地震地质 ›› 2025, Vol. 47 ›› Issue (3): 949-968.DOI: 10.3969/j.issn.0253-4967.2025.03.20250026
杜浩国1,2)(), 左小清1),*(
), 林旭川3), 肖本夫4), 卢永坤2), 和仕芳2), 张方浩2), 袁小祥3,5), 陶天艳6), 叶阳2), 邓树荣2), 赵正贤2), 徐俊祖2), 白仙富2), 张原硕2), 张露露4)
收稿日期:
2025-01-25
修回日期:
2025-05-06
出版日期:
2025-06-20
发布日期:
2025-08-13
通讯作者:
*左小清, 男, 1972年生, 博士, 教授, 主要从事雷达干涉测量与地质灾害监测、 识别, E-mail: zxq@kust.edu.cn。
作者简介:
杜浩国, 男, 1991年生, 现为昆明理工大学国土资源工程学院资源与环境专业在读博士研究生, 高级工程师, 主要从事震后影像建筑物破坏识别、 地震灾害损失评估研究, E-mail: 1364125834@qq.com。
基金资助:
DU Hao-guo1,2)(), ZUO Xiao-qing1),*(
), LIN Xu-chuan3), XIAO Ben-fu4), LU Yong-kun2), HE Shi-fang2), ZHANG Fang-hao2), YUAN Xiao-xiang3,5), TAO Tian-yan6), YE Yang2), DENG Shu-rong2), ZHAO Zheng-xian2), XU Jun-zu2), BAI Xian-fu2), ZHANG Yuan-shuo2), ZHANG Lu-lu4)
Received:
2025-01-25
Revised:
2025-05-06
Online:
2025-06-20
Published:
2025-08-13
摘要:
地震后及时获取建筑物破坏信息对于应急救援和灾害损失评估至关重要。文中基于震后无人机影像数据, 提出了一种结合面向对象、 支持向量机(SVM)和神经网络(NN)的单体建筑物纹理特征损伤检测方法, 并以2025年西藏定日县 MS6.8 地震为例进行验证。该方法通过面向对象方法提取单体建筑物信息, 消除非建筑物干扰; 采用灰度共生矩阵(GLCM)提取对比度、 熵和方差等纹理特征, 优化窗口大小至7×7以提升特征区分度。通过对比4种方法发现: 融合最优纹理特征后, 神经网络分类算法(单体+纹理特征+神经网络)的总体精度达91%, Kappa系数为0.8, 较未融合纹理特征的单体+神经网络方法(精度85%、 Kappa 0.6)分别提升6%和0.2; 与支持向量机方法相比, 单体+纹理特征+支持向量机(精度89%、 Kappa 0.7)较单体+支持向量机(精度82%、 Kappa 0.6)提升7%和0.1。实验表明, 纹理特征可显著增强对损伤的识别能力, 倒塌建筑物的对比度均值较完好建筑降低26%, 熵和方差分别增加32%和41%。该方法有效解决了非建筑信息干扰的问题, 经形态学滤波处理后孔洞填充率 >95%。文中研究为震后快速评估提供了高精度、 可量化的技术支撑, 验证了多特征融合与算法协同优化的有效性。
杜浩国, 左小清, 林旭川, 肖本夫, 卢永坤, 和仕芳, 张方浩, 袁小祥, 陶天艳, 叶阳, 邓树荣, 赵正贤, 徐俊祖, 白仙富, 张原硕, 张露露. 基于震后无人机影像的单体建筑物纹理特征损伤检测——以2025年西藏定日县 MS6.8 地震为例[J]. 地震地质, 2025, 47(3): 949-968.
DU Hao-guo, ZUO Xiao-qing, LIN Xu-chuan, XIAO Ben-fu, LU Yong-kun, HE Shi-fang, ZHANG Fang-hao, YUAN Xiao-xiang, TAO Tian-yan, YE Yang, DENG Shu-rong, ZHAO Zheng-xian, XU Jun-zu, BAI Xian-fu, ZHANG Yuan-shuo, ZHANG Lu-lu. TEXTURE FEATURE DAMAGE DETECTION OF SINGLE BUILD-ING BASED ON DRONE IMAGES AFTER EARTHQUAKE: A CASE STUDY OF 2025 DINGRI MS6.8 EARTHQUAKE IN XIZANG, CHINA[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2025, 47(3): 949-968.
