地市震害预测和快速评估中高分辨率遥感技术的应用研究

摘要

地震灾害是目前人类所面临的最严重的自然灾害之一，给人类造成了极大的灾难和损失。随着城市化程度的提高，人口密度的增大，地震灾害对人类的危害也变得越来越大。对于城市地震灾害而言，编制和实施城市抗震防灾规划，是减轻城市地震灾害的重要手段，震害预测工作则是编制抗震防灾规划的基础；同时，地震后社会的应急反应对控制灾害的发展和减轻灾害的损失有重要影响，而快速的应急反应则取决于能否迅速获取可靠的灾情信息。
　　 目前，对于建筑物震害预测和震后灾情评估主要基于人工调查建筑物信息及相关震害信息的基础上的。这种传统的信息获取方法费时费力，而且数据获取周期长，无法保证数据的时效性和震后应急救援工作的需要。以3S为代表的信息技术因其获取信息快速、空间定位准确，在防震减灾中有着巨大的应用前景。近年来，随着遥感技术的发展，尤其是高分辨率民用遥感卫星的成功发射和应用，使得利用遥感技术进行地震震害预测和震后快速评估成为可能。
　　 本文对于利用高分辨率遥感影像获取建筑物震害预测基础数据展开了研究，以一个试验区为例，进行了不同烈度下建筑物的震害预测；同时对在城市震后震害快速评估中具有实际效用的图像识别技术及遥感图像变化检测技术进行研究，利用不同方法，对汶川地震中江油市及都江堰市进行了震害评估。主要研究内容包括：
　　 1.根据遥感及高分辨率遥感影像的系统结构和特点，结合震害预测和震后灾情评估工作的现状，提出高分辨率遥感影像在城市震害预测和快速评估中应用的可行性和必要性。并总结归纳了相关遥感图像信息提取技术。
　　 2.分析了高分辨率遥感影像上建筑物和阴影的特征，提出了高分辨率遥感影像上建筑物及其阴影的提取原理和方法。根据太阳、卫星、高度与阴影的相对几何关系，分几种情况推导了阴影和建筑物高度之间关系的计算公式。利用建筑物震害预测必须满足一定数量的抽样调查的特点，结合少量工程实际现场调查工作，推导了较为简便的建筑物高度计算公式。利用基于样本的计算机自动分类方法，对高分辨率遥感图像中的建筑物信息进行了提取，并提出利用阴影自身矢量图切割太阳投射方向的直线来获取阴影长度的方法。基于提取出来的高分辨率遥感影像的建筑物基本属性信息，以上海市宝山杨行几个街区为试验区，进行了震害预测。
　　 3.分析了建筑物及其震害遥感影像的特征，并对高分辨率遥感影像中震害信息的提取及震害变化检测技术进行了研究。通过地震前后图像的合成或处理，可以定性或定量地确定震害程度。以汶川地震中江油市某小区为例，对采用单时相的人机交互式方法来提取倒塌建筑物进行了研究，同时计算了建筑物倒塌率。
　　 4.提出了地震前后遥感图像的变化检测概念、方法和主要工作流程，重点研究了建筑物震害遥感图像的各种变化检测方法，包括比值法、差值法、彩色合成和相关性分析。利用上述方法对汶川地震中都江堰市地震前后高分辨率遥感图像进行变换检测处理，利用结果图像对建筑物地震前后变化情况进行分析；计算了都江堰市北地区建筑物倒塌率。应用IDL语言，对ENVI进行了二次开发，编制了相关性分析的软件。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 城市地震灾害特点及防震减灾

