基于遥感影像的区域房屋抗震能力评估——以山西省忻州市为例

赵 杰，郑树平，王飞剑

(1.山西省地震局，山西 太原 030021；2.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)

0 引言

中国是世界上地震灾害最严重的国家之一，地震活动频次高、强度大、灾害重、影响广。1900年以来，我国大陆地区发生7.0～7.9级地震70多次，8.0级及以上地震7次[1]。地震中，建筑物的破坏和地震引发的次生灾害是造成人员埋压、伤亡的主要原因，但建筑物的破坏和倒塌是最直接、最主要的原因[2]。据统计，中国近几十年来地震人员伤亡90%以上由建筑物的倒塌引起[3-5]。2010年青海玉树7.1级地震，人员伤亡中94.5%是由房屋倒塌所致。在2014年云南鲁甸6.5级地震中，建筑物倒塌，尤其是不设防的农居和乡镇老旧房屋是造成此次地震人员伤亡的重要因素[6]。

在地震灾害风险评估工作中，承灾体对地震风险影响极大，是否存在承载体及其承受能力决定风险大小。地震灾害风险评估中，承灾体由建筑、人和次生灾害共同构成[7]。其中，建筑物易损性是分析地震灾害规模、衡量区域抗震能力的重要内容[8]。建筑物数据体量大、范围广、专业性强，最关键也最难获取[9]。面对几亿栋的房屋，采用常规的实地走访调查模式，对人员的专业知识要求高，人员和资金投入大，耗时长，难以满足省级地震灾害风险评估的需求。遥感技术以大面积对地观测、短周期重访覆盖的优势成为地表目标信息获取的重要手段。Google Earth是美国谷歌公司开发的地图软件，免费提供清晰的全球卫星影像。大部分地区的影像分辨率为2～4 m，部分高清晰度影像的分辨率可达0.5 m[10]。“天地图”网站是由中国自然资源部主导开发的地图服务网站，免费提供中国国产卫星的遥感影像数据。目前，全国大部分区域可提供分辨率为0.54 m的卫星遥感影像[11]。通过遥感影像获得建筑物抗震能力数据具有快速、经济的优势。运用免费的遥感影像资料，结合实际经验，对地市级区域(以山西省忻州市为例)，开展房屋抗震能力的估计和判别工作。

1 研究区域概况

忻州位于山西省中北部，辖14个县区，面积25 157.641 km2，是山西省版图最大的市。其山区、丘陵区、盆地平川区的面积分别占全市总土地面积的53%、35.96%、10.54%。纵观全貌，东部、北部、南部多为石质山区，西部、西北部多为黄土丘陵沟壑区，中间有一小部分断陷盆地。忻州中部为忻定盆地，属人口稠密、经济发达的平原地区，西部为人口相对稀疏、经济贫困、水土流失严重的山区。据2019年人口抽样调查显示，年末全市常住人口为317.29万人，其中，城镇有167.50万人，常住人口城镇化率为52.79%。据2019年统计年鉴数据，各县城镇化率、人均GDP如第18页表1所示。

表1 忻州市各县经济及城镇化率Table 1 Economy and urbanization rate of counties in Xinzhou City

根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)，忻府区、原平市、定襄县、代县大部分的设计地震动峰值加速度为0.2 g，繁峙县、宁武县大部分的为0.15 g，五寨县、静乐县大部分的为0.1 g，岢岚县、河曲县、保德县、偏关县大部分的为0.05 g。

2 基于遥感影像的建筑物抗震能力分区判别

2.1 判别标准

山西农村房屋的抗震性能较差[12]。在城市，多层建筑住宅多用砌体结构和框架结构；高层建筑住宅多用钢筋混凝土剪力墙结构；公共建筑一般构建为大空间，多用框架结构或框架剪力墙结构，其抗震性能较好。

在谷歌地球或天地图提供的亚米级遥感影像上，建筑物的分布、高度、形态可较清晰地展现。通过在线地图的POI信息，建筑物的用途也可基本判定。因此，根据遥感影像数据可识别出影响建筑物抗震能力的2个重要指标，即建筑物层数和房屋用途。建筑物层数主要依靠建筑物的外立面形态与地表的对比、阴影长度来估计。建筑物按照层数可分为五类，分别为低层(1-3层)、多层(4-6层)、中层(7-10层)、小高层(11-15层)、高层(16层以上)；建筑物用途可分为三类：住宅、公共建筑、厂房。根据建筑物高度和用途，可大体估计建筑物的抗震能力。综合考虑房屋影像特征和山西省房屋抗震能力的一些统计调查结果，按照以下类别标准判定建筑物的抗震能力。

第一类，抗震能力达标。指按抗震设防规范设计的建筑物，包括城镇中心区的房屋，城乡结合部和农村地区4层以上的房屋，农村地区经过集中建设或抗震加固的政策性房屋，大型公用建筑(体育馆、展览馆、博物馆、图书馆、火车站、汽车站、机场、码头等)，特种建筑(发电厂、核电站、供热厂、供水厂等)，大型厂房等。

