出版日期: 2018-01-25
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DOI: 10.11834/jrs.20187282
2018 | Volumn22 | Number s1
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多源遥感图像的1976年Ms7.8唐山大地震等烈度区判定

张景发¹ , 李强^1,2 , 张庆云^1,2 , 田甜¹ , 申文豪¹ , 薛腾飞¹ , 王建飞^1,2

1. 中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室，北京 100085

2. 中国地震局工程力学研究所地震工程与工程震动重点实验室，哈尔滨 150080

收稿日期: 2017-05-20

基金项目: 国家自然科学基金(编号：41374050)；中国地震局地壳应力研究所中央级公益性科研院所基本科研业务专项(编号：ZDJ2017-29)

第一作者简介: 张景发，1962年生，男，研究员，研究方向为遥感地震应急与评估、InSAR形变监测、遥感活动构造提取。E-mail：zhangjingfa@hotmail.com

中图分类号: TP79

文献标识码: A

摘要

传统的地震烈度评估方法依靠人为实地调查，易造成部分地区数据缺失，导致等烈度线丢失细节信息。本文以实地调查的等烈度线分布为基准，结合保存的唐山地震震后航片资料、卫星图像和其他资料，从宏观上更细致地开展了唐山地震的等烈度线图判定研究。首先，利用地震后的航空照片和地震前美国锁眼(KH)卫星图像进行对比分析，详细判读典型震害建构筑物目标、喷砂冒水等，总结影像判读标准，采用面向对象分类变化检测的方法确定极震区和重点破坏区分布；然后，利用地震前后的航片、KH卫星、美国陆地资源卫星Mss图像，选取2495个建筑区样本点，基于图像纹理信息熵的相关性分析对重点村镇目标进行变化检测处理，确定各村镇建筑物的破坏程度及其趋势；最后，综合分析历史航片、余震等资料，分析地震发震断层等多源遥感资料，基于反距离加权插值的方法对样本点进行插值获取地震烈度分布区域，综合多源遥感资料实现了唐山地震的地震烈度区的判读，与前人实地调查结果对比，综合多源遥感图像判定的地震烈度区与实地调查结果形态相近，证明该方法可用于地震烈度评估。

关键词

唐山地震, 航空相片, KH影像, 等烈度区, 相关性分析

Intensity zone of the 1976 Ms7.8 Tangshan earthquake based on multi-source remote sensing images

ZHANG Jingfa¹ , LI Qiang^1,2 , ZHANG Qingyun^1,2 , TIAN Tian¹ , SHEN Wenhao¹ , XUE Tengfei¹ , WANG Jianfei^1,2

1.Key Laboratory of Crustal Dynamics, Institute of Crustal Dynamics, CEA, Beijing 100085, China

2.Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, Institute of Engineering Mechanics,China Earthquake Administration, Harbin 150080, China

Abstract

At 3:42 on July 28, 1976, a strong earthquake of magnitude Ms7.8 with a focal depth of 12 km and an epicentral intensity of XI degrees occurred in the Tangshan area of Hebei Province. The earthquake caused severe casualties and property losses and the most serious damage in Tangshan, but it also spread to Beijing and Tianjin. Equal intensity maps of the Tangshan earthquake were studied in detail by using relevant preserved data. After the Tangshan earthquake, significant departments conducted aerial photography for the first time and gathered the most valuable information for the earthquake damage distribution. Seismic damage information and sand–water blasting are interpreted and extracted by comparing KH satellite and aerial images before and after the earthquake, respectively. The image features for earthquake damage interpretation are summarized, and the meizoseismal area and damage zone are determined. Change detection in major counties is processed using aerial, KH, and Landsat MSS images before and after the earthquake. A total of 2495 building samples are selected, and the change detection of key villages and town targets is performed through correlation analysis. The damage degree and its trend are studied on the basis of change detection. The earthquake fault is analyzed using aerial images, aftershock distribution, and aeromagnetic images. Then, the intensity zone is determined by interpolating sample points through the method of inverse distance weighted interpolation. The seismic intensity zone of the Tangshan earthquake has been interpreted by combining multi-source remote sensing data. This map has finer details than previous results but with high similarity. This paper comprehensively used multi-source remote sensing data to realize the determination of seismic intensity zones. The results obtained are as follows: (1) The aerial images after the Tangshan earthquake were mosaicked, the characteristics of the earthquake damage in Tangshan were analyzed, and interpretation marks of the aerial images were established. (2) US KH satellite and aerial images before and after the earthquake, respectively, were analyzed comparatively. The damage to buildings in Tangshan City and its surrounding towns and the collapse rate information were extracted by using the change detection method based on object-oriented image processing. The 90.9% collapse rate of Tangshan City and its surrounding towns was calculated through a comprehensive analysis. (3) Landsat, aerial, and KH images of cities and towns before and after the earthquake were obtained, and 2495 building zone samples were clipped from images. Correlation coefficients were determined from pre- and post-earthquake images. The correlation analysis shows that the correlation coefficient is low from towns near the epicenter and high from towns far from the epicenter. This result is consistent with the actual situation. (4) On the basis of typical tectonic interpretation marks in aerial films, the active tectonic map of the Tangshan area was obtained using KH, aerial, and ETM images, which provide the information basis for the direction of intensity distribution. (5) On the basis of these results, with reference to the previous research intensity map, the threshold of correlation points was determined through statistical analysis. The intensity distribution area was identified by interpolating the sample data on the basis of the IDW interpolation method. The trend of intensity maps was simplified using seismogenic faults, historical earthquakes, and other tectonic data. The generated earthquake intensity has changed in detail, but it is similar to the field survey results. Rapid mapping of intensity maps after earthquakes is significant in deploying rescue work and reducing casualties and property losses caused by earthquakes. On the basis of remote sensing data, the intensity map was formulated, and it was revised using numerous methods for further precision and accuracy. With a variety of sensors and the launch of UAV photogrammetry and remote sensing, remote sensing technology will play an increasingly important role in drawing and revising seismic intensity maps. The seismic intensity assessment in this study requires a high level of sample data and a uniform distribution. In the future, additional samples should be selected to improve the accuracy of seismic intensity estimation.

