引言

地震灾情信息是抗震救灾工作的基础之一，其传递内容和方式直接影响抗震救灾工作效率，地震后的灾情快速获取、有效应急救援和灾后快速调查是减轻地震灾害的直接方式（帅向华等，2011；肖本夫等，2020）。随着无人机航空摄影技术的逐渐成熟，地震灾情信息获取的效率和准确性得到了极大提升。倾斜摄影技术是国际测绘领域近年来发展起来的高新技术，不仅能够真实反映地物情况，而且还采用先进的定位技术，嵌入精确的地理信息，产生更丰富的影像信息（帅向华等，2018），同时，三维建模形成的点云数据能够定量获取建筑结构细节信息，可为数值分析三维实体模型提供便利条件（张方浩等，2021）。通过倾斜摄影技术获取的目标区域航空遥感影像具备多方位、多角度、多细节、高精度等特点，该项技术已应用于地震灾害调查与评估（许建华等，2017；帅向华等，2018；张方浩等，2021）、震后承灾体精细化信息提取（李玮玮等，2016；荆帅军等，2019；Zhang等，2020；张露露等，2021）和震后三维影像重构（Xu等，2020）等地震领域。同时，依托该技术的无人机摄影系统装备目前已作为大震应急物资列装于多震省份，并作为常规业务系统进行运行维护。

2021年9月16日4时33分，四川泸县（29.20°N，105.34°E）发生M_S6.0地震，震源深度10 km，地震微观震中位于泸县玉蟾街道附近。据四川省“9·16”抗震救灾现场联合指挥部统计，至2021年9月17日12时，泸县地震灾害造成3人死亡，146人受伤，紧急转移76 548人、紧急转移安置14 400人，设置安置点121个，搭建救灾帐篷2 500顶，调拨折叠床2万余张、被子2万余床和生活物资1万余件。除此以外，地震还造成大量房屋受损。震后四川省地震局启动Ⅱ级应急响应，现场工作组第一时间出发赶赴震区协同当地政府抗震救灾，并派出无人机小组对震中及附近受灾严重的福集镇、嘉明镇等区域进行了震害调查、烈度评定及人员伤亡原因调查工作。在现场应急处置过程中，震后72 h内完成目标区域9个航次共计2 930张无人机影像数据的航拍调查、三维可视化模型构建和无人机地震灾害解译任务，在震后48 h内，采用实时传输方式将极震区福集镇大田社区的无人机震害调查实景回传至现场指挥部，为现场指挥部实时了解极震区震害情况、地震烈度评估和辅助决策工作起到了重要作用。这是大震应急物资储备项目中无人机平台及倾斜摄影系统在四川境内的第一次实战应用，通过本次地震，有针对性地提出了无人机设备在四川地震现场应急工作中的技术流程，对于规范大震应急物资在地震现场应急工作的属地化应用具有重要意义。因此，本文在结合地震现场应急工作的基础上，提出基于无人机倾斜摄影技术的属地化震害调查分析技术流程，通过构建四川泸县M_S6.0地震极震区部分区域群体建筑高分辨率三维模型，实现了典型建筑物震害和遇难人员周边环境解析，并初步分析了本次房屋震害和人员遇难原因，为地震现场震害调查、地震烈度评定及灾情研判提供了参考依据。

1.   极震区概况

依照GB/T 18208.3—2011《地震现场工作 第3部分：调查规范》（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2012）、GB/T 17742—2020《中国地震烈度表》（国家市场监督管理总局等，2020），地震应急现场工作队在灾区开展烈度调查工作并编制完成《四川泸县6.0级地震烈度图》（图1）。

图 1  四川泸县M_S6.0地震烈度图 ¹

Figure 1.  Intensity map of the Luxian M_S6.0 earthquake

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此次地震烈度的等震线长轴呈北西西走向，长轴62 km，短轴54 km，极震区烈度为Ⅷ度，面积约103 km²，主要涉及四川省泸州市泸县福集镇、玉蟾街道、嘉明镇，内江市隆昌市云顶镇，共4个乡镇（街道）。

无人机地震灾害调查任务采用抽样调查方式，抽样调查区域包括极震区的福集镇大田社区、福集镇草坝村、嘉明镇团山堡村和隆昌市云顶镇，抽样点选取主要参考现场灾情程度、人员伤亡分布信息、区域人口密度和建筑物承灾体密度等，选取的抽样点基本能够反映本次地震极震区震害情况。

2.   数据与方法

2.1   技术路线

针对地震现场应急工作时效性要求高、现场实地调查任务重等特点，制定了基于无人机倾斜摄影技术的震害调查分析技术流程（图2），具体为：（1）根据地震现场实际情况，采用无人机平台和倾斜摄影系统对目标区域进行航空摄影，以获取多方位航空遥感数据；（2）使用大疆智图软件平台对目标区航空遥感数据进行图像拼接、空三解析和三维数字建模处理，分别获取数字表面模型、数字正射影像图和三维模型；（3）通过目视解译方法标注目标区房屋基础参数、周边环境基础参数及震害情况，提取建筑物群体震害特征和人员伤亡特征，在此基础上，结合三维模型及其他技术成果，进一步分析震害原因。