第二类，抗震能力不足。这类建筑包括城乡结合部2-3层房屋，农村地区3-4层房屋，根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)中抗震设防要求提高地区的房屋。

第三类，抗震能力严重不足。指未采取任何抗震设防措施的建筑，包括城市城中村和城乡结合部的单层房屋，农村低层自建房屋。

2.2 判别结果及分析

将Google Earth遥感影像作为主要的数据源，在大部分地区，影像的更新年份晚于2020年，具备较好的现势性。根据上述判别标准，主要采用人工目视解译的方法，判定结果如第19页表2所示，其空间分布如第19页图1所示，各县不同房屋抗震能力判定比例如第19页图2所示。

图1 基于遥感影像和经验估计的山西省忻州市房屋抗震能力初步评估图Fig.1 Preliminary assessment map of residential seismic capacity of buildings in Xinzhou City,Shanxi Province based on remote sensing image and experience estimation

图2 忻州市各县房屋抗震能力类型比例Fig.2 Proportion of seismic capacity types of houses in various counties of Xinzhou City

表2 忻州市各县房屋抗震能力分类结果Table 2 Classification results of seismic capacity of houses in various counties of Xinzhou City

忻州市房屋在忻定盆地分布较集中，该盆地面积约5 015.45 km2，占忻州市国土总面积的19.94%，共解译得到房屋 665 536栋，占忻州市解译房屋总量的56.34%。总体来看，忻州市各县的房屋抗震能力较差，城镇地区的房屋抗震能力达标比例要比农村地区高。农村地区房屋建设无抗震设防要求，房屋一般自行组织当地工人建造，无规范、专业的建筑结构设计。农村居民收入普遍较低，难以负担由于增加抗震结构带来的建筑成本，建房要求主要是费用可负担、美观即可。近年来，农村地区的房屋建造已考虑到圈梁、构造柱等抗震架构，随着农村人口流向城镇，新建房屋少，但大多存量房屋仍欠缺抗震能力。

忻州所辖14个县的城镇化率的中位数是49.88%，GDP的中位数是77 514万元，房屋抗震能力达标率的中位数是4.09%。县城镇化率超过中位数的有忻府区、岢岚县、五寨县、河曲县、宁武县、原平市、偏关县；县GDP超过中位数的有代县、原平市、定襄县、五台县、繁峙县、忻府区、宁武县；县房屋抗震能力达标率超过中位数的有忻府区、岢岚县、五寨县、河曲县、神池县、宁武县、保德县。房屋抗震能力达标比例超过中位数的县与城镇化率超过中位数的县重叠率是71.43%，由此可知，城镇化率与房屋抗震能力呈正相关性，但无明确的相关关系。可以得出，城镇化率越高，所建房屋越有可能具备相应的抗震设防能力。相比较而言，县域的经济情况与房屋抗震能力达标率的相关性较弱。

城镇化率超过中位数而房屋抗震能力达标率未超过中位数有两个县，分别是原平市和偏关县。原平市经济较发达，GDP位居忻州市第二，中高层建筑较多，但每栋包含大量房屋的中高层建筑，在遥感图像识别中认定为1栋房屋，造成识别到的抗震能力达标房屋比实际的少；偏关县城镇地区有大量城中村，建造了许多密集分布的单层房屋，即使城镇化率较高，但房屋的抗震能力并不高。

通过实地调查房屋的建筑结构、高度、用途等属性，对比其在遥感影像上的图形特征。可以得出，通过遥感影像目视解译其层高、跨度、形态的准确度基本无误(见表3)，当总量是几十万计的房屋时，其误差可忽略不计。

表3 忻州市部分房屋实照与影像特征对比Table 3 Comparison of Actual and Image Features of Some Houses in Xinzhou City

3 结语

根据工作经验和遥感影像的特点，制订判别建筑物抗震能力的分类标准，按照判别标准，采用免费可用的高分辨率遥感影像，判定山西省忻州市的房屋抗震能力，基于判定结果进行分析和讨论。可以得出，忻州市房屋的抗震能力普遍较差，其中，城镇地区的房屋抗震能力达标率是农村地区的约10倍，具有显著优势。农村地区建造的房屋长期无抗震设防要求，农村居民可支配收入长期明显低于城镇地区，两者是造成农村房屋抗震能力较差的主要原因。忻州市各县的房屋抗震能力达标率与城镇化率具有正相关性，与其GDP无显著关联。忻州西部6个县的房屋抗震能力达标率均在中位数以上，忻州西部人口相对稀疏、经济产业分布较少，其基本烈度较低，相比较中东部人口密集、经济产业发达地区，房屋震害风险较低。因此，抗震加固应以中东部地区为重点。