸、火灾、水灾、山体滑坡、泥石流、毒气泄漏、流行病、放射性污染等。

(5) 防御难度大。地震灾害难以预报，农村地区房屋不设防，其抗震加固改造需要大量的人力物力，城镇地区的房屋质量也参差不齐，提高建筑物的抗震能力在一定程度上会加大建筑成本。

地震造成的灾害主要表现在地表，测绘学主要研究对象是地球及其表面形态，将成熟先进的测绘技术应用于地震应急是非常必要的。

1.2灾情信息获取的特点

鉴于地震灾害的特殊性，快速准确地获取灾情是地震应急救援的关键之一，震后灾情获取的特点包括以下几个方面：

(1) 地震影响区域较大，灾情难以全面掌握。汶川地震时由于初期对灾情不能全面掌握导致救援力量分配不合理。

(2) 地震造成通讯中断、交通中断或拥堵，灾情信息难以及时为政府掌握。

(3) 地震发生后，需要加强对其可能引起的滑坡、泥石流、堰塞湖等地质灾害隐患点等的监测，以防患于未然或者及时制定处置对策。测绘信息服务可大规模、快速地获取地表信息，对地面目标进行精确、长时间地跟踪观测，在地震灾情获取中可发挥重要作用。

2测绘信息服务方法与应用

测绘信息服务种类繁多，可应用于地震应急救援过程中的各个方面。当前，卫星遥感、无人机航摄、GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统)、SAR(Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达)、移动GIS(Geographic Information System，地理信息系统)是测绘领域较为先进的技术，可应用于抗震救灾工作的各个阶段，尤其在地震应急灾情获取和评估阶段可发挥重要的作用。

2.1卫星遥感

遥感技术的蓬勃发展为地震灾害的监测、灾情获取、灾害评估等提供了快速、高效的技术手段。卫星遥感具有及时、动态、宏观以及能够重复获取同一区域不同时段上的影像等优点，结合计算机迅速处理的特点，是常规地震灾害调查技术所无法比拟的[3]。与其他监测手段相比，遥感技术具有速度快、精度高、范围广等特点，并且能为地震灾害应急救援提供基于事实影像的、可精确量测的地震灾害动态监测结果。

卫星遥感在地震应急救援过程中的应用范围主要包括：

(1) 地震构造背景分析。当一次大地震发生时，加强地质构造背景方面的分析研究有助于对地震发生的原因进行科学解释。因此震害调查研究首先要做的遥感应用工作是地震构造背景分析。

(2) 震区建筑物损坏评估。通过解译震区遥感影像资料可以快速获取灾区宏观的受灾情况，借助高分辨率卫星影像还能获得灾区建筑物倒塌率等详细灾情，在GIS的辅助下结合专家经验和有关灾害评估模型，可以更加准确地评估或预测地震后的人员伤亡，进一步指导地震应急救援力量的部署分配。

(3) 生命线工程损毁评估。目前利用遥感可以对道路、桥梁、水库大坝等进行监测与破坏评估。

(4) 次生灾害识别与监测。地震次生灾害如滑坡、泥石流、堰塞湖等，在空间尺度上范围较大，可以用中高分辨率的遥感影像进行监测与识别。

卫星遥感应用于地震应急救援的主要制约因素是：特定地区可得到的遥感影像的空间分辨率和时间分辨率可能难以满足需求；遥感影像处理的自动化程度和精度较低；遥感数据的获取渠道不畅通，有关部门缺乏良好的合作机制。

目前，各省的地震应急指挥中心均建设了地震应急基础数据库，该数据库涵盖了地震应急中所需要的绝大部分信息，其中一类便是全省的中高分辨率卫星遥感影像。地震发生后快速制作震区震前遥感影像图并提交抗震救灾指挥部，为应急成员单位提供极震区有关地面目标的分布信息，但其缺点在于影像图的现势性不高，难以体现快速变化的地物，省级抗震救灾指挥中心也没有足够的人力解译震后遥感影像得到的受损地面目标，而每年更新全省中高分辨率影像的成本极高。解决的办法是与测绘部门、遥感卫星科研机构、商业遥感影像公司建立合作关系，以期震后能够快速畅通的得到遥感影像的支持。

2.2无人机航摄

无人机航摄技术具有灵活机动、高效快速、成本低廉等优点，在小区域和困难地区高分辨率影像快速获取等方面具有显著优势，可有效满足应急测绘天地一体、互联互通、机动高效的需求[4]。在“5·12”汶川大地震中，无人机航摄获取的北川县城南部地区高分辨率影像和视频数据，已成功用于影像解译与灾损信息识别，为评价北川县城受灾情况、制订抗震救灾方案提供科学依据；在“3·10”云南盈江地震中，利用获取的无人机影像与灾前高分辨率卫星影像对比，实现了盈江县城的房屋损毁、道路损毁及交通拥堵情况的监测与评估；在“8·03”云南鲁甸地震中，采用的旋翼无人机可在1秒内进行72次拍摄，精度为4 cm，在一次持续7分钟的飞行过程中完成了10万平方米面积的测区[5]，经过处理合成后可实现各个角度、方位的灾情可视化。

