基于倾斜摄影的2021年云南漾濞MS6.4地震典型震害调查分析.docx

基于倾斜摄影的2021年云南漾濞MS6.4地震典型震害调查分析 张方浩 杜浩国 张原硕 张建国 卢永坤 曹彦波摘要：倾斜摄影建立的高分辨率三维模型，能够呈现建筑物立体视觉效果，便于对建筑物结构、墙体、门窗等详细破坏情况进行分析，弥补了传统遥感影像只能获取建筑物顶部信息的局限2021年5月21日漾濞MS6.4地震发生后，利用多旋翼无人机、采用倾斜摄影的方式拍摄了Ⅷ度区的苍山西镇花椒园村背阴坡小组建筑物多个角度影像，建模生成高分辨率三维模型，并对破坏最严重的某户民居的破坏情况和原因进行了分析，认为造成破坏加重的不利因素有：山体的放大效应、边坡的放大效应、多次地震震害叠加效应以及建筑墙体自身缺陷关键词：震害调查;倾斜摄影;高分辨率;漾濞MS6.4地震：P315.94 ：A ：1000-0666（2021）03-0481-090 引言随着遥感技术的推广、遥感影像分辨率的提高和遥感信息提取技术的发展，遥感技术逐渐成为快速获取地震灾情信息、震后应急和震害快速评估的有效手段（赵福军，2010）无人机航空遥感系统具有实时性强、机动灵活、影像分辨率高、成本低等优点（雷添杰等，2011），在地震造成通讯和交通中断、人员无法进入、信息传递受阻的地区，可快速获取灾区遥感影像数据，故在震后灾情获取和震害调查中扮演着越来越重要的角色。

近年来倾斜航空摄影的发展，为典型工程结构的震害调查和科考提供了新的手段倾斜摄影技术通过飞行器搭载一种或多种传感器，拍摄建筑物多个角度影像，建模生成的高分辨率三维模型展现了建筑物丰富的细节层次和侧面纹理信息，弥补了传统遥感影像只能获取建筑物顶部信息的局限研究人员利用高分辨率倾斜影像和三维点云数据，建模生成三维影像获取建筑物侧面和顶部纹理影像，分析屋顶和外墙破坏特征（帅向华等，2018;Galarreta et al，2015;陈文凯等，2008），并采用人工目视解译、房屋倾斜程度计算、房屋立面裂缝识别等方法评估单体或群体建筑物的破坏程度（林月冠，2016;荆帅军等，2019;杜浩国等，2019）倾斜摄影技术可以全方位获取建筑结构震害情况的影像，然后根据三维建模形成的点云数据测量建筑结构破坏的定量参数如裂缝宽度等，为数值分析结构三维实体模型提供便利条件2021年5月21日漾濞6.4 级地震发生后，云南省地震局地震现场工作队第一时间赶赴灾区开展应急工作，将无人机倾斜摄影技术应用于地震现场震害调查工作中，迅速有效地获取了地震后建筑物的破坏状态，为地震烈度评估及震害分析提供了真实精确的第一手资料。

通过对获取的几个破坏较重的区域遥感影像数据处理及目视解译，发现位于漾濞县苍山西镇花椒园村背阴坡小组的一户土木结构民房破坏十分严重，而在以往云南地区同级别地震中从未发现类似破坏现象在地形地貌及场地条件复杂的云南地区，历次地震中都会出现一些破坏异常的点或区域分析其破坏原因，对于当地或类似情况的点或区域的恢复重建选址、抗震设防规划以及地震灾害风险普查具有重要意义因此，本文利用无人机倾斜摄影获取的低空遥感影像对这户毁坏的土木结构民房的破坏情况及原因进行分析1 研究区概况2021年5月21日21时48分，在云南省大理州漾濞县（99.87E，25.67N）发生 6.4 级地震，震源深度8 km根据云南省地震局（2021）发布的《云南漾濞MS6.4地震烈度图》，地震最高烈度为Ⅷ度，Ⅵ度区及以上总面积约6 600 km2（含洱海），等震线长轴呈NNW走向，极震区位于苍山西镇，Ⅷ度区分布在苍山西镇、漾江镇、太平乡境内本次地震造成3人死亡，34人受伤，直接经济损失32.7亿元灾区各乡镇房屋遭受不同程度破坏，框架房屋少数墙柱、墙梁结合部位开裂，砖混房屋部分墙体、墙柱和墙梁结合部位开裂，土木房屋少数墙体倒塌，部分局部倒塌，多数开裂、墙体外闪，普遍梭掉瓦。