图 2  倾斜摄影震害调查分析技术流程

Figure 2.  Workflow of seismic damage investigation and analysis using oblique photography

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2.2   数据获取与处理方法

使用大疆M300 RTK无人机、搭载MS Smart2五目倾斜摄影相机和禅思P1全画幅相机对极震区的福集镇大田社区、福集镇草坝村等区域进行无人机航拍，无人机平台性能基本参数和倾斜摄影系统性能参数分别如表1、表2所示。采用大疆智图软件对无人机遥感影像数据进行高精度三维模型构建。建立的福集镇大田社区震后三维模型如图3所示，建模后的三维模型可通过人工目视解译方法进一步测量标注，提取建筑物震害空间分布信息及规模等参数。无人机遥感数据获取及处理任务采取每日处理上报原则，所有任务在震后72 h内完成，其中航拍作业时间约3 h，核心区域三维模型建模时间5 h，人员伤亡虚拟现实（Virtual Reality，VR）场景构建时间1 h。

表 1  无人机系统性能参数

Table 1.  Specifications of UAV system

无人机平台性能名称	M300 RTK技术参数
质量/kg	6.3（含2块电池）
最大载重/kg	2.7
最大飞行海拔高度/m	5000（2110桨叶，起飞质量≤7 kg）
悬停精度/m	垂直精度：±0.1；水平精度：±0.1（RTK定位正常工作时）
最大旋转角速度/（°·s−1）	俯仰轴：300；航向轴：100
最大上升速度/（m·s−1）	S模式：6；P模式：5
最大下降速度/（m·s−1）	S模式：5；P模式：4
最大可承受风速/（m·s−1）	15（7级风）
防护等级	IP45

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表 2  无人机倾斜摄影系统性能参数

Table 2.  Specifications of UAV photography system

无人机荷载性能名称	MS Smart2技术参数	禅思P1技术参数
质量/g	580	约800
镜头数量/个	5	1
传感器尺寸/mm	22.3×14.9	35.9×24.0
照片尺寸/Pix	6 000×4 000	8 192×5 460
最小拍照间隔/s	0.2	0.7
有效像素	2 430万（总像素＞1.2亿）	4 500万
防护等级	IP54	IP4 X
搭载续航 /min	约45	约45

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图 3  福集镇大田社区震后三维模型

Figure 3.  Three-dimensional model of Datian community in Fuji town after earthquake

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3.   极震区震害分析

3.1   建筑物震害特征与分析

传统的正射遥感影像主要获取建筑物的顶部信息，可在一定程度上反映震后房屋的破坏情况，但由于其视角较单一，所获取的震害信息有限，易产生错判和误判。而三维倾斜影像可反映除屋顶以外的如墙体外闪、开裂等破坏情况，可更直观地体现建筑物震害信息。因此，在本次泸县M_S6.0地震震害调查中采用无人机正射影像、倾斜摄影影像与地面调查相结合的方法，对极震区福集镇大田社区进行调查。典型建筑物震害提取如图4所示，图4中部为福集镇大田社区正射影像图，分辨率为3 cm，可直观地反映房屋顶部信息。通过对正射影像的初步解译，发现5处（图4中编号①、②、③、④、⑤）具有典型震害信息的区域，并在建模后的三维影像中定位到相应位置，输出三维模型影像。

图 4  福集镇大田社区典型建筑物震害提取

Figure 4.  Seismic damage extraction of typical buildings in Datian community of Fuji town

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从研究区的整体情况来看，研究区房屋结构类型主要为钢筋混凝土框架结构、砖混结构及土木结构。其中土木结构房屋少数整体倒塌，多数墙体开裂、外闪和局部垮塌；砖混结构房屋个别局部倒塌，多数墙体开裂，窗洞和门洞开裂；钢筋混凝土框架结构房屋少数填充墙开裂、外闪、倒塌，多数墙、梁结合部位开裂。

钢筋混凝土框架结构房屋多为政府办公楼、医院或学校等公共用房，除部分房屋存在墙、梁结合部位开裂现象外，其承重或非承重构件未发现倒塌或贯穿性开裂等现象，多数墙体出现轻微裂缝，少数房屋外墙瓷砖大面积脱落，整体破坏情况较轻微。在遥感影像中体现为建筑物轮廓完整，屋顶颜色、纹理均匀，墙体纹理不均匀，层次变化相对丰富。钢筋混凝土框架结构房屋典型震害情况如图5所示。

图 5  典型钢筋混凝土框架结构房屋震害

Figure 5.  Typical seismic damage of reinforced concrete frame structure building