模型 | 参数 | 值/设置 | 选择原因 |
---|---|---|---|
支持 向量机 | 核函数 | 径向基函数(RadialBasisFunction,RBF) | 适用于非线性分类问题,适合遥感影像中的复杂光谱特征 |
γ | 0.333 | 较小的γ使模型对远距离样本更加敏感,捕捉全局特征 | |
惩罚参数(C) | 100 | 较高的C值更强调分类的准确性 | |
金字塔层级 | 0 | 避免因降采样导致的信息丢失 | |
分类概率阈值 | 0 | 所有像素都会被分类,适用于全覆盖分类任务 |
表1 支持向量机分类方法具体参数设置
Table 1 Specific parameter settings of support vector machine classification method
模型 | 参数 | 值/设置 | 选择原因 |
---|---|---|---|
支持 向量机 | 核函数 | 径向基函数(RadialBasisFunction,RBF) | 适用于非线性分类问题,适合遥感影像中的复杂光谱特征 |
γ | 0.333 | 较小的γ使模型对远距离样本更加敏感,捕捉全局特征 | |
惩罚参数(C) | 100 | 较高的C值更强调分类的准确性 | |
金字塔层级 | 0 | 避免因降采样导致的信息丢失 | |
分类概率阈值 | 0 | 所有像素都会被分类,适用于全覆盖分类任务 |
模型 | 参数 | 值或设置 | 选择原因 |
---|---|---|---|
神经 网络 | 输入层节点数 | 3(RGB波段) | 捕捉RGB波段的光谱信息 |
隐藏层节点数 | 15 | 通过多次实验确定,能够有效提取高阶特征 | |
输出层节点数 | 3(3类震害等级) | 对应倒塌、严重破坏、中等破坏及轻微/无破坏4类震害等级 | |
隐藏层激活函数 | Logistic(sigmoid) | 适用于非线性特征提取 | |
输出层激活函数 | Softmax | 适用于多分类问题的概率输出 | |
贡献阈值 | 0.9 | 强化误差较大样本的权重更新力度,提升模型收敛速度 | |
学习率 | 0.2 | 适中取值,保证训练效率的同时避免参数震荡 | |
动量参数 | 0.9 | 加速梯度下降过程,降低训练过程中的震荡现象 | |
训练停止条件 | RMS<0.1 | 防止过拟合,确保模型在训练集和验证集上均能取得较好的分类效果 | |
最大训练迭代次数 | 1000次 | 为模型收敛提供充分的训练空间 |
表2 神经网络分类方法具体参数设置
Table2 Specific parameter settings of neural network classification method
模型 | 参数 | 值或设置 | 选择原因 |
---|---|---|---|
神经 网络 | 输入层节点数 | 3(RGB波段) | 捕捉RGB波段的光谱信息 |
隐藏层节点数 | 15 | 通过多次实验确定,能够有效提取高阶特征 | |
输出层节点数 | 3(3类震害等级) | 对应倒塌、严重破坏、中等破坏及轻微/无破坏4类震害等级 | |
隐藏层激活函数 | Logistic(sigmoid) | 适用于非线性特征提取 | |
输出层激活函数 | Softmax | 适用于多分类问题的概率输出 | |
贡献阈值 | 0.9 | 强化误差较大样本的权重更新力度,提升模型收敛速度 | |
学习率 | 0.2 | 适中取值,保证训练效率的同时避免参数震荡 | |
动量参数 | 0.9 | 加速梯度下降过程,降低训练过程中的震荡现象 | |
训练停止条件 | RMS<0.1 | 防止过拟合,确保模型在训练集和验证集上均能取得较好的分类效果 | |
最大训练迭代次数 | 1000次 | 为模型收敛提供充分的训练空间 |
图4 西藏定日6.8级地震的影像资料及装备信息 a 西藏定日6.8级地震烈度图; b 研究区卫星遥感影像; c 无人机航拍图及航线; d 嘎白村远景照片; e 大疆Mavic 3E无人机; f 现场工作照
Fig. 4 Image data and equipment information in investigation of the magnitude 6.8 earthquake in Dingri, Xizang.