Key words

Tangshan earthquake, aerial photograph, KH images, seismic intensity zone, correlation analysis

1 引　言

1976年7月28日3点42分，河北省唐山地区发生了Ms7.8级强烈地震，震源深度为12km，震中烈度为XI度。在震区及周围地区，出现大量的裂缝带，喷砂冒水、井喷、重力崩塌，滚石、边坡崩塌，地基沉陷，岩溶洞陷落以及采空区坍塌等。唐山地震造成24.2万人死亡，16.4万人受重伤，仅唐山市区终身残废者达1700多人，倒塌民房530万间。唐山地区总的直接经济损失达54亿元，公共设施遭受严重破坏，灾情之大举世罕见。此次地震对人民的生命财产造成巨大损失，以唐山地区最为严重，同时还波及到北京、天津。唐山地震发生后，相关部门在第一时间进行了航空摄影，为唐山地震的震害分布状况保留了最直观的宝贵资料。范围为117°05′E—119°00′E，39°05′N—40°00′N，包含了唐山震区和部分天津震区。飞机使用RC-8摄影机。获得的航摄底片为航微-2。

唐山地震后，许多专家利用航片做了大量工作，判读解译建构筑物震害，喷砂冒水的分布等。陈鑫连等人(1995)基于航空遥感信息对唐山地震震害损失进行了评估，研究了震害快速评估技术和定量评定方法；杨喆和程家喻(1994)研究了唐山地震发生后，房屋倒塌率与地震烈度之间的相关性，为类似地震的应急等工作提供了依据。唐山地震之后，中国开始了遥感震害提取研究，分别对房屋建筑物震害、道路交通震害等进行了评估，对不同烈度区震害的分布特点进行了研究(魏成阶，2009)，但是没有给出遥感震害与地震烈度的定量关系。在遥感地震烈度判定方面，王晓青等人(2013, 2015)提出了遥感震害指数的地震烈度遥感评估方法，并在玉树地震、芦山震中进行应用，该方法对极震区判定效果较好，但需要大量的人工解译样本来计算，人为影响较大。

本文在解译典型震害目标图像特征的基础上，收集了地震前美国锁眼卫星图像和美国陆地资源卫星Mss图像，结合震后的航空照片，进行重点村镇目标的对比分析和变化检测处理，确定了村镇建筑物破坏程度及其分布趋势；结合航片、余震分布地表破裂综合判读分析了发震断层；在此基础上，根据选取样本的变化检测结果，拟采用插值的方法判定唐山地震的地震烈度等震区。

2 地震后航片与地震前美国锁眼卫星图像的对比分析

2.1 地震后航片预处理

首先对震后的航片不同航带(即不同胶卷)进行扫描、编码和存档，扫描时采用的分辨率为1200 DPI，保证地面信息清晰、不失真。利用Photoshop软件对扫描后的航片进行批量裁剪，去掉边缘黑框等其他不相关内容。在此基础上，对航片进行拼接、校正。

2.2 建筑物震害特征分析

张德成(1993)在使用唐山地震震后航空照片进行地物的判读时，考虑到了形状、大小、模式、阴影、色调、纹理和位置等7方面的因素。对震后航拍底片进行高精度的扫描，并做拼接处理，在此基础上，参照前人已有的工作成果，分析典型建筑物震害特征(图1、表1)。

图 1 唐山大地震遥感图像典型震害图

Fig. 1 Typical earthquake damage map of Tangshan large earthquake remote sensing image

表 1 唐山大地震航片震害图像特征
Table 1 Tangshan earthquake aerial photograph seismic damage image characteristics

