一种基于夜间灯光数据提取地震烈度的方法与流程

本发明属于夜间灯光遥感数据和地震领域，特别涉及一种基于夜间灯光数据提取地震烈度的方法。

背景技术：

我国是一个地震频繁发生的国家，探究和了解地震发生后的烈度分布情况，对于降低地震造成的人员财产损失、扩宽现有的地震烈度调查方法、促进震后重建发展具有非常重要的战略意义，同时也能为相关政府部门制定及时制定震后营救提供数据参考和决策依据。

夜间灯光数据由美国国防气象卫星计划(defensemeteorologicalsate-lliteprogram,dmsp)装载的传感器(operationallinescansystem,ols)通过获取夜晚城市灯光以及其它小规模居民地、车流等发出的微弱灯光所得到，并区别于黑暗的乡村背景。然而现有的夜间灯光数据被广泛地应用于城市动态扩展研究中，通过夜间灯光数据来评估地震烈度目前还无人涉足。现有的评估地震烈度方法还主要依靠震后大范围的人员实地调查。这种实地调查方法不仅耗费大量的人力物力，而且严重影响救援行动和救援时间。

地震烈度是表示地震破坏程度的一个指标，判定一个地区的地震烈度大小，不仅与此次地震的震级大小、震源深度、与震中的距离有关，还与地震波传播途径中的工程地质条件和工程建筑物的特性有关。地震的烈度在不同方向有所不同，在覆盖土层浅的山区衰减快，而覆盖土层厚的平原地区衰减慢。地震烈度与震中的关系不仅仅是简单的同心圆关系，还与各方面因素有关。例如5.12汶川地震中，震中在汶川，受损最严重地区却是北川县城。而在4.25尼泊尔地震，加德满都的受损情况比震中更严重，烈度更大。

目前，地震烈度的判定主要通过科技人员现场大范围调查地震对地表及工程建筑物影响的强弱程度来判定地震烈度的大小。得到的地震烈度分布不仅受不同的科技人员的主观影响还会造成某些区域可能没有实地调查而导致该区域地震烈度的不准确。同时这种实地调查的方法，也需要大量的人力和物力，并且耗费大量时间，延误最佳的救援时机。例如，5.12汶川地震发生一百多天后，中国地震局才正式公布了此次地震的烈度分布图。并且目前的地震烈度分布图都是大尺度宏观的表示，不够细化和准确。

技术实现要素：

本发明目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于夜间灯光数据提取地震烈度的方法。该方法将地震前一年份和地震年份的研究区夜间灯光数据作差值，并结合空间插值技术，准确提取出不同区域的地震烈度，可准确便捷地反映地震破坏情况，为相关政府部门及时制定震后重建和管理提供数据参考和决策依据。

本发明提出的一种基于夜间灯光数据提取地震烈度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)裁剪夜间灯光数据；从夜间灯光数据官方网站下载研究区的地震前一年份和地震年份的全球夜间灯光数据，根据研究区的矢量数据确定裁剪的区域,利用arcgis软件对下载得到的数据进行裁剪处理，生成裁剪后的研究区地震前一年份和研究区地震年份的夜间灯光数据；所述研究区为需要提取地震烈度的区域；

2)提取研究区地震前一年份和研究区地震年份的夜间灯光数据差值；通过arcgis软件中arctoolbox工具箱的地图代数工具对步骤1)得到的裁剪后的地震前一年份和地震年份的夜间灯光数据进行差值计算，生成研究区各个区域的灯光亮度变化值的栅格数据；

3)利用arcgis软件将步骤2)得到的栅格数据，生成研究区的各个区域的灯光亮度变化值的点状矢量数据；

4)剔除步骤3)生成的研究区的各个区域的灯光亮度变化值的点状矢量数据中的0值；

5)对剔除0值后的研究区的的灯光亮度变化值的点状矢量数据进行空间插值，得到空间插值后的研究区灯光亮度变化值的栅格数据；

6)根据灯光亮度变化程度，将空间插值后的研究区灯光亮度变化值的栅格数据进行重分类，生成重分类后的研究区灯光亮度变化值的栅格数据；所述灯光亮度变化程度分为1-9共9个级别；