飞机性能 | 技术参数 | 飞机性能 | 技术参数 |
---|---|---|---|
型号 | 大疆Mavic3E | 航线重叠率 | 70% |
飞行高度 | 150m | 旁向重叠率 | 80% |
飞行时长 | ≤18min | 总成像面积 | 0.073km2 |
飞行速度 | ≥20km/h | 影像格式 | TIFF(DOM) |
飞行架次 | 1架次 | 航拍照片数量 | 161张 |
地面分辨率 | 0.015m | 影像大小 | 18085×17968像素 |
RTK定位模式 | 实时差分定位 | RTK平面精度 | ±1cm |
RTK定位频率 | 1Hz | RTK高程精度 | ±2cm |
表3 无人机设备参数
Table3 UAV equipment parameters
飞机性能 | 技术参数 | 飞机性能 | 技术参数 |
---|---|---|---|
型号 | 大疆Mavic3E | 航线重叠率 | 70% |
飞行高度 | 150m | 旁向重叠率 | 80% |
飞行时长 | ≤18min | 总成像面积 | 0.073km2 |
飞行速度 | ≥20km/h | 影像格式 | TIFF(DOM) |
飞行架次 | 1架次 | 航拍照片数量 | 161张 |
地面分辨率 | 0.015m | 影像大小 | 18085×17968像素 |
RTK定位模式 | 实时差分定位 | RTK平面精度 | ±1cm |
RTK定位频率 | 1Hz | RTK高程精度 | ±2cm |
参数设置 | 参数设置 | ||
---|---|---|---|
如果 | 如果 | ||
规则1 | 分割与合并尺度:90~95 | 规则1 | 分割与合并尺度:90~95 |
规则2 | 30<灰度平均值<200 | 规则2 | 30<灰度平均值<200 |
规则3 | 10m2<面积<500m2 | 规则3 | 10m2<面积<500m2 |
规则4 | 小面积去除与形态学闭合 |
表4 单体建筑物影像提取规则
Table4 Single building image extraction rules
参数设置 | 参数设置 | ||
---|---|---|---|
如果 | 如果 | ||
规则1 | 分割与合并尺度:90~95 | 规则1 | 分割与合并尺度:90~95 |
规则2 | 30<灰度平均值<200 | 规则2 | 30<灰度平均值<200 |
规则3 | 10m2<面积<500m2 | 规则3 | 10m2<面积<500m2 |
规则4 | 小面积去除与形态学闭合 |
建筑物破坏结果统计 | 建筑物影像破坏特征 | ||
---|---|---|---|
破坏点占比(红色) | 无破坏点占比(绿色) | ||
如果(红色>30%) | 倒塌(红色) | 从正射影像中可以看到废墟堆积、纹理不均匀及影像色调较浅。 | |
如果(红色≤30%) | 如果(绿色≤90%) | 严重破坏(黄色) | 在正射影像中可以观察到建筑物轮廓不清晰,阴影消失,并显示出局部倒塌形成的废墟堆积,影像色调较浅。 |
如果(红色≤30%) | 如果(绿色>90%) | 中等破坏(蓝色) | 从正射影像中可以观察到单体建筑物轮廓清晰、形状规则,但屋顶部分破坏导致了影像的纹理特征发生轻微变化。 |
表5 单体建筑破坏程度识别规则
Table5 Rules for identifying damage degree of single building
建筑物破坏结果统计 | 建筑物影像破坏特征 | ||
---|---|---|---|
破坏点占比(红色) | 无破坏点占比(绿色) | ||
如果(红色>30%) | 倒塌(红色) | 从正射影像中可以看到废墟堆积、纹理不均匀及影像色调较浅。 | |
如果(红色≤30%) | 如果(绿色≤90%) | 严重破坏(黄色) | 在正射影像中可以观察到建筑物轮廓不清晰,阴影消失,并显示出局部倒塌形成的废墟堆积,影像色调较浅。 |
如果(红色≤30%) | 如果(绿色>90%) | 中等破坏(蓝色) | 从正射影像中可以观察到单体建筑物轮廓清晰、形状规则,但屋顶部分破坏导致了影像的纹理特征发生轻微变化。 |
方法 | 序号 | 破坏等级 | 倒塌 | 严重破坏 | 中等破坏 | 合计/栋 | OA/% | Kappa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
单体+纹理特征+神经网络 | 1 | 倒塌 | 7 | 1 | 0 | 8 | 91 | 0.8 |
严重破坏 | 2 | 32 | 0 | 34 | ||||