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震害地物目标		图像特征
平房	基本完好	清晰的小矩形和线条状纹理，图像排列规则有序(图1(a))
	完全倒塌	完整的几何形态和线状纹理消失，成为一片废墟，导致产生漫反射，航空照片上有不同色调的杂乱的斑点状(图1(b))
	部分倒塌	房屋平面几何形态被破坏，纹理韵律被打破。倒塌部分在影像上为暗色或者黑色。倒塌物呈现无规律的斑点状，导致原本规则的色调发生变化。但是还可以辨认房屋之间的间隔(图1(c))
楼房	基本完好	清晰的矩形和纹理，图像排列规则有序，楼房阴影较规则(图1(d))
	完全倒塌	楼房倒塌会以每栋楼为单位形成锥形体，可以通过仔细观察分辨楼间隙(图1(e))
	部分倒塌	建筑物平面几何形态不完整，倒塌部位为暗色或黑色调，阴影面积比平房大，倒塌物比原面积大，影像色调为灰阶程度不等的星点状(图1(f))
桥梁		桥头下沉桥梁一端变为废墟，桥头整体下沉(图1(g))
铁路		铁路发生扭曲，行驶的列车被颠覆出轨，在影像上呈白色线性连续状的小矩形遭到破坏，部分矩形翻倒，发生扭曲(图1(h))
道路		道路被周边建筑物废墟所掩盖，影像上表现为不同色调的杂乱的斑点状，道路交通突然消失，道路的拓扑关系被打破，周边建筑物发生破坏，此时可根据上下文特征关系来判断(图1(i))
喷水冒砂		形成圆形、椭圆形坑陷(图1(j))
电线杆		倒塌的线杆，旁侧有阴影(图1(k))
烟囱		震后站立的烟囱，没有倒塌，但是从侧面可看出，烟囱上部遭到破坏，侧面可见不规则的断面(图1l)

(1)平房。城市中的平房一般成片出现，分布密集，房屋之间的间隙较窄。完好的平房在图像中分布规则有序，可见明显的线性纹理特征。当平房倒塌后，平房成为一片废墟，规整的几何形态消失，线状纹理特征也消失，房屋前后的空地常被废墟掩盖。

(2)楼房。城市楼房之间的间距大于平房，且楼间距与楼高度成正比。楼房发生破坏时，部分倒塌的楼房在图像中可见不完整的平面几何形态，影像色调变暗；如楼房全部倒塌，其图像表现与平房相近，仔细辨认可见相邻楼间隙。

(3)工业厂房和车间。工业厂房和车间平面面积较大，当它们被破坏时会有落顶、山墙倒塌、顶盖部分倒塌、折断和扭转一定角度等现象，但承重框架不至全部倒塌，在航片上会出现等间距的影纹。航片上呈现三角形或对称的三角形阴影。

(4)供水系统。供水系统一般包括水厂和水塔。水厂蓄水池破坏后，造成水体流失，在图像中表现为较暗或黑色色调。水塔强度较高，倒塌落地后不易破损，其形态不易发生变化，在图像中不易发现，需综合判别。

(5)交通系统。地震对交通系统的主要破坏形式有路基下降、路堤开裂、路面裂缝、波状起伏、路轨发生蛇形弯曲、扭曲、站场设施破坏行驶列车颠覆、列车出轨后翻倒等。列车翻倒后在航片上显示为翻倒后影像。当线状影像发生不连续，说明道路被破坏。桥梁破坏形式有桥面塌落、桥墩折断、桥头下沉、锥体护坡开裂等。桥面塌落表现在航片上表现为通向桥头的线状影像断开，桥下流水与影像融为一体，可以根据图像中流水的宽窄判断桥面塌落程度。

(6)水工建筑。水工建筑物包括水库、水库大坝等。地震会造成大坝出现裂缝、滑坡、崩塌、松动，从而导致失去拦洪蓄水能力。如果溃坝或局部决口，水体从大坝中溢出，在图像中可见一条黑色的具有一定宽度的线状目标。

(7)喷砂冒水。喷砂冒水孔往往会形成圆形、椭圆形坑陷，在图像中表现较暗，形状为圆形。例如在滦南县东辛庄田地里有一喷水冒砂孔，孔径6 m，深1 m，积砂量约50 m³，形似火山口；佘庄公社附近田地里两个喷砂孔连在一起，形成直径分别约为19 m和14 m的陷坑(曹振中，2006)。

2.3 震前KH与震后航片图像对比分析

选取了震前锁眼卫星(简称KH卫星，空间分辨率2 m，成像时间为1971年)，震后航片数据(空间分辨率为1 m，拍摄时间为1976年8月)进行对比分析。首先对震前震后影像利用震后1∶1万地形图进行几何矫正，使震前震后图像对应，便于对比分析；之后进行滤波、信息增强等预处理操作，使图像表征信息明确、丰富。利用面向对象分类的方法提取震前震后影像建筑物信息；由于震前震后影像时相不同，且均为单波段全色遥感数据，因此在面向对象提取过程中进行人工解译干预，优化面向对象自动提取的结果。

震前震后影像数据如图2、图3所示，选取3个区域进行局部放大，通过震前震后的对比可以明显看出地震造成的建筑物损毁严重。

图 2 震前锁眼卫星影像

Fig. 2 The Keyhole satellite images before the earthquake

图 3 震后航片图像

Fig. 3 Post earthquake aerial image

由于震前震后采用的是不同源、不同分辨率的遥感影像数据，因此采取差值或比值等直接变化检测方法会造成检测结果杂乱，错检结果较多，因此采取基于面向对象分类的变化检测方法提取建筑物信息，首先对遥感图像进行多尺度分割，进而选取以下阈值对图像进行分类：波段光谱均值(spectral_mean)用于排除反射率较高的落地和反射率较低的植被、阴影等区域；面积特征阈值(area)排除面积较大和较小的分割单元；矩形拟合指数(rectangular_fit)选取形状较符合矩形即建筑物形状的单元；延伸率特征(elongation)排除线性地物单元(如道路、河流等)；纹理(texture_range)用于识别重复的地物特征，对于完好建筑区的提取非常重要。对结果进行适当的手动编辑，得出震前震后遥感图像建筑物信息提取如图4、5所示，其中红色区域代表完好建筑物。

