本發(fā)明屬于夜間燈光遙感數(shù)據(jù)和地震領(lǐng)域，特別涉及一種基于夜間燈光數(shù)據(jù)提取地震烈度的方法。

背景技術(shù)：

我國(guó)是一個(gè)地震頻繁發(fā)生的國(guó)家，探究和了解地震發(fā)生后的烈度分布情況，對(duì)于降低地震造成的人員財(cái)產(chǎn)損失、擴(kuò)寬現(xiàn)有的地震烈度調(diào)查方法、促進(jìn)震后重建發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義，同時(shí)也能為相關(guān)政府部門制定及時(shí)制定震后營(yíng)救提供數(shù)據(jù)參考和決策依據(jù)。

夜間燈光數(shù)據(jù)由美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星計(jì)劃(defensemeteorologicalsate-lliteprogram,dmsp)裝載的傳感器(operationallinescansystem,ols)通過(guò)獲取夜晚城市燈光以及其它小規(guī)模居民地、車流等發(fā)出的微弱燈光所得到，并區(qū)別于黑暗的鄉(xiāng)村背景。然而現(xiàn)有的夜間燈光數(shù)據(jù)被廣泛地應(yīng)用于城市動(dòng)態(tài)擴(kuò)展研究中，通過(guò)夜間燈光數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估地震烈度目前還無(wú)人涉足?，F(xiàn)有的評(píng)估地震烈度方法還主要依靠震后大范圍的人員實(shí)地調(diào)查。這種實(shí)地調(diào)查方法不僅耗費(fèi)大量的人力物力，而且嚴(yán)重影響救援行動(dòng)和救援時(shí)間。

地震烈度是表示地震破壞程度的一個(gè)指標(biāo)，判定一個(gè)地區(qū)的地震烈度大小，不僅與此次地震的震級(jí)大小、震源深度、與震中的距離有關(guān)，還與地震波傳播途徑中的工程地質(zhì)條件和工程建筑物的特性有關(guān)。地震的烈度在不同方向有所不同，在覆蓋土層淺的山區(qū)衰減快，而覆蓋土層厚的平原地區(qū)衰減慢。地震烈度與震中的關(guān)系不僅僅是簡(jiǎn)單的同心圓關(guān)系，還與各方面因素有關(guān)。例如5.12汶川地震中，震中在汶川，受損最嚴(yán)重地區(qū)卻是北川縣城。而在4.25尼泊爾地震，加德滿都的受損情況比震中更嚴(yán)重，烈度更大。

目前，地震烈度的判定主要通過(guò)科技人員現(xiàn)場(chǎng)大范圍調(diào)查地震對(duì)地表及工程建筑物影響的強(qiáng)弱程度來(lái)判定地震烈度的大小。得到的地震烈度分布不僅受不同的科技人員的主觀影響還會(huì)造成某些區(qū)域可能沒(méi)有實(shí)地調(diào)查而導(dǎo)致該區(qū)域地震烈度的不準(zhǔn)確。同時(shí)這種實(shí)地調(diào)查的方法，也需要大量的人力和物力，并且耗費(fèi)大量時(shí)間，延誤最佳的救援時(shí)機(jī)。例如，5.12汶川地震發(fā)生一百多天后，中國(guó)地震局才正式公布了此次地震的烈度分布圖。并且目前的地震烈度分布圖都是大尺度宏觀的表示，不夠細(xì)化和準(zhǔn)確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種基于夜間燈光數(shù)據(jù)提取地震烈度的方法。該方法將地震前一年份和地震年份的研究區(qū)夜間燈光數(shù)據(jù)作差值，并結(jié)合空間插值技術(shù)，準(zhǔn)確提取出不同區(qū)域的地震烈度，可準(zhǔn)確便捷地反映地震破壞情況，為相關(guān)政府部門及時(shí)制定震后重建和管理提供數(shù)據(jù)參考和決策依據(jù)。

本發(fā)明提出的一種基于夜間燈光數(shù)據(jù)提取地震烈度的方法，其特征在于，包括以下步驟：

1)裁剪夜間燈光數(shù)據(jù)；從夜間燈光數(shù)據(jù)官方網(wǎng)站下載研究區(qū)的地震前一年份和地震年份的全球夜間燈光數(shù)據(jù)，根據(jù)研究區(qū)的矢量數(shù)據(jù)確定裁剪的區(qū)域,利用arcgis軟件對(duì)下載得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪處理，生成裁剪后的研究區(qū)地震前一年份和研究區(qū)地震年份的夜間燈光數(shù)據(jù)；所述研究區(qū)為需要提取地震烈度的區(qū)域；