中等破坏 | 0 | 1 | 4 | 5 | ||||
合计 | 9 | 34 | 4 | 47 | ||||
单体+纹理特征+支持向量机 | 2 | 倒塌 | 7 | 1 | 0 | 8 | 89 | 0.7 |
严重破坏 | 2 | 31 | 1 | 34 | ||||
中等破坏 | 0 | 1 | 4 | 5 | ||||
合计 | 9 | 33 | 5 | 47 | ||||
单体+神经网络结果 | 3 | 倒塌 | 7 | 1 | 0 | 8 | 85 | 0.6 |
严重破坏 | 3 | 30 | 1 | 34 | ||||
中等破坏 | 1 | 1 | 3 | 5 | ||||
合计 | 11 | 32 | 4 | 47 | ||||
单体+支持向量机 | 4 | 倒塌 | 7 | 1 | 0 | 8 | 82 | 0.6 |
严重破坏 | 3 | 30 | 1 | 34 | ||||
中等破坏 | 1 | 2 | 2 | 5 | ||||
合计 | 11 | 33 | 3 | 47 |
表6 基于混淆矩阵的单体建筑损伤检测评价结果
Table6 Evaluation result of single building damage detection based on confusion matrix
方法 | 序号 | 破坏等级 | 倒塌 | 严重破坏 | 中等破坏 | 合计/栋 | OA/% | Kappa |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
单体+纹理特征+神经网络 | 1 | 倒塌 | 7 | 1 | 0 | 8 | 91 | 0.8 |
严重破坏 | 2 | 32 | 0 | 34 | ||||
中等破坏 | 0 | 1 | 4 | 5 | ||||
合计 | 9 | 34 | 4 | 47 | ||||
单体+纹理特征+支持向量机 | 2 | 倒塌 | 7 | 1 | 0 | 8 | 89 | 0.7 |
严重破坏 | 2 | 31 | 1 | 34 | ||||
中等破坏 | 0 | 1 | 4 | 5 | ||||
合计 | 9 | 33 | 5 | 47 | ||||
单体+神经网络结果 | 3 | 倒塌 | 7 | 1 | 0 | 8 | 85 | 0.6 |
严重破坏 | 3 | 30 | 1 | 34 | ||||
中等破坏 | 1 | 1 | 3 | 5 | ||||
合计 | 11 | 32 | 4 | 47 | ||||
单体+支持向量机 | 4 | 倒塌 | 7 | 1 | 0 | 8 | 82 | 0.6 |
严重破坏 | 3 | 30 | 1 | 34 | ||||
中等破坏 | 1 | 2 | 2 | 5 | ||||
合计 | 11 | 33 | 3 | 47 |
图10 嘎白村影像解译结果 a 建筑物震害目视解译结果; b 建筑物结构类型及分布; c 建筑物楼层数及分布; d—i 砖混结构建筑物实地调研影像
Fig. 10 The building damage degree from the image interpretation of Gabai village.
破坏类型 | 不同楼层数数量(栋)及占比/% | 不同结构类型数量(栋)及占比/% | ||
---|---|---|---|---|
一层 | 二层 | 土木结构 | 砖混结构 | |
倒塌 | 8, 17 | 0, 0 | 8, 17 | 0, 0 |
严重破坏 | 19, 41 | 15, 32 | 34, 72 | 0, 0 |
中等破坏 | 3, 6 | 2, 4 | 5, 11 | 0, 0 |
合计 | 30, 64 | 17, 36 | 47, 100 | 0, 0 |
表7 建筑物楼层、 结构数量及占比
Table7 Number and proportion of building floors and structures
破坏类型 | 不同楼层数数量(栋)及占比/% | 不同结构类型数量(栋)及占比/% | ||
---|---|---|---|---|
一层 | 二层 | 土木结构 | 砖混结构 | |
倒塌 | 8, 17 | 0, 0 | 8, 17 | 0, 0 |
严重破坏 | 19, 41 | 15, 32 | 34, 72 | 0, 0 |
中等破坏 | 3, 6 | 2, 4 | 5, 11 | 0, 0 |
合计 | 30, 64 | 17, 36 | 47, 100 | 0, 0 |
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