图 4 震前建筑物信息提取

Fig. 4 Building information extraction before earthquake

图 5 震后建筑物提取

Fig. 5 Post earthquake building extraction

对比图4、图5可看出，地震造成了大量建筑物的倒塌。为了更直观地描述震害建筑物的分布规律，对震前震后建筑物矢量进行了叠置对比分析，并进行震后房屋街区倒塌率分布制图，如图6所示。

图 6 震后房屋街区倒塌率分布图

Fig. 6 Distribution of collapse rate of houses after earthquake

从图6中可以看出，城区居民区建筑物倒塌严重，基本上都在90%以上。北部工业厂房、铁路沿线厂房倒塌率较低。按照街区面积和倒塌率进行加权平均计算得到唐山市及其周边村镇的整体建筑物倒塌率达90.9%。

2.4 地面调查情况整理分析

地面调查表明，唐山市区房屋建筑几乎全部倒塌或严重破坏。随着地震烈度的增加，房屋建筑倒塌率和严重破坏率也显著增加，在地震烈度Ⅶ—Ⅺ区内，都有不同程度的房屋建筑破坏，到了地震烈度Ⅵ区，出现无震害的地域。

基于调查结果可绘制房屋建筑的等倒塌率线，主要有80.0%、40.0%和10.0%等倒塌率线的地域分布(图7)。震中地域最高，然后向四周递减。在80.0%倒塌线包围的地域，有两处倒塌率高，其一是7.8级主震震中附近，其二是7.1级余震震中附近(苏幼坡和张玉敏，2006)。

图 7 唐山地震灾区房屋建筑倒塌分布图

Fig. 7 Tangshan earthquake stricken housing construction collapsed map

3 地震前后遥感图像的变化检测

遥感图像变化检测是通过计算不同时相遥感图像之间的差异从而发现变化信息，常用的变化检测方法分为基于代数计算的变化检测方法、基于特征的变化检测方法与分类后变化检测方法。本文采用纹理特征相关的变化检测方法实现唐山地震震后航片数据与震前KH影像的震害建筑物变化检测。将航片影像与KH影像因数据获取的传感器不同，因此在处理之前需对影像进行直方图匹配。以航片数据作为基准影像，选取控制点对KH 影像进行配准，实现两幅影像的精配准，配准精度为一个像元。之后对影像进行重采样，均重采样至分辨率为1.5 m。

参照唐山地震后绘制的1∶1万地形图，采用目视解译的方法对震后航片数据进行建筑物区解译，共解译建筑区2434处。基于解译得到的建筑区分布，分别对航片影像和KH 影像进行裁剪，获取建筑物震前震后影像数据。裁剪获取的震前震后影像示意图如图8所示。因震后获取的航片影像并未完全覆盖整个地震灾区，在本文中也利用了唐山大地震前后的美国陆地资源卫星数据Landsat Mss。分辨率为80 m，震前数据获取时相为1976年5月16日，震后时相为1976年10月17日。叠加全国1∶25万矢量图，选取61个居民点进行掩膜裁剪，将植被、农田、山区进行掩膜，只保留城镇建筑区域。

图 8 地震前后航片与KH 建筑物样本图像示意图

Fig. 8 General view of building sample image before and after earthquake

获取地震前后建筑区遥感影像之后，采用基于统计分析的灰度共生矩阵分别计算其纹理特征。图像信息熵能度量图像所具有的信息量，且能反映图像中纹理的非均匀程度及复杂程度。震后建筑物破坏比较严重，其纹理特征的均匀程度发生明显的变化，图像中含有的信息也相应地发生变化，基于以上分析，选择信息熵特征参量来进行分析。计算震前震后图像信息熵的相关系数，并将其范围设定为[0, 1]。

对于Landsat Mss数据，计算样本的震前震后纹理特征信息熵的相关系数，表2列举了部分样本点的相关系数计算结果。对这每个波段信息熵相关系数值统计标准差，求得第4波段的标准差为0.161019，第5波段的标准差为0.154605，第6波段的标准差为0.168945，第7波段的标准差为0.17812，可看出第5波段的样本点相关系数值标准差较小，样本离散程度较低，异常值较少，因此选取第5波段即红色波段信息熵的相关系数作为分级依据。

表 2 唐山大地震城镇震前震后Mss影像相关系数统计
Table 2 Correlation coefficient of earthquake before and after earthquake of Tangshan earthquake