2)提取研究區(qū)地震前一年份和研究區(qū)地震年份的夜間燈光數(shù)據(jù)差值；通過(guò)arcgis軟件中arctoolbox工具箱的地圖代數(shù)工具對(duì)步驟1)得到的裁剪后的地震前一年份和地震年份的夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算，生成研究區(qū)各個(gè)區(qū)域的燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)；

3)利用arcgis軟件將步驟2)得到的柵格數(shù)據(jù)，生成研究區(qū)的各個(gè)區(qū)域的燈光亮度變化值的點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)；

4)剔除步驟3)生成的研究區(qū)的各個(gè)區(qū)域的燈光亮度變化值的點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)中的0值；

5)對(duì)剔除0值后的研究區(qū)的的燈光亮度變化值的點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，得到空間插值后的研究區(qū)燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)；

6)根據(jù)燈光亮度變化程度，將空間插值后的研究區(qū)燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，生成重分類后的研究區(qū)燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)；所述燈光亮度變化程度分為1-9共9個(gè)級(jí)別；

7)通過(guò)arcgis軟件將步驟6)得到的重分類后的研究區(qū)燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為面狀矢量數(shù)據(jù)；

8)對(duì)步驟7)得到的研究區(qū)燈光亮度變化值的面狀矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行地震烈度賦值，地震烈度隨燈光亮度變化值的變化而變化：令燈光亮度變化值7及以上的為xi度，4-6為x度，1-3為ix度，并賦予不同的烈度不同的顏色以示區(qū)別；

9)利用arcgis軟件對(duì)步驟7)得到的面狀矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，生成平滑后的地震烈度分布的面狀矢量數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果在于：

(1)本發(fā)明采取了夜間燈光數(shù)據(jù)提取地震烈度分布，較之前的科技人員實(shí)地調(diào)查方法，可以節(jié)省大量的人力物力，節(jié)約社會(huì)資源。

(2)本發(fā)明采取了衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，得出的結(jié)果不受科技人員的主觀影響，客觀準(zhǔn)確。

(3)目前夜間燈光數(shù)據(jù)最高時(shí)間分辨率為月尺度，與傳統(tǒng)的地震烈度獲取方式相比，所需的時(shí)間大大減少，為地震救援和重建節(jié)約寶貴時(shí)間。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中生成的汶川縣地震烈度示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出的一種基于夜間燈光數(shù)據(jù)提取地震烈度的方法，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明如下。

本發(fā)明提出的一種基于夜間燈光數(shù)據(jù)提取地震烈度的方法，流程框圖如圖1所示，包括以下步驟：

1)裁剪夜間燈光數(shù)據(jù)，從夜間燈光數(shù)據(jù)官方網(wǎng)站(http://www.ngdc.noaa.gov/dmsp/download.html)下載研究區(qū)(即需要提取地震烈度的區(qū)域)的地震前一年份和地震年份的全球夜間燈光數(shù)據(jù)，根據(jù)研究區(qū)的矢量數(shù)據(jù)確定裁剪的區(qū)域,(研究區(qū)的矢量數(shù)據(jù)用于提供研究區(qū)的地理范圍數(shù)據(jù)，確定裁剪的區(qū)域，提供不同地區(qū)矢量數(shù)據(jù)的來(lái)源有很多，本發(fā)明所采用的矢量數(shù)據(jù)來(lái)源于http://www.diva-gis.org/gdata)，對(duì)下載得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪處理，生成裁剪后的研究區(qū)地震前一年份和研究區(qū)地震年份的夜間燈光數(shù)據(jù)；生成裁剪后的研究區(qū)地震前一年份和研究區(qū)地震年份的夜間燈光數(shù)據(jù)的過(guò)程是利用arcgis軟件進(jìn)行處理計(jì)算；

2)提取研究區(qū)地震前一年份和研究區(qū)地震年份的夜間燈光數(shù)據(jù)差值，通過(guò)arcgis軟件中arctoolbox工具箱的地圖代數(shù)工具對(duì)步驟1)得到的裁剪后的地震前一年份和地震年份的夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算，生成研究區(qū)各個(gè)區(qū)域的燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)；