无人机航摄技术应用于地震应急救援的主要制约因素是：无人机采用的是低空摄影测量，图幅较小，导致航摄的影像数目较多，进而影响影像处理效率；无人机在进行航摄时的操作较为复杂，往往需要倾角、旋转等复杂步骤，降低了作业效率；立体模型精度不高；影像容易出现畸变，无人机体积小、重量轻，容易受到风力等因素的干扰。无人机航摄技术在汶川地震后得到了广泛的应用，但其应用一般由民间组织、测绘部门、军队等完成。目前已有几个省份承担并验收通过了国家地震社会服务工程小型无人机(小飞机)地震灾情获取子系统，该项目的完成可初步增强震后地震部门利用无人机获取灾情信息的能力。在投入有限的情况下，省级地震应急指挥中心可先从消费级无人机入手，逐步扩展无人机在地震应急领域的应用。

2.3GNSS

GNSS技术与GIS、RS(Remote Sensing，遥感)技术已广泛应用于地震现场的信息采集、风险评估、防灾备灾、应急救援、重建规划等领域。2008 年“5·12”汶川8.0级特大地震的救灾工作中，GNSS技术在综合减灾救灾工作中初试锋芒，增强了国家灾害应急救援的科技能力，表现了切实加强地震救援工作队伍装备保障建设的必要性。在抗震救灾工作中，GNSS 技术已经在灾害监测与定位报警、灾害应急指挥管理、灾区搜救导航定位、灾害损失评估等方面发挥重要作用[6]。

GNSS技术在地震应急救援过程中的应用范围主要包括：

(1) 灾情采集和管理。基于卫星导航定位技术的连续运行参考站和便携式应急救援装备在地震灾害发生后可协助地震调查工作组开展调查和搜救工作，能快速提供突发性灾害发生和发展的时间、空间分布位置与范围等信息，并将调查获得的灾情数据实时向抗震救灾指挥部门发布。北斗卫星导航系统支持短报文通信，在通讯拥堵或中断时可为灾情的搜集汇总提供可靠通道。

(2) 地震应急救援调度。导航定位系统扩展的移动位置服务可以发送实时的高精度定位坐标，提供连续、可靠、准确、高效的位置信息增值服务，在地震灾害应急救援工作和地震现场灾害调查工作中对人员、车辆、物资提供灾害预警、指挥调度监控、灾情速报和共享、资源监管与合理分配等服务。地震应急指挥部可快速科学部署携带有导航定位装备的紧急救援队成员，高效保障灾区外来人员进入灾区、灾区人员安全转移、救灾物资及时配送等，提高地震应急管理能力。

(3) 灾害评估和救援辅助决策。GNSS可辅助地震应急现场工作队在灾区通讯物资保障、余震监测、灾民生活保障和灾后重建等方面开展高精度的灾情损失评估和定位工作。应急救援队工作人员可以利用便携式卫星导航定位装置实时定位灾民灾情所在区域、快速量算受灾范围面积、测量房屋受损情况、调查次生灾害情况等，为地震应急管理部门抗震救灾决策支持提供可靠的技术保障。我国的北斗系统除了上述功能外，还可提供短报文服务，在灾情搜集汇报、应急通讯中发挥作用。

在当前的地震救援工作中，GNSS并非独立发挥作用，其发挥作用往往是系统化、集成化、定制化进行的。在地震应急工作中，GPS早已得到了广泛应用，随着我国北斗卫星导航系统的成熟，地震部门可逐步引进北斗导航设备，并发掘其独有的短报文功能，与GPS、卫星电话形成有益的补充。

2.4SAR技术

SAR技术相对于光学遥感而言具有全天时、全天候、大幅宽、重放周期短等特点，能够为灾后应急救援, 特别是恶劣天气条件下的应急工作，提供可靠的数据保证，同时由于其对观测目标的几何形态、位移变化的敏感性，其成为地震灾情分析与评价的有效手段。张景发等[7]通过地震前后图像的相关性分析、平均灰度差异性分析及平均方差差异性分析，来定量地确定震害程度，并用该方法对张北地震震区中等分辨率星载SAR卫星图像进行了变化检测，经与实际野外考察资料对比，检测精度较高；胡煜丕等[8]利用SAR图像建立DEM数据模型来检测堰塞湖水位高程变化，在因天气、交通、通信等不利因素影响堰塞湖水文数据难以获取的情况下，该方法是较为稳定、可行的技术方法。