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序号	地名	经度/(°E)	纬度/(°N)	波段7	波段6	波段5	波段4
1	安山镇	118.996	39.720	0.119326	0.121602	0.248931	0.242442
2	曾各庄	118.528	39.313	0.428712	0.355095	0.189555	0.147624
3	大齐坨	117.984	39.615	0.04735	0.242826	0.166182	0.144985
4	丰润县	118.167	39.838	0.361815	0.414957	0.608996	0.496294
5	高各庄	118.069	39.792	0.154679	0.274289	0.321626	0.378899
6	古冶	118.447	39.738	0.740154	0.754797	0.168262	0.434683
7	韩城镇	118.061	39.646	0.47078	0.344258	0.163575	0.151913
8	火石营镇	118.273	39.990	0.306706	0.427805	0.706031	0.327777
9	老庄子镇	118.114	39.717	0.165722	0.00876	0.237452	0.127561
10	林南仓镇	117.632	39.843	0.2583	0.147885	0.359526	0.201835
11	滦南县	118.681	39.509	0.176547	0.380031	0.348436	0.387232
12	滦县	118.708	39.746	0.508511	0.561771	0.289082	0.442364
13	马城镇	118.799	39.641	0.101466	0.646823	0.115432	0.223849
14	平安城镇	117.804	40.062	0.491218	0.489596	0.547011	0.476659
15	迁安县	118.708	40.002	0.578923	0.185293	0.493713	0.471635
16	任各庄镇	118.173	39.456	0.518332	0.448026	0.520177	0.309102
17	沙河驿镇	118.579	39.873	0.703203	0.612505	0.336478	0.261593
18	塔头	118.280	39.616	0.338396	0.299845	0.123267	0.049891
19	唐山市	118.185	39.637	0.188235	0.165058	0.107816	0.133535
20	王官营镇	118.272	39.929	0.341269	0.409877	0.183742	0.271176
21	玉田县	117.786	39.878	0.695355	0.641167	0.704031	0.542552
22	安各庄	118.456	39.436	0.310102	0.473411	0.289082	0.464824
23	丰南市	118.087	39.574	0.580823	0.593699	0.131275	0.833919
24	丰台镇	117.682	39.908	0.382222	0.466015	0.459881	0.509893
25	汉沽区	117.887	39.368	0.647917	0.652728	0.48274	0.444515
26	李各庄	116.926	39.332	0.310671	0.30285	0.28908	0.353741
27	宁河县	117.832	39.336	0.271422	0.365854	0.436494	0.423471
28	桥沽	117.749	39.272	0.310671	0.302849	0.552847	0.353741

航片影像、KH影像和Mss 影像在空间分辨率、传感器等方面差距较大，因此基于Mss影像信息熵的相关系数和航片影像与KH影像信息熵的相关系数存在一定的差异，直接利用两种不同的相关系数分析会对结果产生较大的影响。基于Mss 影像选取的样本点与航片选取的样本点具有一定的重合区，在重合区范围内，选取36个Mss样本点，随机抽取基于航片选取的建筑物区1004个，在SPSS软件中分析其相关系数的关系，两者之间的关系可用式(1)近似表达。

$Co{r_{{\rm{MS}}}} \approx 1.2Co{r_{{\rm{ap}}}}$

(1)

式中， $Co{r_{{\rm{MS}}}}$ 表示Mss影像的相关系数， $Co{r_{{\rm{ap}}}}$ 表示航片与KH影像的相关系数。借助此转换关系，可将基于Mss影像计算得到的相关系数转换为与航片计算得到的相关系数一致的水平，因此可将样本点统一进行计算分析。图9为选取的建筑物样本点的分布，样本点阈值分布采用自然断点法分类显示。

图 9 建筑物样本点分布图

Fig. 9 Distribution map of Building sample points

4 唐山大地震发震断层及余震分布判定

4.1 发震断层

确定发震断层的走向，在一定程度上可确定烈度的长轴方向。唐山地震发生后，众多的地质学者对唐山地震的发震构造进行了研究(虢顺民等，1977；方鸿琪等，1981；张之立等，1980)。当时确定的唐山地震产生的区域构造背景是，该地震区位于活动性明显的阴山—燕山南缘东西向构造带与冀鲁断拗北东向构造带(特别是沧东断裂带)的交汇部位，在深部构造特征上表现为东西向重力高值带与北东向的重力高值带的交汇，并于震中区出现有地壳或上地幔的上隆现象。唐山地震的发震构造是存在于阴山—燕山断褶带和记录断块拗陷之间的唐山块陷被大断裂和深断裂包围。邱泽华等人(2005)通过分析震后获取的航空照片、石油勘探、地震水准形变和震害资料，对唐山震区的断裂带发现了唐山地震大断层。该断层总体走向与主震余震分布区域是完全一致的，作为一条向NW倾的断层，它大体勾划出余震分布区域的SE侧轮廓。唐山大断裂是1976年唐山大地震的发震断裂，唐山主震后约3.5 h和约15 h，分别在蓟运河断裂和滦县—乐亭断裂上发生了6.2级和7.1级地震(闻学泽和马胜利，2006)。

唐山地震之后，许多学者对地震后唐山市南部出现的地表破裂带展开了调查，虢顺民等人(1977)认为地表破裂带以多级左阶雁行的方式向南延伸，长约8—11 km，以右旋走滑为主。王景明等人(1981)通过实地调查和研究，表明唐山地震过程中，在震区范围内形成了东西两支相对平行的断裂，通过对历史航片的目视解译，证实了部分断裂带的分布状态。本文通过对航片影像的解译，获取震后地表破裂带的分布，同时根据地表破裂带的空间展布，沿地表破裂带勾绘出唐山地震震区活动断层分布，解译获取的活动断层分布如图10所示。由于震后城区建筑物倒塌严重，形成的地表破裂带被倒塌建筑物形成的废墟掩盖，因此在城区范围内较难解译得到地表破裂带的分布，图10中城区活动断层的分布是在参照已有活动断层分布的基础上，将解译获取的地表破裂带延续而成。依据解译的活动构造分布的方向，可为烈度长轴方向的确定提供参考依据。