7)通过arcgis软件将步骤6)得到的重分类后的研究区灯光亮度变化值的栅格数据转换为面状矢量数据；

8)对步骤7)得到的研究区灯光亮度变化值的面状矢量数据进行地震烈度赋值，地震烈度随灯光亮度变化值的变化而变化：令灯光亮度变化值7及以上的为xi度，4-6为x度，1-3为ix度，并赋予不同的烈度不同的颜色以示区别；

9)利用arcgis软件对步骤7)得到的面状矢量数据进行平滑处理，生成平滑后的地震烈度分布的面状矢量数据。

本发明的特点及有益效果在于：

(1)本发明采取了夜间灯光数据提取地震烈度分布，较之前的科技人员实地调查方法，可以节省大量的人力物力，节约社会资源。

(2)本发明采取了卫星获取的数据作为实验基础，得出的结果不受科技人员的主观影响，客观准确。

(3)目前夜间灯光数据最高时间分辨率为月尺度，与传统的地震烈度获取方式相比，所需的时间大大减少，为地震救援和重建节约宝贵时间。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为本发明实施例中生成的汶川县地震烈度示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种基于夜间灯光数据提取地震烈度的方法，下面结合附图和具体实施例进一步详细说明如下。

本发明提出的一种基于夜间灯光数据提取地震烈度的方法，流程框图如图1所示，包括以下步骤：

1)裁剪夜间灯光数据，从夜间灯光数据官方网站(http://www.ngdc.noaa.gov/dmsp/download.html)下载研究区(即需要提取地震烈度的区域)的地震前一年份和地震年份的全球夜间灯光数据，根据研究区的矢量数据确定裁剪的区域,(研究区的矢量数据用于提供研究区的地理范围数据，确定裁剪的区域，提供不同地区矢量数据的来源有很多，本发明所采用的矢量数据来源于http://www.diva-gis.org/gdata)，对下载得到的数据进行裁剪处理，生成裁剪后的研究区地震前一年份和研究区地震年份的夜间灯光数据；生成裁剪后的研究区地震前一年份和研究区地震年份的夜间灯光数据的过程是利用arcgis软件进行处理计算；

2)提取研究区地震前一年份和研究区地震年份的夜间灯光数据差值，通过arcgis软件中arctoolbox工具箱的地图代数工具对步骤1)得到的裁剪后的地震前一年份和地震年份的夜间灯光数据进行差值计算，生成研究区各个区域的灯光亮度变化值的栅格数据；

3)利用步骤2)得到的栅格数据，生成研究区的各个区域的灯光亮度变化值的点状矢量数据；因为本发明中所采用的空间插值是对矢量数据的处理，因此在空间插值之前需要通过arcgis软件对研究区的灯光亮度变化值的栅格数据转换为点状矢量数据；

4)剔除步骤3)生成的研究区的各个区域的灯光亮度变化值的点状矢量数据中的0值；所述0值并不代表这些区域灯光亮度值不变，因为地震前一年份和地震年份两幅夜间灯光数据存在相同的黑暗背景(灯光亮度值为0)区域，虽然相减值为0，但是地震依然对这些地方产生了破坏，只是没有体现出来。因此空间插值前需要将灯光亮度变化值中的0值剔除；

5)对剔除0值后的研究区的的灯光亮度变化值的点状矢量数据进行空间插值，得到空间插值后的研究区灯光亮度变化值的栅格数据；空间插值是一种通过已知点的数据推求同一区域其他未知点数据的计算方法。由于黑暗的农村和郊区灯光亮度值为0，灯光亮度变化值也为0，经过步骤4)剔除后，灯光亮度不能覆盖整个研究区，因此需要通过空间插值从研究区已知灯光亮度变化值的点推求研究区内其他未知灯光亮度变化值的点；

6)根据灯光亮度变化程度，将空间插值后的研究区灯光亮度变化值的栅格数据进行重分类(灯光亮度变化程度分为1-9共9个级别)。生成重分类后的研究区灯光亮度变化值的栅格数据。由于空间插值后的研究区灯光亮度变化值的栅格数据没有属性表，通过重分类操作使其具有属性表信息，方便后续操作。

7)利用步骤6)得到的栅格数据，通过arcgis软件的转换工具，将重分类后的研究区灯光亮度变化值的栅格数据转换为面状矢量数据，便于后续的地震烈度赋值和平滑面处理(由于后续的地震烈度赋值和平滑面处理在矢量数据中操作简单易行，因此需要对栅格数据转换为面状矢量数据处理)；

