SAR图像建筑物震害目视解译与定量评估研究

第一章 绪论

1.1 研究目的与意义
地震是对人类危害最大的自然灾害之一。千百年来，地震不断给人类造成严重的人员伤亡和经济损失。随着社会、经济的发展，地震的危害越来越严重。2008年发生在我国的汶川特大地震造成69197人遇难，374176人受伤，18209人失踪，直接经济损失高达 8451 亿元人民币。2010 年的海地地震造成 11.3 万人丧生，19.6万人受伤；智利地震造成至少 750 人死亡，玉树地震造成 2220 人遇难。2011 年日本 9.0 级大地震引起巨大的海啸，造成大量人员伤亡，并引起核泄漏事故。严峻的地震灾害形势对人类的防震减灾能力提出了更高的要求。在目前地震预报没有过关的情况下，震后快速、全面、准确地了解地震灾情，实施有效的应急救援显得特别重要。传统的地面调查方法耗时长、效率低，难以满足地震快速响应的需求。更有甚者，破坏性地震往往造成灾区通信和交通系统的破坏，有些地震发生在边远地区，这都使得灾情实地调查变得十分困难。并且，像 2011 年日本地震引起的核泄漏事故，使实地调查变得十分危险。遥感技术由于具有快速、覆盖范围大、信息量丰富、不受地面自然条件限制等优势，自诞生以来就被应用于地震灾情调查中，并且历次地震应急实践也证明了其优越性。
随着遥感技术的快速发展，遥感灾情调查受到了人们的高度重视。我国的《国家地震应急预案》中，明确指出要“综合利用遥感等高新技术，实现灾情的快速响应、应急指挥决策、灾情损失快速评估与动态跟踪”（国务院，2006）。《国家综合防灾减灾规划（2011-2015）》也指出“加强遥感、地理信息系统、导航定位、三网融合、物联网和数字地球等关键技术在防灾减灾领域的应用研究，推进防灾减灾科技成果的集成转化与应用示范”（国务院，2011）。遥感已然成为应对重大地震灾害的有力技术手段，并将在未来的地震灾情调查中发挥越来越重要的作用。应用遥感手段进行地震灾情监测与应急救援，最为关键的是及时获得高质量的遥感数据源。
光学遥感属于被动式遥感，依赖于太阳光照，并且易受云雨等恶劣天气的影响，在灾区天气状况不佳时，光学遥感则很难有效地获取影像，这大大影响了遥感应急救援的时效性。SAR（SyntheticAperture Radar）遥感作为一种特殊的遥感，能够穿透云雾雨雪，不依赖于太阳辐射，具有全天时、全天候成像的能力，在地震应急中具有特殊的优势。近年来，SAR 遥感发展迅速，各种高空间分辨率、高时间分辨率、多极化的 SAR 卫星相继发射，为震害信息提取提供了充足的影像数据。但是 SAR 遥感是一种主动式遥感，其成像机制、影像特征和图像处理方法与光学遥感有较大差别，基于 SAR 影像的震害解译十分困难，不能直接利用光学遥感领域取得的成果。目前，SAR 影像震害信息提取方法研究相对较少，缺少实用化的震害提取方法。因此，开展 SAR 影像震害信息提取研究具有重要的实用意义。地震造成的灾害可分为建筑物震害、构筑物震害、生命线工程震害、场地震害和次生灾害等 5 大类（陈鑫连，1995）。其中建筑物震害与人员伤亡、经济损失的关系最为密切，是地震烈度评定的主要依据。本文的目的是以建筑物震害为研究对象，开展 SAR 影像建筑物震害信息提取方法研究。

1.2 国内外研究现状
1.2.1 遥感技术在建筑物震害信息提取中的应用
（一）遥感技术的发展历程遥感（Remote Sensing），顾名思义是遥远感知的意思。它作为一个专用名词，最早由美国海军科学研究局的 Pruitt 于 20 世纪 60 年代提出。但是,这个术语为科技界普遍接受，则由密执安大学 Willow Run 实验室具体负责组织的一系列学术讨论会及其出版物的广泛传播所致（阎守邕，2009）。遥感有广义和狭义之分。广义的遥感，泛指通过非接触传感器遥测物体的几何与物理特性的技术，实际上包括了电磁波遥感和力场遥感两部分内容（阎守邕，2009）。狭义的遥感，仅指电磁波遥感，也就是从非接触成像和其他传感器系统，接收地面物体反射或发射的电磁波信号，通过记录、量测、分析与表达等处理，获取地球及其环境和其他物体的几何、物理信息的技术。本文所指的遥感为狭义的遥感。
遥感这一概念虽然至 20 世纪 60 年代才发展起来，但其前身摄影测量却有很长的历史。1839 年法国人达盖尔（Daguerre）发明了摄影技术之后，摄影测量学开始了它的发展历程（张剑清等，2003）。1851年，法国陆军上校劳赛达（Laussedat）提出交会摄影测量并测绘了万森城堡图，标志着摄影测量的开始。这时的摄影测量技术可看作地面遥感。1855 年法国人纳达尔（Nadar）提出使用航空照片进行测绘的概念，并获得专利，但直到 1858 年才成功乘坐气球在 80 米上空拍摄了世界上第一张航空相片（PAPA, 2012）。纳达尔的早期相片并没有留存下来，现存最早的航空相片是美国人布莱克（Black）于 1860 年在气球上拍摄的波斯顿的影像（Khorram 等，2012）。1903 年莱特兄弟发明了飞机，为摄影测量提供了重要的航空平台。1909 年，人类第一次在飞机上拍摄了航空相片（PAPA, 2012）。第一次世界大战中，航空摄影技术被用于军事侦察，在两次世界大战之间的时期里，航空摄影技术开始用于民用领域，包括测量、地理、农业和林业等（Rees, 2001）。遥感技术在第二次世界大战期间取得重大进展，出现了近红外敏感仪器和雷达成像系统（Rees, 2001）。