图11中的(a)、(b)、(c)、(d)对应于图10中方框所表示的位置，分别为喷砂冒水、地物目标断错、平行分布与雁列式分布。喷砂冒水现象常发育在亚砂土、粉质壤土层的破裂带位置，在航片中解译获取的喷水冒砂现象是反映震区砂土液化最明显的宏观标志，地震液化通常伴随产生大规模的地面变形，震陷、滑移、地震与喷水冒砂，造成各种工程建筑物，道路、农田及水利工程场地地基的失效，给国计民生带来很大损失，如图11(a)所示，推测喷砂冒水现象展布长度约为1 km，断续出现。地物表面的断错可反映断层运动方式，如建筑物、植被、河岸等的断错，如图11(b)所示，地表破裂造成操场上树木的断错，出现植被被错开的现象。通过对断错地物错开量的测量，可以得到断裂位移量的定量数据。在唐山市区南部，可解除3条大致平行的地表破裂，穿过田埂，方向性强，如图11(c)所示。如图11(d)所示，破裂带表现为左型雁列状排布，裂缝逐渐变小直至消失。这些现象均能指示发震断层的大致展布位置与方向。

图 10 唐山地震震区活动断裂分布图

Fig. 10 Distribution map of active faults in Tangshan area

图 11 唐山地震地表破裂带展示

Fig. 11 Distribution map of active faults in Tangshan area

4.2 余震分布

唐山地震发生后还发生了多次余震，最大震级的余震为滦县商家林发生的7.1级余震，余震的定位也会对研究地震孕育过程、发震构造等产生很大的影响。从1978年7月28日在唐山发生7级强震起，到同年12 月底止, 该震区已发生Ms5.5级以上强余震39次。它们集中分布在唐山断裂附近及其两端偏在压缩区的一侧。应用Pers推荐的半理论和半经验公式计算出与7.8级地震相应的断裂长度为111 km。这个数据与唐山地震余震区沿唐山断裂方向的长度大致相符。如果根据余震范围确定断层长度，那么，断裂的东北端与滦县乐亭断裂相连，而其西南端与蓟运河断裂相连。

唐山地震主震的余震大致分布在该断层地表出露迹线的NW侧，这种位置关系显示了新发现的断层对唐山地震的控制性(图12)。不同断层的分布对地震的发生以及地震的破坏程度都有不同程度的影响，因而也会对烈度的分布产生一定程度的影响。

图 12 唐山地震余震分布图(1978-07—1978-12)

Fig. 12 Aftershock distribution map of Tangshan earthquake (July 1978 to December 1978)

5 地震等烈度区判定

参照前人获取的实地调查结果，统计分析每个烈度区内样本点相关系数的分布，确定各烈度区样本点分类阈值。利用获取的样本点的空间分布，采用反距离插值IDW(Inverse Distance to a Power)方法对其进行插值获取空间展布区域。插值生成的烈度空间展布如图13所示。

图 13 基于样本点插值的烈度图

Fig. 13 Intensity map based on interpolation of sample points

依据发震断层走向与余震分布数据进行烈度方向修正，可发现采用样本点插值生成的地震烈度区域分布图与实地调查结果相近。

唐山大地震震中烈度最高为十一度，有着严重的破坏范围，地震十一度烈度区形状类似椭圆形，覆盖面积大约为47 km²，东西南北分别到达开平区越河乡、土产仓库、织女寨乡和煤研分院一带，房屋倒塌和破坏程度高达95.35%，震亡和重伤人数占总人数的28.08%(其中震亡人数约占15.53%)；十度烈度区类似于瓢形，东北向比较窄，西南向较宽，覆盖面积大约370 km²，覆盖范围分别为古冶(东)、丰南稻地镇(南)、兰高庄(西)、傅家屯乡(北)，呈东北窄、西南宽的瓢形，房屋倒塌率为76.27%，严重破坏率达10.58%，震亡和重伤人数占总人数的14.57%(其中震亡人数约占9.57%)；九度烈度区为不规则椭圆形，覆盖面积约为1800 km²，东西南北分别到达滦县雷庄、天津宁河县岳龙庄、丰南县小集和丰润县新庄子，严重破坏率达15.02%，房屋倒塌率75.61%，震亡和重伤人数占总人数的8.77%(其中震亡人数约占5.15%)；随着地震烈度的降低，覆盖范围逐渐变大，震害影响程度变弱(袁素娟等，2013)

与实地调查结果相比(邹学恭等，1981)，采用建筑物损毁程度样本点插值生成的烈度图在十一度烈度区，范围比实地调查结果分布稍大，这是因为遥感影像在震害建筑物识别过程中，对于损毁与严重破坏建筑物的区分度有限，容易将严重破坏的建筑区域错分为损毁区域。十度区范围与实地调查结果，拟合度较高，但是中间夹杂十一度的斑点。插值生成的九度区呈现长条状，由于图13左下角缺乏样本点数据，因此导致插值生成的图像九度区较大，同样在八度区，由于图13右下角也缺乏样本点数据，导致八度区范围变大，存在明显的误差。但是在样本点分布较为密集的区域，插值生成的烈度图边界与实地调查的结果相似度较高，这也证明了该方法的有效性。