3)利用步驟2)得到的柵格數(shù)據(jù)，生成研究區(qū)的各個(gè)區(qū)域的燈光亮度變化值的點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)；因?yàn)楸景l(fā)明中所采用的空間插值是對(duì)矢量數(shù)據(jù)的處理，因此在空間插值之前需要通過(guò)arcgis軟件對(duì)研究區(qū)的燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)；

4)剔除步驟3)生成的研究區(qū)的各個(gè)區(qū)域的燈光亮度變化值的點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)中的0值；所述0值并不代表這些區(qū)域燈光亮度值不變，因?yàn)榈卣鹎耙荒攴莺偷卣鹉攴輧煞归g燈光數(shù)據(jù)存在相同的黑暗背景(燈光亮度值為0)區(qū)域，雖然相減值為0，但是地震依然對(duì)這些地方產(chǎn)生了破壞，只是沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。因此空間插值前需要將燈光亮度變化值中的0值剔除；

5)對(duì)剔除0值后的研究區(qū)的的燈光亮度變化值的點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，得到空間插值后的研究區(qū)燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)；空間插值是一種通過(guò)已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)推求同一區(qū)域其他未知點(diǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算方法。由于黑暗的農(nóng)村和郊區(qū)燈光亮度值為0，燈光亮度變化值也為0，經(jīng)過(guò)步驟4)剔除后，燈光亮度不能覆蓋整個(gè)研究區(qū)，因此需要通過(guò)空間插值從研究區(qū)已知燈光亮度變化值的點(diǎn)推求研究區(qū)內(nèi)其他未知燈光亮度變化值的點(diǎn)；

6)根據(jù)燈光亮度變化程度，將空間插值后的研究區(qū)燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類(燈光亮度變化程度分為1-9共9個(gè)級(jí)別)。生成重分類后的研究區(qū)燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)。由于空間插值后的研究區(qū)燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)沒(méi)有屬性表，通過(guò)重分類操作使其具有屬性表信息，方便后續(xù)操作。

7)利用步驟6)得到的柵格數(shù)據(jù)，通過(guò)arcgis軟件的轉(zhuǎn)換工具，將重分類后的研究區(qū)燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為面狀矢量數(shù)據(jù)，便于后續(xù)的地震烈度賦值和平滑面處理(由于后續(xù)的地震烈度賦值和平滑面處理在矢量數(shù)據(jù)中操作簡(jiǎn)單易行，因此需要對(duì)柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為面狀矢量數(shù)據(jù)處理)；

8)對(duì)步驟7)得到的研究區(qū)燈光亮度變化值的面狀矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行地震烈度賦值，地震烈度隨燈光亮度變化值的變化而變化。令燈光亮度變化值7及以上的為xi度，4-6為x度，1-3為ix度，并賦予不同的烈度不同的顏色以示區(qū)別；

9)平滑面處理,由于步驟7)中柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為面狀矢量數(shù)據(jù)時(shí)，生成的地震烈度分布邊緣存在棱角情況，為了使地震烈度分布看起來(lái)更加平滑，需要用arcgis軟件平滑面工具對(duì)步驟7)得到的面狀矢量數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，生成平滑后的地震烈度分布的面狀矢量數(shù)據(jù)。

下面結(jié)合汶川地震為具體實(shí)施例，對(duì)發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明如下：

本實(shí)施例的一種基于夜間燈光數(shù)據(jù)提取地震烈度的方法，該方法包括以下步驟：

1)裁剪夜間燈光數(shù)據(jù)；從夜間燈光數(shù)據(jù)官方網(wǎng)站下載研究區(qū)(本實(shí)施例研究區(qū)為汶川縣)的地震前一年份和地震年份的全球夜間燈光數(shù)據(jù)，根據(jù)研究區(qū)的矢量數(shù)據(jù)確定裁剪的區(qū)域,本實(shí)施例采用汶川縣的矢量數(shù)據(jù)(來(lái)源于http://www.diva-gis.org/gdata)，對(duì)下載得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)行裁剪處理，生成裁剪后的汶川縣地震前一年份(2007年)和地震年份(2008年)的夜間燈光數(shù)據(jù)；生成裁剪后的汶川縣地震前一年份和地震年份的夜間燈光數(shù)據(jù)的過(guò)程是利用arcgis軟件進(jìn)行處理計(jì)算。具體步驟如下：