8)对步骤7)得到的研究区灯光亮度变化值的面状矢量数据进行地震烈度赋值，地震烈度随灯光亮度变化值的变化而变化。令灯光亮度变化值7及以上的为xi度，4-6为x度，1-3为ix度，并赋予不同的烈度不同的颜色以示区别；

9)平滑面处理,由于步骤7)中栅格数据转换为面状矢量数据时，生成的地震烈度分布边缘存在棱角情况，为了使地震烈度分布看起来更加平滑，需要用arcgis软件平滑面工具对步骤7)得到的面状矢量数据进一步处理，生成平滑后的地震烈度分布的面状矢量数据。

下面结合汶川地震为具体实施例，对发明进一步详细说明如下：

本实施例的一种基于夜间灯光数据提取地震烈度的方法，该方法包括以下步骤：

1)裁剪夜间灯光数据；从夜间灯光数据官方网站下载研究区(本实施例研究区为汶川县)的地震前一年份和地震年份的全球夜间灯光数据，根据研究区的矢量数据确定裁剪的区域,本实施例采用汶川县的矢量数据(来源于http://www.diva-gis.org/gdata)，对下载得到的数据进行进行裁剪处理，生成裁剪后的汶川县地震前一年份(2007年)和地震年份(2008年)的夜间灯光数据；生成裁剪后的汶川县地震前一年份和地震年份的夜间灯光数据的过程是利用arcgis软件进行处理计算。具体步骤如下：

1.1)下载夜间灯光数据：从夜间灯光数据官方网站下载研究区(汶川县)的地震前一年份和地震年份的全球夜间灯光数据；

1.2)利用步骤1.1)得到的数据，通过arcgis软件，分别加载地震前一年份和地震年份的全球夜间灯光数据以及汶川县的矢量数据，打开arctoolbox工具箱中的空间分析工具目录下的掩模提取工具；

1.3)在掩模提取工具中，分别选择要裁剪的地震前一年份和地震年份的全球夜间灯光数据以及汶川县的矢量数据，进行裁剪处理，生成裁剪后的汶川县地震前一年份和地震年份的夜间灯光数据。

2)提取研究区地震前一年份和研究区地震年份的夜间灯光数据差值，通过arcgis软件中arctoolbox工具箱的地图代数工具对步骤1)得到的裁剪后的汶川县地震前一年份和汶川县地震年份的夜间灯光数据进行差值计算，生成汶川县各个区域的灯光亮度变化值的栅格数据；具体步骤如下：

2.1)在arcgis中分别加载步骤1)得到的裁剪后的汶川县地震前一年份和汶川县地震年份的夜间灯光数据，选择arctoolbox工具箱中的空间分析工具目录下的栅格计算器工具；

2.2)在栅格计算器工具中将汶川县地震前一年份的夜间灯光数据减去汶川县地震年份的夜间灯光数据(例如汶川县地震前一年份和地震年份的夜间灯光数据都由5500个栅格点组成，栅格计算器是通过地震前一年份的5500个栅格点的灯光亮度值减去地震年份中对应的5500个栅格点的灯光亮度值)，得到汶川县各个区域的灯光亮度变化值；

3)利用步骤2)得到的栅格数据，生成研究区的各个区域的灯光亮度变化值的点状矢量数据；因为本发明中所采用的空间插值是对矢量数据的处理，因此在空间插值之前需要通过arcgis软件对汶川县的灯光亮度变化值的栅格数据转换为点状矢量数据；具体步骤如下：

3.1)选择arctoolbox工具箱中的转换工具目录下的栅格转点工具；

3.2)在栅格转点工具中，选择灯光亮度变化值的栅格数据，设置相应字段后，生成汶川县灯光亮度变化值的点状矢量数据。

4)剔除步骤3)生成的研究区各个区域的灯光亮度变化值中的0值；所述0值并不代表这些区域灯光亮度值不变，因为两幅夜间灯光数据存在相同的黑暗背景(灯光亮度值为0)区域，虽然相减值为0，但是地震依然对这些地方产生了破坏，只是没有体现出来。因此空间插值前需要将灯光亮度变化值中的0值剔除。具体步骤为：