根据建筑物样本点的破坏程度进行插值即可计算得到该点的烈度分布。仅根据插值生成的图像勾绘的烈度线往往形态极不规则，且在同一烈度区内可能出现多级“异常区”和“异常点”。在实际烈度线的圈定过程中，先考虑发震构造的展布方向，分别在长轴和短轴的端点确定烈度界面，再结合对烈度有指示意义目标的破坏特征、场地破坏特征或者某些烈度阈值限定标志，综合上述因素对烈度端点进行判定。以同样方法还可以对烈度线的其他特征点进行判定。根据特征点展布和区域房屋倒塌率趋势，即可勾绘出等烈度线，使其符合烈度内涵和习惯。

以航空遥感进行大地震快速调查与评估是综合减灾的有效技术途径。本文选用2495个样本点插值生成烈度分布图，由于样本点绝绝大部分集中于图像的上半部分，因此上半部分的烈度图与实地调查结果的拟合精度较高。而在图像的下半部分，受影像数据限制，样本点数据缺乏，造成与实地调查结果拟合度存在较大误差。如有详细的样本点数据，能够实现地震烈度等震线的精细勾绘。

6 结　论

本文收集和整理了唐山地震前后的遥感数据和相关资料，包括震前震后卫星影像、震后航空影像及余震数据，阅读和整理了唐山地震的相关文献资料，并在此基础上对数据资料进行分析和处理，综合利用多源遥感影像资料，实现了地震烈度的判定，取得的成果如下：

(1)收集和整理了唐山地震震后航空影像，分析了唐山地震震害特征，并建立了航空影像解译标志。

(2)对比分析了震前美国锁眼卫星KH影像和震后航片影像，并通过基于面向对象的变化检测方法对图像进行处理，提取了唐山市及其周边城镇的震害建筑物信息，并绘制房屋建筑物倒塌率分布图，综合分析唐山市及其周边城镇的建筑物倒塌率达90.9%。

(3)选取震前震后航片、KH影像及Landsat Mss影像建筑物样本，获取2495个样本数据，计算地震前后图像信息熵的相关系数，同时构建了Mss图像与航片相关的转化关系函数。分析相关系数图发现，距震中较近的城镇相关系数较低，较远城镇相关系数较高，与实际情况相符。

(4)在获取航片中活动构造典型解译标志的基础上，基于KH相片、航片、ETM影像解译获取了唐山地区活动构造分布图，为烈度分布方向提供了信息依据。

(5)在以上成果的基础上，参照前人实地调查的地震烈度分布图，采用统计分析的方法确定相关点分类阈值，基于IDW插值方法对样本点数据进行插值，获取地震烈度展布区域。借助发震断层、历史地震等构造数据，对烈度图走向进行限制，与实地调查结果对比发现，生成的地震烈度在细节上有些许改变，但是与实地调查结果相似度极高。震后快速绘制烈度图对于救援工作的部署、减轻地震造成的人员伤亡和财产损失具有十分重要的意义。本文基于遥感数据资料开展了烈度图的绘制，并综合多种方法对烈度图进行判定，使其更精细化、准确化，与实地调查结果相比，两者存在极高的相似度，证明本文方法的有效性。本文的地震烈度判定对样本数据及均匀分布程度要求较高，在未来的工作中，应选取更多的样本来提高烈度判定的精度与准确度。

志谢此次分析使用的航片数据由中国地震局台网中心提供，在此表示衷心的感谢！

参考文献(References)

Cao Z Z. 2006. Study on reliability-based procedure for evaluating liquefaction potential. Harbin: Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration (曹振中. 2006. 基于可靠性理论的砂土液化判别方法研究. 哈尔滨: 中国地震局工程力学研究所)

Chen X L, Wei C J and Xie G L. 1995. Quick Evaluation and Decision-making for Earthquake Disaster by Airborne Remote Sensing Information. Beijing: Science Press, 72–83 (陈鑫连, 魏成阶, 谢广林. 1995. 地震灾害的航空遥感信息快速评估与救灾决策. 北京: 科学出版社, 72–83)

Fang H Q, Miao X K and Zhao S D. 1981. Earthquake mechanism and effect of Tangshan earthquake — a preliminary study on the active fault zone in Tangshan. Geotechnical Investigation and Surveying (2): 1–6. ( 方鸿琪, 苗心宽, 赵树栋. 1981. 唐山地震的发震机制与地震效应——关于唐山活动断裂带的初步研究. 工程勘察 (2): 1–6. )

Guo S M, Li Z Y, Cheng S P, Chen X C, Chen X D, Yang Z E and Li R C. 1977. Discussion: on the recional structural background and the seismogenic model of the Tangshan earthquake. Chinese Journal of Geology (4): 305–321. ( 虢顺民, 李志义, 程绍平, 陈献程, 陈孝德, 杨主恩, 李如成. 1977. 唐山地震区域构造背景和发震模式的讨论. 地质科学 (4): 305–321. )