1.1)下載夜間燈光數(shù)據(jù)：從夜間燈光數(shù)據(jù)官方網(wǎng)站下載研究區(qū)(汶川縣)的地震前一年份和地震年份的全球夜間燈光數(shù)據(jù)；

1.2)利用步驟1.1)得到的數(shù)據(jù)，通過(guò)arcgis軟件，分別加載地震前一年份和地震年份的全球夜間燈光數(shù)據(jù)以及汶川縣的矢量數(shù)據(jù)，打開arctoolbox工具箱中的空間分析工具目錄下的掩模提取工具；

1.3)在掩模提取工具中，分別選擇要裁剪的地震前一年份和地震年份的全球夜間燈光數(shù)據(jù)以及汶川縣的矢量數(shù)據(jù)，進(jìn)行裁剪處理，生成裁剪后的汶川縣地震前一年份和地震年份的夜間燈光數(shù)據(jù)。

2)提取研究區(qū)地震前一年份和研究區(qū)地震年份的夜間燈光數(shù)據(jù)差值，通過(guò)arcgis軟件中arctoolbox工具箱的地圖代數(shù)工具對(duì)步驟1)得到的裁剪后的汶川縣地震前一年份和汶川縣地震年份的夜間燈光數(shù)據(jù)進(jìn)行差值計(jì)算，生成汶川縣各個(gè)區(qū)域的燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)；具體步驟如下：

2.1)在arcgis中分別加載步驟1)得到的裁剪后的汶川縣地震前一年份和汶川縣地震年份的夜間燈光數(shù)據(jù)，選擇arctoolbox工具箱中的空間分析工具目錄下的柵格計(jì)算器工具；

2.2)在柵格計(jì)算器工具中將汶川縣地震前一年份的夜間燈光數(shù)據(jù)減去汶川縣地震年份的夜間燈光數(shù)據(jù)(例如汶川縣地震前一年份和地震年份的夜間燈光數(shù)據(jù)都由5500個(gè)柵格點(diǎn)組成，柵格計(jì)算器是通過(guò)地震前一年份的5500個(gè)柵格點(diǎn)的燈光亮度值減去地震年份中對(duì)應(yīng)的5500個(gè)柵格點(diǎn)的燈光亮度值)，得到汶川縣各個(gè)區(qū)域的燈光亮度變化值；

3)利用步驟2)得到的柵格數(shù)據(jù)，生成研究區(qū)的各個(gè)區(qū)域的燈光亮度變化值的點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)；因?yàn)楸景l(fā)明中所采用的空間插值是對(duì)矢量數(shù)據(jù)的處理，因此在空間插值之前需要通過(guò)arcgis軟件對(duì)汶川縣的燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)；具體步驟如下：

3.1)選擇arctoolbox工具箱中的轉(zhuǎn)換工具目錄下的柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)工具；

3.2)在柵格轉(zhuǎn)點(diǎn)工具中，選擇燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)，設(shè)置相應(yīng)字段后，生成汶川縣燈光亮度變化值的點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)。

4)剔除步驟3)生成的研究區(qū)各個(gè)區(qū)域的燈光亮度變化值中的0值；所述0值并不代表這些區(qū)域燈光亮度值不變，因?yàn)閮煞归g燈光數(shù)據(jù)存在相同的黑暗背景(燈光亮度值為0)區(qū)域，雖然相減值為0，但是地震依然對(duì)這些地方產(chǎn)生了破壞，只是沒(méi)有體現(xiàn)出來(lái)。因此空間插值前需要將燈光亮度變化值中的0值剔除。具體步驟為：

4.1)打開步驟3)生成的汶川縣各個(gè)區(qū)域的燈光亮度變化值點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)的屬性表；

4.2)通過(guò)屬性選擇工具,選擇所有燈光亮度變化值為0的點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)；

