無人機高清影像數據在建筑物抗震能力調查中的應用

溫 超，范志偉，劉曉丹，王曉山，楊 凡

（河北省地震局, 石家莊 050021）

0 引言

1976年7月28日在唐山發生7.8 級地震，對人們的生命財產造成嚴重影響。之后到目前為止，唐山地區發生最大地震是2020年7月12日唐山古冶區5.1 級地震[1]。唐山地區地質構造環境復雜，地震多發，根據第五代地震區劃圖，唐山的設防烈度為Ⅷ度區。為了摸清風險底數，加強抗震設防能力，快速掌握唐山地區農村民居抗震設防情況，為震后快速評估、應急處置建議及現場精準救援提供科學依據和技術支撐。本研究就古馬斷裂附近村莊進行了無人機高清影像數據采集，主要以唐山市灤州市東安各莊鎮北李各莊村為例開展相關研究。

無人機數據采集有較強的時效性和靈活的機動性，能夠實時獲取高分辨率正射遙感影像數據及傾斜攝影數據[2]。研究采用了飛馬D2000 無人機掛載D-OP3000 五鏡頭相機對目標區域進行數據采集，數據采集面積為5.5 m3，飛行高度為191 m，遙感影像數據分辨率為3 cm。利用高分辨率的遙感影像和數字高程模型進行三維建模，可以實現三維場景呈現模式的精細化，有助于指揮人員和救援人員在第一時間了解現場的地形分布情況，并對現場有直觀的初步認識，為后期多要素圖層的疊加分析提供技術支撐[3]。

北李各莊村位于鎮政府駐地東安各莊西南3 km，東距紙馬山1 km，南距前李各莊村0.2 km，與前李各莊村為連體村，北距三山院村2.1 km。聚落呈不規則長方形，東西長約500 m，南北長約1300 m。2021年3月17日科研團隊在該居民點開展現場調研工作，北李各莊村有301 戶，1002 人，常住人口1000 人，房屋有406 處院落；前李各莊村有440 戶，1400 人，常住人口1100 人，房屋有550 處院落。該連體村居民地房屋共計956 處院落，無人機影像解譯數據約有930 處院落與實地調研數據基本相符。結合無人機傾斜攝影影像可看出，該村建筑物主要有石木結構、磚木結構和磚混結構3 種結構類型，建筑物總面積0.331 km2。通過實地調研，該連體村居民地建筑物結構類型分為3 類：其中石木結構有69 處，約占7.2%；磚木結構有656 處，約占68.6%；磚混結構有231，約占24.2%。

1 研究方法

利用ArcGis 監督分類法結合無人機高清影像數據，以道路為邊界范圍創建該居民地塊體的矢量面狀要素，并計算各矢量塊體的面積及其占比。依據各居民地矢量塊體面積占比，將實地調研房屋數據進行分布計算（式1）。

式中：H塊為塊體內建筑院落數；H總居民地總戶數；A塊單個塊體面積；A總所有塊體面積。通過公式1 計算得到的塊體戶數與實地調研數據基本相符（圖1）。

圖1 調研點建筑分布情況及結構占比Fig. 1 Distribution of Buildings and Structural Proportion of Research Sites

針對無人機獲取的正射影像和DEM 數據，利用ArcGIS 軟件ArcScene 模塊進行三維場景建模。結合高清分辨率遙感影像數據進行疊加分析，實現數據采集區域的場景真實再現。同時，在三維地形中依托ArcCatalog 和ArcMap 模塊建立居民地塊體基礎數據庫，編輯建筑的面狀要素數據，利用ArcScene 模塊構建出建筑物三維場景模塊[4-5]（圖2）。其中，塊體的拉伸高度為建筑物的層數，對無人機影像判讀，該居民地建筑物均為一層建筑。

圖2 居民地三維場景建模Fig. 2 Three-dimensional scene modeling of residential land

通過無人機三維場景建模對該區域進行識別判讀，該居民地位于山前平原過渡帶（圖3）。在居民地東側與山體交界處有沖溝，據現場調研了解，該沖溝為周邊高地勢區域的雨水匯流沖刷形成，雨水較大時會淹沒村中地勢較低的房屋。進村道路為居民地南北側的村級公路，該村交通通達性一般。居民地南側有鐵路經過，不利于大型救援機械進入，輕型救援隊較為方便。

圖3 無人機三維影像數據Fig. 3 UAV 3D image data

三維場景構建為指揮者和救援人員提供第一手區域基本資料，便于了解該區域居民地分布情況、交通狀況、地形地貌特征、水庫湖泊分布等，為今后開展震后地質災害調查、建筑物損壞等工作奠定基礎。