漾濞县苍山西镇花椒园村背阴坡小组位于位于Ⅷ度区内，有户籍人口87人，民房23处，其中土木结构8户、砖木结构13户、砖混结构2户经现场核查本次地震造成背阴坡小组民房轻微破坏15户、中等破坏7户、毁坏1户2 数据与方法2.1 技术流程本文基于无人机低空倾斜摄影技术调查分析漾濞地震中的典型震害及原因，具体技术流程如图1所示首先利用作业效率较高的多镜头倾斜摄影无人机对破坏较重的区域进行航拍，获取不同角度的航拍影像图，再利用软件进行快速拼接处理和三维建模，形成数字正射影像图、数字地表模型和三维地表模型，最后通过计算机软件和目视解译发现破坏特别严重的某户民房，利用灵活轻便的微型旋翼无人机对该户民房进行360度航拍，建立三维全景模型，分析破坏的详细情况和不利因素2.2 影像数据及方法采用飞马D2000无人机和D-OP3000倾斜摄影模块（五镜头）对整个背阴坡小组进行航拍，无人机性能基本参数和采集过程及产品参数见表1将获取的无人机遥感数据利用飞马无人机管家软件构建背阴坡小组的倾斜摄影三维模型图2能够展现村庄整体破坏情况和建筑物所在位置局部地形地貌情况通过目视解译发现背阴坡小组民居破坏整体较重，主要震害现象是屋顶局部梭瓦、屋檐瓦或砖闪落、房屋围挡墙体开裂或局部倒塌，尤其是山墙顶部倒塌严重;其中一户土木结构房屋柱子折断、墙体倒塌，达到毁坏等级。

针对这户毁坏的民房，现场采用大疆精灵4无人机，航拍高度80 m，拍摄了69张倾斜摄影照片，构建民房的倾斜摄影三维模型，该模型能够呈现建筑物立体视觉效果，直观了解建筑物结构、墙体等详细破坏信息（和仕芳等，2016）由图3可知该户民房由居住房、储物房、畜圈房和洗漱房4种功能用房组成，其房屋结构类型不一，居住房和储物房是土木结构，畜圈房是墙抬梁，洗漱房是无圈梁构造柱砖混结构3 結果分析3.1 具体破坏情况该民房顶部大面积梭瓦，人字形屋顶的顶部位置梭瓦最严重，几乎全部脱落，房屋四面墙体不同程度倒塌或开裂，各功能用房具体破坏情况如下：居住房是1995年建造的土木结构房屋（图4），两侧山墙和后墙是就地取材的夯土墙，在地震中两侧山墙和后墙的上半部分倒塌前面墙体是砖墙，门窗较大，墙体相对较少，仅在门窗的两侧和下方有堆砌的砖墙地震中由于砖墙与柱子和门窗震动不一致，导致砖墙体与柱子和门窗相分离，出现砖墙与柱子间的竖向裂缝以及与门窗之间的水平裂缝，铝合金窗体周围裂缝明显较大门窗出现变形，铝合金窗体出现整体脱落或外凸的现象，室内大量家具和家电倒塌或掉落在地面上在地震中居住房木架构受损严重，整体向右倾斜，左侧第一间的两根木柱断裂，2根辅助支撑立柱脱卯（图5）;左侧第二间有2根木柱断裂，4根横梁脱卯（图6）。

其他房间柱子均有不同程度向右倾斜、弯曲、移位的现象，中间和顶部横梁有不同程度脫卯现象对照《中国地震烈度表》（GB/T 17742—2020）土木结构房屋破坏现象表述，居住房达到了毁坏等级储物房是2007年建造的土木结构房屋（图7），地震后房顶大面积梭瓦，两侧夯土山墙倒塌，木结构整体向右轻微倾斜，未出现主要支撑立柱断裂的现象，但左侧第一间出现辅助支撑立柱榫子断裂、横梁垮塌的现象畜圈房是2020年建造的空心砖墙抬梁结构（图8a），这种结构抗震能力特别差，在地震中已彻底毁坏，墙体严重倒塌，引起上方横抬梁掉落，钉在横梁上的石棉瓦也随之掉落毁坏洗漱房是2021年建造的无圈梁构造柱砌体结构（图8b），四周是砖墙，顶上浇筑了一层钢筋混泥土，门窗一侧靠近大门钢筋混凝土立柱，地震中由于砖墙与大门立柱震动不一致导致墙体与立柱之间形成较大位移的错裂，门窗变形损坏3.2 破坏原因分析由于云南地区复杂的地形地貌及场地条件，不同区域农村民居建筑具有显著的差异性，各类建筑结构抗震能力参差不齐（明小娜等，2017），在历次地震中都会出现一些破坏异常的点或区域造成这种现象的主要原因是大震的近断层破坏（李小军等，2008）、局部地形或场地条件影响（包括山体放大效应、边坡效应、软土效应等）（王兰民，吴志坚，2013;张建国等，2012）、房屋的抗震性能（包括建筑结构、材料、设计等存在缺陷）（张彦琪等，2017;卢永坤等，2019）以及震害累加（施伟华等，2011）等因素。