4.3)通過(guò)屬性表菜單欄中的刪除按鈕，完成剔除汶川縣各個(gè)區(qū)域的燈光亮度變化值中的0值。

5)對(duì)剔除0值后的研究區(qū)的的燈光亮度變化值的點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，得到空間插值后的研究區(qū)燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)；空間插值是一種通過(guò)已知點(diǎn)的數(shù)據(jù)推求同一區(qū)域其他未知點(diǎn)數(shù)據(jù)的計(jì)算方法。由于黑暗的農(nóng)村和郊區(qū)燈光亮度值為0，燈光亮度變化值也為0，經(jīng)過(guò)步驟4)剔除后，燈光亮度不能覆蓋整個(gè)研究區(qū)，因此需要通過(guò)空間插值從研究區(qū)已知燈光亮度變化值的點(diǎn)推求研究區(qū)內(nèi)其他未知燈光亮度變化值的點(diǎn)。具體步驟如下：

5.1)選擇arctoolbox工具箱中空間分析工具目錄下的反距離插值工具；

5.2)在反距離插值工具中，分別輸入步驟4)得到的剔除0值后的汶川縣燈光亮度變化值的點(diǎn)狀矢量數(shù)據(jù)和汶川縣的矢量數(shù)據(jù)(使插值只在汶川縣范圍內(nèi)進(jìn)行)，得到汶川縣燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)。

6)根據(jù)燈光亮度變化程度，將空間插值后的汶川縣燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類(燈光亮度變化程度分為1-9共9個(gè)級(jí)別)。生成重分類后的汶川縣燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)。由于空間插值后的研究區(qū)燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)沒(méi)有屬性表，通過(guò)重分類操作使其具有屬性表信息，方便后續(xù)操作。具體步驟如下：

6.1)選擇arctoolbox工具箱中空間分析工具目錄下的重分類工具；

6.2)在重分類工具中，選擇汶川縣燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)，設(shè)置字段，生成重分類后的汶川縣燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)。

7)利用步驟6)得到的柵格數(shù)據(jù)，通過(guò)arcgis軟件的轉(zhuǎn)換工具，將重分類后的汶川縣燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為面狀矢量數(shù)據(jù)，便于后續(xù)的地震烈度賦值和平滑面處理。具體步驟如下：

7.1)選擇arctoolbox工具箱中轉(zhuǎn)換工具目錄下的柵格轉(zhuǎn)面工具；

7.2)在柵格轉(zhuǎn)面工具中，選擇重分類后的汶川縣燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)，設(shè)置字段，生成汶川縣燈光亮度變化值的面狀矢量數(shù)據(jù)。

8)對(duì)步驟7)得到的汶川縣燈光亮度變化值的面狀矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行地震烈度賦值，地震烈度隨燈光亮度變化值的變化而變化。令燈光亮度變化值7及以上的為xi度，4-6為x度，1-3為ix度，并賦予不同的烈度不同的顏色以示區(qū)別。具體步驟如下：

8.1)通過(guò)步驟7)得到的汶川縣燈光亮度變化值的面狀矢量數(shù)據(jù)屬性表中的屬性選擇工具,選擇燈光亮度變化值為1、2和3的面狀矢量數(shù)據(jù)；

8.2)通過(guò)合并工具，將燈光亮度變化值為1、2和3的區(qū)域合并為一個(gè)區(qū)域，并命名為ix烈度；

8.3)重復(fù)步驟8.1)和8.2)，將燈光亮度變化值為4、5和6的區(qū)域合并為一個(gè)區(qū)域，并命名為x烈度；將燈光亮度變化值為7、8和9的區(qū)域合并為一個(gè)區(qū)域，并命名為xi烈度；

8.4)單擊圖層色彩設(shè)置，分別賦予xi烈度、x烈度和ix烈度以不同顏色以示區(qū)別；本實(shí)施例中，xi烈度、x烈度和ix烈度分別為黑色、灰色和白色。

9)平滑面處理,由于由于步驟7)中柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為面狀矢量數(shù)據(jù)時(shí)，生成的地震烈度分布邊緣存在棱角情況，為了使地震烈度分布看起來(lái)更加平滑，需要用arcgis軟件平滑面工具進(jìn)一步處理，生成平滑后的地震烈度分布的面狀矢量數(shù)據(jù)。具體步驟如下：

9.1)選擇arctoolbox工具箱中制圖工具目錄下的平滑面工具；

9.2)在平滑面工具中，選擇烈度分布的面狀矢量數(shù)據(jù)，并設(shè)置平滑容差生成平滑后的汶川縣地震烈度分布。平滑后的汶川縣地震烈度分布如圖2所示，圖中黑色、灰色和白色區(qū)域分別代表xi烈度、x烈度和ix烈度區(qū)域。