4.1)打开步骤3)生成的汶川县各个区域的灯光亮度变化值点状矢量数据的属性表；

4.2)通过属性选择工具,选择所有灯光亮度变化值为0的点状矢量数据；

4.3)通过属性表菜单栏中的删除按钮，完成剔除汶川县各个区域的灯光亮度变化值中的0值。

5)对剔除0值后的研究区的的灯光亮度变化值的点状矢量数据进行空间插值，得到空间插值后的研究区灯光亮度变化值的栅格数据；空间插值是一种通过已知点的数据推求同一区域其他未知点数据的计算方法。由于黑暗的农村和郊区灯光亮度值为0，灯光亮度变化值也为0，经过步骤4)剔除后，灯光亮度不能覆盖整个研究区，因此需要通过空间插值从研究区已知灯光亮度变化值的点推求研究区内其他未知灯光亮度变化值的点。具体步骤如下：

5.1)选择arctoolbox工具箱中空间分析工具目录下的反距离插值工具；

5.2)在反距离插值工具中，分别输入步骤4)得到的剔除0值后的汶川县灯光亮度变化值的点状矢量数据和汶川县的矢量数据(使插值只在汶川县范围内进行)，得到汶川县灯光亮度变化值的栅格数据。

6)根据灯光亮度变化程度，将空间插值后的汶川县灯光亮度变化值的栅格数据进行重分类(灯光亮度变化程度分为1-9共9个级别)。生成重分类后的汶川县灯光亮度变化值的栅格数据。由于空间插值后的研究区灯光亮度变化值的栅格数据没有属性表，通过重分类操作使其具有属性表信息，方便后续操作。具体步骤如下：

6.1)选择arctoolbox工具箱中空间分析工具目录下的重分类工具；

6.2)在重分类工具中，选择汶川县灯光亮度变化值的栅格数据，设置字段，生成重分类后的汶川县灯光亮度变化值的栅格数据。

7)利用步骤6)得到的栅格数据，通过arcgis软件的转换工具，将重分类后的汶川县灯光亮度变化值的栅格数据转为面状矢量数据，便于后续的地震烈度赋值和平滑面处理。具体步骤如下：

7.1)选择arctoolbox工具箱中转换工具目录下的栅格转面工具；

7.2)在栅格转面工具中，选择重分类后的汶川县灯光亮度变化值的栅格数据，设置字段，生成汶川县灯光亮度变化值的面状矢量数据。

8)对步骤7)得到的汶川县灯光亮度变化值的面状矢量数据进行地震烈度赋值，地震烈度随灯光亮度变化值的变化而变化。令灯光亮度变化值7及以上的为xi度，4-6为x度，1-3为ix度，并赋予不同的烈度不同的颜色以示区别。具体步骤如下：

8.1)通过步骤7)得到的汶川县灯光亮度变化值的面状矢量数据属性表中的属性选择工具,选择灯光亮度变化值为1、2和3的面状矢量数据；

8.2)通过合并工具，将灯光亮度变化值为1、2和3的区域合并为一个区域，并命名为ix烈度；

8.3)重复步骤8.1)和8.2)，将灯光亮度变化值为4、5和6的区域合并为一个区域，并命名为x烈度；将灯光亮度变化值为7、8和9的区域合并为一个区域，并命名为xi烈度；

8.4)单击图层色彩设置，分别赋予xi烈度、x烈度和ix烈度以不同颜色以示区别；本实施例中，xi烈度、x烈度和ix烈度分别为黑色、灰色和白色。

9)平滑面处理,由于由于步骤7)中栅格数据转换为面状矢量数据时，生成的地震烈度分布边缘存在棱角情况，为了使地震烈度分布看起来更加平滑，需要用arcgis软件平滑面工具进一步处理，生成平滑后的地震烈度分布的面状矢量数据。具体步骤如下：

9.1)选择arctoolbox工具箱中制图工具目录下的平滑面工具；

9.2)在平滑面工具中，选择烈度分布的面状矢量数据，并设置平滑容差生成平滑后的汶川县地震烈度分布。平滑后的汶川县地震烈度分布如图2所示，图中黑色、灰色和白色区域分别代表xi烈度、x烈度和ix烈度区域。