1.2 城市开展震害预测和编制抗震防灾规划的必要性

1.3 城市地震震害快速评估的重要性

1.4 将遥感技术应用于城市抗震防灾工作中的可能性与紧迫性

1.5 国内外研究现状概述

1.6 选题的背景和意义

1.7 论文主要工作内容

第二章 遥感及其在城市防震减灾中的应用

2.1 遥感的概念、分类及其特征

2.1.1 遥感的概念及分类

2.1.2 遥感技术的特点

2.2 遥感的主要应用领域

2.3 主要遥感技术手段在城市防震减灾中的应用

2.3.1 航空遥感技术在防震减灾中的成熟应用

2.3.2 卫星遥感技术的发展

2.3.3 高分辨率卫星遥感技术带来的新机遇

2.4 本章小结

第三章 遥感图像信息提取

3.1 遥感图像目视判读

3.1.1 遥感影像目视判读原则

3.1.2 遥感影像目视判读方法

3.2 遥感图像计算机信息提取

3.2.1 几何纠正

3.2.2 几何配准

3.2.3 辐射校正

3.2.4 分类

3.3 本章小结

第四章 建筑物遥感图像特征信息增强提取技术研究

4.1 高分辨率遥感图像

4.1.1 目前世界主要高分辨率遥感卫星

4.1.2 高分辨率卫星遥感影像的特点

4.2 高分辨率遥感图像上建筑物和阴影特征分析

4.2.1 遥感图像中建筑物的基本特征

4.2.2 建筑物几何特征

4.2.3 建筑物光谱特征

4.2.4 建筑物阴影分布特征

4.2.5 阴影灰度特征

4.2.6 阴影结构特征

4.2.7 建筑物及其震害遥感图像的结构分析

4.3 建筑物三维属性提取

4.3.1 太阳、卫星、建筑物高度与阴影的几何关系及其计算方法

4.3.2 建筑物阴影提取

4.3.3 建筑物提取

4.3.4 主要工作流程

4.4 工具软件ENVI简介

4.4.1 ENVI的特点

4.4.2 ENVI的功能及应用

4.4.3 ENVI/IDL的二次开发

4.5 数据验证及精度分析评价

4.5.1 数据验证

4.5.2 误差因素分析及精度评价

4.6 本章小结

第五章 城市建筑震害预测中高分辨率遥感技术的应用研究

5.1 建筑物震害预测的国内外现状及趋势

5.1.1 国外建筑物震害预测的发展历程

5.1.2 国内建筑物震害预测的发展历程

5.2 基于高分辨率遥感图像的城市建筑物震害预测方法研究

5.2.1 城市建筑震害预测的特点及工作流程

5.2.2 基于高分辨率遥感图像震害预测的技术流程

5.2.3 建筑物基本属性数据提取

5.2.4 试验区分区及建筑物属性数据统计

5.2.5 试验区各类建筑的震害矩阵

5.2.6 试验区建筑物震害预测

5.3 试验区基于高分辨率遥感图像的震害预测结果

5.4 本章小结

第六章 高分辨率遥感图像在震害快速评估中的应用研究

6.1 遥感技术在震害评估中的应用现状与发展趋势

6.2 高分辨率遥感图像中震害信息的提取技术研究

6.2.1 单时相震害遥感信息提取技术

6.2.2 多时相震害遥感信息提取技术

6.3 建筑物震害遥感图像的形成机制及特征

6.3.1 建筑物震害遥感信息的形成机制

6.3.2 震害遥感影像的特征

6.4 单时相高分辨率遥感影像的震害评估技术及实例应用

6.4.1 建筑物三维信息的提取

6.4.2 建筑物震害信息的提取

6.5 高分辨率震害遥感影像的变化检测技术与震害评估实例

6.5.1 变化检测工作流程

6.5.2 地震前后遥感图像间的配准

6.5.3 图像增强

6.5.4 地震前后影像灰度匹配

6.5.5 非重点区剔除

6.5.6 地震前后遥感图像变化检测处理

6.5.7 汶川地震都江堰市高分辨率卫星遥感图像变化检测与震害评估实例

6.6 小结

第七章 结语

7.1 论文研究工作总结

7.2 今后的工作展望

致谢

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果