造成局部震害加重可能是某一个因素的主导，或者是某几个因素相互耦合的结果（迟明杰等，2014）根据现场调查的情况，背阴坡小组某户民房地震后发生严重破坏的原因是多方面的，主要可能是由以下几个因素造成一是山体放大效应在山区地貌条件下，震害的差异远大于平原区，地形高差和局部地貌条件（高山山梁及孤突山梁）对地震动的放大效应明显，直接影响到地震灾害程度的分布（孙崇绍等，2011）背阴坡小组的民房都是依山而建，这是造成震害严重的重要原因，现场调查发现相对严重的民房震害与当地的场地条件有明显的对应关系图9为背阴坡小组毁坏民房（民房A）与相同建盖时间、相同结构土木房屋（民房B和民房C）在倾斜摄影三维影像图中的位置，可以看出民房A位于山体上部的山脊，海拔高度2 437 m，民房B位于同一山体相近海拔高度的山洼，海拔高度2 438 m，民房C位于同一山体中部的山脊，海拔高度2 334 m，图10为民房B和民房C的破坏从不同海拔高度的相同结构的土木农居破坏程度可以看出，山体中部农居（民房C）房顶梭瓦，墙体轻微脱落而无倒塌，结构完好;山体上部的农居（民房A）墙体大量倒塌，结构受损严重从相同海拔高度的相同结构的土木农居破坏程度可以看出，位于山洼的农居（民房B）房顶梭瓦，墙体局部倒塌，结构完好;而位于山脊的农居（民房A）毁坏。

可见地震对房屋的影响呈现明显的沿山体自下向上的震害加重的趋势，山脊的震害明显重于山洼，表现出较明显的山体放大效应二是边坡的放大效应从无人机影像产出的数字地表模型（DSM）上看（图11），毁坏民房位于一个突出山梁的前缘顶部，其三面都是边坡，几乎凌空为查看民房所在地三面坡体的坡度值，基于30 m30 m网格DEM数据，将其转换格网内坡度值（图12）国际地理学联合会地貌调查与地貌制图委员会关于地貌详图应用的坡地分类为：0≤坡度≤0.5为平原，0.5<坡度≤2为微斜坡，2<坡度≤5为缓斜坡，5<坡度≤15为斜坡，15<坡度≤35为陡坡，35<坡度≤55为峭坡，55<坡度≤90为垂直壁（曹彦波等，2014）民房A所在的突出山体前面边坡的坡度值为15～42，属于陡坡和峭坡;左面边坡的坡度值为18～38，属于陡坡和峭坡;右面边坡的坡度值为7～16，属于斜坡和陡坡位于山体前缘突脊的土木房屋倒塌（民房A），而在山体后部凹地的相同类型的房屋则局部倒塌（民房B）从民房A三面边坡都属于斜坡、陡坡和峭坡结合山体前缘和中后部位置相同结构房屋破坏的迥异现象来看，边坡效应导致的房屋震害加重现象显著三是震害叠加效应震害叠加效应在多次地震中都存在，本次地震中灾区在1 h左右时间内经历4次5级以上地震影响。

从图13可知背阴坡小组毁坏民居（民房A：99.882 9E，25.676 6N）位于MS6.4地震震中（苍山西镇秀岭村）东北方向1.5 km 、5.6级地震震中西北方向6.4 km、5.2级地震震中西北方向12.8 km、5.0级地震震中西北方向1 km处背影坡小组与4次5.0级以上地震震中相距较近，造成了农居震害叠加，加重了灾情，但由于几次地震时间间隔短，较难获得现场的房屋破坏对比资料四是墙体的抗震能力弱调查中发现，背阴坡小组的土木结构房屋墙体都是就地取材的夯土墙，制作夯土墙的土黏粒含量较低，砂石粗粒成份较高，降低了墙体黏结性，而且在建造过程中未加入茅草或稻草增强其黏性在地震作用下夯土墙容易发生脆性破坏，抗剪、抗拉强度很低，导致墙体大面积垮塌在建筑工艺上，夯筑时所用模板的不规则极易致使墙体中间缝隙过大，加之每层夯土的厚度很难保证适度合理，这些问题对夯土墙的质量也会产生影响（王兰民，吴志坚，2。