2 區域典型建筑

2.1 典型建筑結構特點介紹

該居民地距離交通主干道較遠，受當地建造習慣和工匠施工工藝的影響，房屋建筑主要分為3 種結構類型。其中，石木結構占比約7.2%；磚木結構占比約68.6%；磚混結構占比約24.2%。石木結構建于20 世紀70年代，共一層，木屋蓋屋頂，外墻為稍加工塊石，縱墻承重，毛石基礎；層高3 m，進深5 m，正屋3 間，跨度12 m，單間跨度4 m（圖4）。磚木結構建于20 世紀90年代，共一層，外墻370 mm內墻240 mm，木屋蓋平屋頂，預制板假房檐，墻面為下石上磚，地基為毛石基礎；層高4 m，進深9 m，正屋3 間，跨度13 m，單間跨度4.3 m（圖5）。磚混結構建于2010年左右，共一層，外墻370 mm，內墻240 mm，鋼混現澆結構，水泥砂漿砌筑，上下圈梁和橫縱墻四角有構造柱，多為磚基礎；層高5 m，進深8 m，正屋4 間，跨度16 m，單間跨度4 m（圖6）。

圖4 石木結構建筑Fig. 4 Stone wood construction

圖5 磚木結構建筑Fig. 5 Brick wood buildings

圖6 磚混結構建筑Fig. 6 Brick-concrete buildings

2.2 不同結構建筑抗震薄弱環節

2.2.1 石木結構

石木結構房屋的抗震薄弱環節主要表現在以下幾方面：

1）前墻門窗開口較大，且沒有頂梁等有效支撐；

2）縱墻與橫墻無有效連接，墻角有開裂現象；

3）墻體前墻1.2 m 以下為碎石和毛石砌筑，1.2 m以上為紅磚砌筑，后墻和側墻為碎石和毛石砌筑，墻體內部無支撐柱，墻體整體性較差（圖7）；

圖7 石木結構建筑前墻Fig. 7 The front wall of stone-wood structure building

4）屋蓋為檁條直接放置在前后墻體上，沒有做拉纖連接。

石木結構建筑受墻體整體性較差影響，此類建筑抗震性能較差。通過對以往震害數據統計分析表明，此類建筑Ⅶ度時影響時，大部分房屋會發生墻體外閃，屋頂坍塌等震害現象；Ⅷ度影響時，絕大多數建筑墻體外閃，屋頂坍塌，甚至會發生整體垮塌的震害現象[6-8]。

2.2.2 磚木結構

磚木結構建筑的抗震薄弱環節主要表現在以下幾方面：

1）木檁和木梁未做處理，直接擱置在墻體上未與墻體做拉纖連接，且檁端不出頭；

2）屋頂為平頂，出露屋檐為預制水泥板自重較大，與墻體未做拉結處理，存在開裂現象，建筑物的整體性和穩定性較差（圖8）；

圖8 磚木結構薄弱環節Fig. 8 The weaknesses of brick-wood structure

3）門窗開口較大，墻體內部沒有構造柱等構造措施。

該地區此類建筑整體抗震性能一般。通過對以往震害數據統計分析表明，此類建筑Ⅶ度時影響時，墻體多會出現裂縫、墻皮脫落現象，屋頂覆蓋較重的建筑出現局部坍塌的震害現象；Ⅷ度影響會導致大部分建筑物墻體外閃，屋頂坍塌，或少量建筑整體垮塌等震害現象。

2.2.3 磚混結構

磚混結構建筑的抗震薄弱環節主要表現在以下幾方面：

1）門窗開口較大，內部開間較大；

2）屋頂煙囪出露，墻體外掛空調室外機較高；

3）受當地場地環境影響，存在地基沉降現象（圖9）。

此類結構類型房屋抗震性能好于石木結構和磚木結構。從現場實地調查情況看，該居民地場地條件一般，存在地面沉降現象。通過對以往震害數據統計分析表明，此類建筑Ⅶ度時影響時，建筑物墻體多會出現細微裂縫和掉灰現象；Ⅷ度影響時，會導致開口較大的部分墻體明顯裂縫，墻皮脫落等震害現象。

3 結語

本文通過實地調研的方式對唐山市灤州市東安各莊鎮北李各莊村進行數據采集，并提出了人口戶數統計數據結合無人機高清影像分攤到居民地塊體的方法。統計了房屋不同結構類型占比，磚木結構占比最高，將近70%，并分析了該地居民建筑物的結構特點及抗震性能。

1）結合遙感影像解譯居民地塊體數據，通過統計數據分攤到居民地塊體的方法，計算得到大區域面積的人口分布情況；

2）通過現場實地調研，地形和場地效應對房屋抗震性能影響明顯，地面沉降現象在一定程度上影響了當地居民房屋的抗震性能；

3）該地區磚木結構占比較高，建筑質量較差，是地震后人員傷亡和財產損失的主要隱患。烈度為Ⅷ度時，會導致大部分建筑物墻體外閃、開裂，屋頂部分坍塌，少量建筑整體垮塌等震害現象。石木結構在該地區占有一定比例，大部分建筑存在安全隱患，Ⅷ度影響時，絕大多數建筑墻體外閃，貫徹性裂縫明顯可見，屋頂坍塌，部分房屋發生整體垮塌的現象。