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砖混结构房屋多为2～6层居民楼，该类型房屋整体立面完好，但承重构件出现明显破坏，破坏情况较严重。在遥感影像上体现为建筑物轮廓不完整，屋顶色调和纹理不均匀，房屋垮塌及塌陷处形成局部废墟影像，女儿墙等脱落堆积物在图像上显示出明显的明暗色调变化，墙体多出现单向或X形剪切裂缝。砖混结构房屋典型震害情况如图6所示。根据图6（a）判断建筑物已倒塌，可初步判定为毁坏，但由图6（b）、图6（c）可知，该栋建筑仅最上层搭建的彩钢瓦部分倒塌，下层并未发生倒塌现象，仅女儿墙等附属结构部分倒塌，可定义为中等破坏。根据图6（d）判断建筑物顶层色调相对均匀，可初步判定为基本完好，但由图6（e）、图6（f）可知，该建筑物底层墙体出现整层贯穿性X形剪切裂缝，结构基本使用功能受到严重影响，难以修复，需定义为严重破坏。由此可见，通过对三维影像的解译能够更多地展示建筑物震害信息，有利于更准确地评价建筑物震害等级。

图 6  典型砖混结构房屋震害

Figure 6.  Typical seismic damage of brick-concrete structure building

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土木结构房屋多为乡村自建房屋，房龄超过20年，其抗震性能差。该类型房屋少数整体倒塌，多数墙体开裂、外闪和局部垮塌，整体破坏较严重。在遥感影像上体现为建筑物轮廓不完整，房屋屋顶梭瓦或瓦片掉落形成漏顶现象，造成色调不均匀，塌陷处形成局部废墟影像。土木结构房屋典型震害情况如图7所示。

图 7  典型土木结构房屋震害

Figure 7.  Typical seismic damage of civil structure building

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由此可见，通过无人机正射影像、倾斜摄影影像和地面现场调查相结合的方法，不仅能够获得建筑物的顶部信息，还能够多角度地获取建筑物墙体或底部等部位的震害信息，这些细节信息能够修正正射影像的不足，同时可在一定程度上提高建筑物震害信息提取的精度，可为地震应急救援、人员指挥调度和烈度评估提供科学依据。

3.2   人员伤亡情况与分析

泸县人口总数100多万，震中附近人口稠密，人口密度1 120人/km²。至2021年9月17日12时，泸县地震灾害造成3人死亡，146人受伤，其中3人重伤。地震发生后，地震现场工作组采用现场调查、实地走访、无人机航拍等方式对3名遇难人员、3名重伤人员信息及59名中、轻度受伤人员情况进行详细调查。根据倾斜摄影遥感影像，多数伤亡人员致死或致伤的地点位于房屋外侧，房屋墙体有不同程度的开裂，周边地形相对平坦（图8），伤亡原因以房屋附属构筑物、附属物致死或致伤为主。

图 8  福集镇草坝村典型人员伤亡周边环境

Figure 8.  Surrounding environment of typical casualties in Caoba village, Fuji town

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结合实地现场调查情况，对本次地震总体人员伤亡情况及原因进行了统计分析，得出以下初步结论：①人员伤亡主要集中在高烈度区域，伤亡主要原因为砖混结构或砖木、土木结构房屋在地震作用下，房屋附属设施或局部构件（如女儿墙）产生垮塌等破坏，造成人员被压埋或击打致死、致伤；②由于当地近年来未发生过破坏性地震，人员防震减灾意识薄弱，防震避震经验不足。

4.   结论与建议

通过本文研究，得到如下结论：

（1）通过无人机航拍的影像及视频数据，可快速掌握飞行区域的整体情况，能够快速发现航拍区域中房屋建筑受损较严重的区域，为人员调度、应急救援和地震烈度评估提供科学支撑，对其进行重点调查，也可有效提高地震现场调查的工作效率。

（2）通过对航拍影像的建模处理，生成航拍区域的高分辨率正射影像和三维模型，可直观、准确地反映地震极震区建筑物破坏及周边环境的细节信息，可实现震害精准化分析及解译，可为震后灾情研判、地震烈度评估和承灾体破坏机理研究提供参考依据。通过无人机技术对人员伤亡环境进行调查，可实现人员伤亡周边区域建筑物、重点隐患空间分布及地形地貌环境的多角度识别，进而为分析人员伤亡原因提供参考依据。

（3）通过无人机影像震害分析，极震区范围内房屋质量整体情况相对较差，且多建有附属构件、维护结构和附属设施。相当比例的人员伤亡是由于房屋附属构件、维护结构和附属设施等受损或垮塌造成。建议现场处置过程中加强房屋附属构件、维护结构和附属设施等隐患排查工作，对老旧房屋和新建房屋中有安全隐患的附属构件、维护结构和附属设施等进行加固或拆除，同时在地震应急处置过程中，现场处置人员需配备必要的安全保护装备，防止余震造成二次人员伤亡。

（4）现阶段无人机设备及相应技术被广泛应用于地震现场灾情调查工作中，但目前针对倾斜摄影技术的地震灾害调查及三维可视化震害解译的技术规范依旧缺乏或针对性不强，另外对于三维可视化震害方面的定量评估方法也需进一步探索。建议编制无人机地震现场调查相关技术规程，进一步研究定量评估方法，使该项工作本地化、规范化、程序化和科学化。

致谢 感谢四川泸县M_S6.0地震现场工作队各成员单位提供现场实地调查资料，感谢四川测绘地理信息局和ESRI公司提供无人机航拍技术支持。