Qiu Z H, Ma J and Liu G X. 2005. Discovery of the great fault of the Tangshan earthquake. Seismology and Geology, 27 (4): 669–677. [DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2005.04.016] ( 邱泽华, 马瑾, 刘国玺. 2005. 新发现的唐山地震大断层. 地震地质, 27 (4): 669–677. [DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2005.04.016] )

Su Y P and Zhang Y M. 2006. Research on distribution of disasters in Tangshan earthquake. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 26 (3): 18–21. [DOI: 10.3969/j.issn.1000-1301.2006.03.003] ( 苏幼坡, 张玉敏. 2006. 唐山大地震震害分布研究. 地震工程与工程振动, 26 (3): 18–21. [DOI: 10.3969/j.issn.1000-1301.2006.03.003] )

Wang J M, Zheng W J, Chen G S, Yang W T, Chen G L and Pan Z S. 1981. A study on the principal surface fracture belt and the cause of occurrence of the Tangshan Earthquake. Journal of Seismological Research, 4 (4): 437–450. ( 王景明, 郑文俊, 陈国顺, 杨文田, 陈国林, 潘祖寿. 1981. 唐山地震地面主破裂带及地震成因探讨. 地震研究, 4 (4): 437–450. )

Wang X Q, Dou A X, Sun G Q, Ding X, Wang L and Yuan X X. 2013. Intensity assessment of the 2010 Yushu M_s7.1 earthquake based on synthetic seismic damage index . Earthquake, 33 (2): 1–10. [DOI: 10.3969/j.issn.1000-3274.2013.02.001] ( 王晓青, 窦爱霞, 孙国清, 丁香, 王龙, 袁小祥. 2013. 基于综合震害指数的玉树地震烈度遥感评估研究. 地震, 33 (2): 1–10. [DOI: 10.3969/j.issn.1000-3274.2013.02.001] )

Wang X Q, Dou A X, Wang L, Yuan X X, Ding X and Zhang W. 2015. RS-based assessment of seismic intensity of the 2013 Lushan, Sichuan, China M_s7.0 earthquake . Chinese Journal of Geophysics, 58 (1): 163–171. [DOI: 10.6038/cjg20150114] ( 王晓青, 窦爱霞, 王龙, 袁小祥, 丁香, 张伟. 2015. 2013年四川芦山7.0级地震烈度遥感评估. 地球物理学报, 58 (1): 163–171. [DOI: 10.6038/cjg20150114] )

Wei C J. 2009. History, current conditions and developing tendency of remote sensing application of earthquake disaster in China. Remote Sensing, 13 (S1): 332–344. [DOI: 10.11834/jrs.20090047] ( 魏成阶. 2009. 中国地震灾害遥感应用的历史、现状及发展趋势. 遥感学报, 13 (S1): 332–344. [DOI: 10.11834/jrs.20090047] )

Wen X Z and Ma S L. 2006. Influence of Tangshan Earthquake on Earthquake Recurrence of Adjacent Faults. Advances in Natural Science, 16 (10): 1346–1350. [DOI: 10.3321/j.issn:1002-008X.2006.10.022] ( 闻学泽, 马胜利. 2006. 唐山大地震对相邻断裂段地震复发的影响. 自然科学进展, 16 (10): 1346–1350. [DOI: 10.3321/j.issn:1002-008X.2006.10.022] )

Yang Z and Cheng J Y. 1994. Correlation analysis of percentage of collapsing houses and seismic intensity of Tangshan Earthquake. Seismology and Geology, 16 (3): 283–288. ( 杨喆, 程家喻. 1994. 唐山地震房屋倒塌率与烈度相关分析. 地震地质, 16 (3): 283–288. )

Yuan S J, Li Y J, Shen Z Y, Guo D Y and Wang L. 2013. Research and Utilization of Historical Materials of Tangshan Earthquake in 1976. Lantai Word (8): 52–53. [DOI: 10.16565/j.cnki.1006-7744.2013.08.001] ( 袁素娟, 李亚君, 申志永, 郭丹云, 王丽. 2013. 1976年唐山大地震史料研究及利用. 兰台世界 (8): 52–53. [DOI: 10.16565/j.cnki.1006-7744.2013.08.001] )

Zhang D C. 1993. Preliminary study on visual interpretation marks of building damages caused by earthquakes on aerophotograph. Earthquake (1): 26–30. ( 张德成. 1993. 建筑物震害航空照片目视判读标志的初步研究. 地震 (1): 26–30. )

Zhang Z L, Li Q Z, Gu J C, Jin Y M, Yang M Y and Liu W Q. 1980. The fracture processes of the Tangshan earthquake and its mechanical analysis. Acta Seismologica Sinica, 2 (2): 111–129. ( 张之立, 李钦祖, 谷继成, 靳雅敏, 杨懋源, 刘万琴. 1980. 唐山地震的破裂过程及其力学分析. 地震学报, 2 (2): 111–129. )

Zou X G, Jiang L Z and Jiang C M. 1981. Study on the Macroscopic Earthquake Damage of Tangshan Earthquake Using Aerial Photogrammetry. Crustal Deformation and Earthquake (3): 12–22. ( 邹学恭, 蒋蔺珍, 姜春明. 1981. 应用航空摄影测量进行唐山地震宏观震害的研究. 地壳形变与地震 (3): 12–22. )

摘要

关键词