SAR技术主要应用于震后监测评估引发地表变化的灾害，如建筑物倒塌、滑坡、泥石流、堰塞湖等。在时间、气象等条件不适合获取光学遥感影响时，SAR往往可以发挥独特的作用。地震造成房屋倒塌，在屋顶保持完整的情况下，高分辨率的遥感影像无法体现，但SAR具有斜距成像等特点，在分辨率足够时可以反映房屋结构的损坏情况。

由于SAR主动、斜距成像等特点，地物成像存在很大的不确定性，不同入射角、极化、频率下同类地物的成像差异较大，其数据处理方面要比光学遥感复杂得多，在地震应急时时间紧迫的情况下其应用受到限制。地震应急过程中SAR的应用目前还较为少见，地震部门可在科研项目方面予以更多的研究支持。

2.5移动GIS

移动GIS是智能手机和3G移动通信技术普及后快速发展的一门应用，主要由移动终端、无线通信网络、空间数据与空间服务组成，具有数据采集灵活、传输方便等特点。移动GIS可应用于地震现场工作，包括地震定位与显示、灾情搜集和报送、灾害损失初评估、救援力量指挥调度、路径规划导航、灾区空间数据库查询等。其主要特点是改变了地震应急工作全靠纸介质地图进行指挥决策的面貌，提高了地震救援工作的及时性、准确性和科学性，将过去后方指挥部依托桌面GIS或WebGIS才能实现的功能转到了地震现场，改变了地震应急救援的工作方式。

移动GIS技术应用于地震应急救援的主要特点是：移动GIS对移动终端的性能要求较高，移动终端须有较高的运算速度、内存、高清摄像头及大容量电池等其他配置；地震现场可能出现通讯不良的情况，移动GIS必须有基于缓存技术的在线/离线访问模式。移动GIS中存储的空间数据，或者向空间数据库服务器请求的数据可能具有保密性要求，在其开发、应用过程中需要特别注意。移动GIS在地震应急中应用较为成熟，在近几年的地震中发挥了重要作用，但其在不同省份的普及程度差别很大，各省地震应急部门需要加强交流，相互借鉴引进或自主研发，将其作用真正发挥出来。

3结语

测绘信息服务在防震减灾工作中发挥着巨大作用。目前，我国的地震应急救援工作也是依托于这些技术展开的。地震部门应根据各自的特点和实际工作需要，掌握先进技术在工作中的应用方法，提升应用层次、完善应用布局、挖掘其应用潜力，并从部门合作机制建设、预案管理等角度为测绘信息服务于防震减灾工作提供保障。

参考文献：

[1]谢红.地震应急测绘的服务机制和方法探讨[J].测绘技术装备,2008(4):3-5.

[2]曹振宇.自然灾害应急测绘信息服务机制与方法[D].武汉：武汉大学,2014.

[3]裴惠娟，陈文凯，安培俊.地震应急中制约遥感应用因素分析[J].高原地震,2014,26(1):36-45.

[4]周兴霞，廖小露，刘嘉.无人机航摄技术在四川省应急测绘保障中的应用研究[J].测绘与空间地理信息,2014(10):239-242.

[5]李定松.无人机技术在地质灾害监测中的应用[J].北京测绘,2015(4):62-78.

[6]赵晓林，周柏贾.基于GNSS技术的地震应急系统和救援装备建设[J].中国科技资源导刊,2010(2):74-78.

[7]张景发，谢礼立，陶夏新.建筑物震害遥感图像的变化检测与震害评估[J].自然灾害学报,2002,11(2):59-64.

[8]胡煜丕，张韶华.SAR图像数据在堰塞湖水位高程监测中的应用[J].北京测绘,2015(3):65-71.

文章编号：1000-6265(2016)02-0044-04

收稿日期：2016-01-05

基金项目：山西省地震局科研项目(SBK-1508)；山西省地震局青年科研项目(SBK-1632)。

第一作者简介：赵杰(1989—)，男，山西省原平人。2013年毕业于山东科技大学，硕士研究生，助理工程师。

中图分类号：P315.99

文献标志码：A

Method and Application of Earthquake Emergency Surveying and Mapping Information

ZHAO Jie1,3, ZHANG Cong-cong2,3

(1.Earthquake Administration of Shanxi Province, Taiyuan, Shanxi 030021, China; 2.Linfen Central Seismological Station of Earthquake Administration of Shanxi Province, Linfen, Shanxi 041000, China; 3.State Key Observatory of Shanxi Rift System, Taiyuan, Shanxi 030025, China)

Abstract:The characteristics of earthquake disaster information acquisition are summarized in this paper. Combined with the cases in earthquake disaster mitigation work in recent years, the characteristics of satellite remote sensing, UAV aerial photography, GNSS, SAR, mobile GIS are discussed. Their applications in earthquake emergency rescue are analyzed furtherly.

Key words:Earthquake emergency; Surveying and mapping information; Information acquisition