1.3 本文研究内容 ..................35
1.4 本文组织结构 ..................35-37
第二章 基础理论与数据 ..................37-53
2.1 雷达遥感物理基础 ..................37-38
2.2 雷达遥感影像特征 ..................38-45
2.3 高分辨率雷达遥感系统 ..................45-50
2.4 本文所用数据 ..................50-53
第三章 SAR 影像建筑物震害目视解译与定量评估 ..................53-73
3.1 建筑物震害分类分级 ..................53-55
3.2 SAR 影像建筑物震害特征理论分析 ..................55-63
3.3 真实 SAR 影像上的建筑物震害影像特征 ..................63-66
3.4 建筑物震害目视解译标志 ..................66-67
3.5 遥感震害定量化评估模型.................. 67-68
3.6 玉树县城建筑物震害定量评估.................. 68-71
3.7 讨论与结论 ..................71-73
第四章 基于 SAR 影像分形特征的建筑物震害信息自动提取 .............73-93
4.1 分形理论基础 ..................73-75
4.2 分形维数的计算模型 ..................75-82
4.3 机载 SAR 影像分维值计算结果与分析.................. 82-91
4.4 讨论与结论 ..................91-93

总结

本文初步研究了 SAR 影像建筑物震害信息提取方法。首先介绍了与 SAR 影像建筑物震害信息提取相关的雷达遥感基础理论、高分辨率雷达遥感数据源及本文所使用的基础数据，然后进行了 SAR 影像建筑物特征分析和建筑物震害目视解译研究，最后研究了基于单时相 SAR 影像分形特征的建筑物震害信息自动提取方法。取得的主要成果如下：
（1）总结了可用于震害评估的高分辨率雷达遥感系统的特征。SAR 影像的空间分辨率、时间分辨率、极化能力和空间覆盖范围是对地震应急而言最为重要的几个性能指标，COSMO-SkyMed、TerraSAR-X、RADARSAT-2 和国产机载 X波段 SAR 等高分辨 SAR 系统在这些性能上有其自身独特的优势，可在震害评估中发挥重要作用。数据源是遥感震害评估的基础，它决定了震害评估方法的选择，影响着震害评估结果的精度。
（2）提出了 SAR 影像建筑物震害分类分级标准。参考国内外地面调查、光学遥感震害评估和 LiDAR 震害评估时所使用的震害分类分级标准，根据 SAR 影像自身的特点，提出将 SAR 影像建筑物震害分成基本完好、部分倒塌、倒塌三级，而建筑物的类型不做细致划分。
（3）基于建筑物几何模型分析了建筑物在 SAR 影像上的特征，这是与以往的建筑物震害目视解译显著不同之处。建筑物按其轮廓区域和屋顶高度分布分为平顶建筑物和尖顶建筑物。建筑物在 SAR 影像上的典型特征有叠掩、角反射效应、阴影和尖顶建筑物的屋顶单次反射效应等。随雷达入射角和建筑物几何结构之间关系的不同，建筑物 SAR 影像特征也不同。

参考文献

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陈文凯，何少林，周中红，等. 2010. 地震前后遥感影像分形特征研究. 大地测量与地球动力学, 30(6): 24-30.
陈曦，张景发，赵福军，等. 2012. 向导式遥感震害评估系统研制. 国际地震动态, (1): 13-19.
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陈颙，陈凌. 2005. 分形几何学(第2版). 北京: 地震出版社.
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程家喻，杨喆. 1993. 震害航空遥感调查的精度估计.
何建邦, 田国良、王劲峰，编. 重大自然灾害遥感监测与评估研究进展. 北京: 中国科学技术出版社, 133-139.