本發(fā)明屬于夜間燈光遙感數(shù)據(jù)和地震領域，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：

我國是一個地震頻繁發(fā)生的國家，探究和了解地震發(fā)生后的烈度分布情況，對于降低地震造成的人員財產(chǎn)損失、擴寬現(xiàn)有的地震烈度調查方法、促進震后重建發(fā)展具有非常重要的戰(zhàn)略意義，同時也能為相關政府部門制定及時制定震后營救提供數(shù)據(jù)參考和決策依據(jù)。

夜間燈光數(shù)據(jù)由美國國防氣象衛(wèi)星計劃(defensemeteorologicalsate-lliteprogram,dmsp)裝載的傳感器(operationallinescansystem,ols)通過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)被廣泛地應用于城市動態(tài)擴展研究中，通過夜間燈光數(shù)據(jù)來評估地震烈度目前還無人涉足?，F(xiàn)有的評估地震烈度方法還主要依靠震后大范圍的人員實地調查。這種實地調查方法不僅耗費大量的人力物力，而且嚴重影響救援行動和救援時間。

地震烈度是表示地震破壞程度的一個指標，判定一個地區(qū)的地震烈度大小，不僅與此次地震的震級大小、震源深度、與震中的距離有關，還與地震波傳播途徑中的工程地質條件和工程建筑物的特性有關。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系不僅僅是簡單的同心圓關系，還與各方面因素有關。例如5.12汶川地震中，震中在汶川，受損最嚴重地區(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重，烈度更大。

目前，地震烈度的判定主要通過科技人員現(xiàn)場大范圍調查地震對地表及工程建筑物影響的強弱程度來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造成某些區(qū)域可能沒有實地調查而導致該區(qū)域地震烈度的不準確。同時這種實地調查的方法，也需要大量的人力和物力，并且耗費大量時間，延誤最佳的救援時機。例如，5.12汶川地震發(fā)生一百多天后，中國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，不夠細化和準確。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是為克服已有技術的不足之處，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，并結合空間插值技術，準確提取出不同區(qū)域的地震烈度，可準確便捷地反映地震破壞情況，為相關政府部門及時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軟件對下載得到的數(shù)據(jù)進行裁剪處理，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arcgis軟件中arctoolbox工具箱的地圖代數(shù)工具對步驟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)進行差值計算，生成研究區(qū)各個區(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)的各個區(qū)域的燈光亮度變化值的點狀矢量數(shù)據(jù)；

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

5)對剔除0值后的研究區(qū)的的燈光亮度變化值的點狀矢量數(shù)據(jù)進行空間插值，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個級別；

7)通過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)轉換為面狀矢量數(shù)據(jù)；

8)對步驟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軟件對步驟7)得到的面狀矢量數(shù)據(jù)進行平滑處理，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地調查方法，可以節(jié)省大量的人力物力，節(jié)約社會資源。

(2)本發(fā)明采取了衛(wèi)星獲取的數(shù)據(jù)作為實驗基礎，得出的結果不受科技人員的主觀影響，客觀準確。

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

附圖說明

圖1為本發(fā)明方法的流程圖。

圖2為本發(fā)明實施例中生成的汶川縣地震烈度示意圖。

具體實施方式

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，下面結合附圖和具體實施例進一步詳細說明如下。

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)的來源有很多，本發(fā)明所采用的矢量數(shù)據(jù)來源于http://www.diva-gis.org/gdata)，對下載得到的數(shù)據(jù)進行裁剪處理，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)的過程是利用arcgis軟件進行處理計算；

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arcgis軟件中arctoolbox工具箱的地圖代數(shù)工具對步驟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)進行差值計算，生成研究區(qū)各個區(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)的各個區(qū)域的燈光亮度變化值的點狀矢量數(shù)據(jù)；因為本發(fā)明中所采用的空間插值是對矢量數(shù)據(jù)的處理，因此在空間插值之前需要通過arcgis軟件對研究區(qū)的燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)轉換為點狀矢量數(shù)據(jù)；

4)剔除步驟3)生成的研究區(qū)的各個區(qū)域的燈光亮度變化值的點狀矢量數(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，因為地震前一年份和地震年份兩幅夜間燈光數(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，但是地震依然對這些地方產(chǎn)生了破壞，只是沒有體現(xiàn)出來。因此空間插值前需要將燈光亮度變化值中的0值剔除；

5)對剔除0值后的研究區(qū)的的燈光亮度變化值的點狀矢量數(shù)據(jù)進行空間插值，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已知點的數(shù)據(jù)推求同一區(qū)域其他未知點數(shù)據(jù)的計算方法。由于黑暗的農村和郊區(qū)燈光亮度值為0，燈光亮度變化值也為0，經(jīng)過步驟4)剔除后，燈光亮度不能覆蓋整個研究區(qū)，因此需要通過空間插值從研究區(qū)已知燈光亮度變化值的點推求研究區(qū)內其他未知燈光亮度變化值的點；

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)進行重分類(燈光亮度變化程度分為1-9共9個級別)。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)沒有屬性表，通過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arcgis軟件的轉換工具，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)中操作簡單易行，因此需要對柵格數(shù)據(jù)轉換為面狀矢量數(shù)據(jù)處理)；

8)對步驟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)轉換為面狀矢量數(shù)據(jù)時，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更加平滑，需要用arcgis軟件平滑面工具對步驟7)得到的面狀矢量數(shù)據(jù)進一步處理，生成平滑后的地震烈度分布的面狀矢量數(shù)據(jù)。

下面結合汶川地震為具體實施例，對發(fā)明進一步詳細說明如下：

本實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,本實施例采用汶川縣的矢量數(shù)據(jù)(來源于http://www.diva-gis.org/gdata)，對下載得到的數(shù)據(jù)進行進行裁剪處理，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)的過程是利用arcgis軟件進行處理計算。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arcgis軟件中arctoolbox工具箱的地圖代數(shù)工具對步驟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)進行差值計算，生成汶川縣各個區(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算器工具；

2.2)在柵格計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個柵格點組成，柵格計算器是通過地震前一年份的5500個柵格點的燈光亮度值減去地震年份中對應的5500個柵格點的燈光亮度值)，得到汶川縣各個區(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)的各個區(qū)域的燈光亮度變化值的點狀矢量數(shù)據(jù)；因為本發(fā)明中所采用的空間插值是對矢量數(shù)據(jù)的處理，因此在空間插值之前需要通過arcgis軟件對汶川縣的燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)轉換為點狀矢量數(shù)據(jù)；具體步驟如下：

3.1)選擇arctoolbox工具箱中的轉換工具目錄下的柵格轉點工具；

3.2)在柵格轉點工具中，選擇燈光亮度變化值的柵格數(shù)據(jù)，設置相應字段后，生成汶川縣燈光亮度變化值的點狀矢量數(shù)據(jù)。

4)剔除步驟3)生成的研究區(qū)各個區(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，因為兩幅夜間燈光數(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，但是地震依然對這些地方產(chǎn)生了破壞，只是沒有體現(xiàn)出來。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)生成的汶川縣各個區(qū)域的燈光亮度變化值點狀矢量數(shù)據(jù)的屬性表；

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

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

5)對剔除0值后的研究區(qū)的的燈光亮度變化值的點狀矢量數(shù)據(jù)進行空間插值，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已知點的數(shù)據(jù)推求同一區(qū)域其他未知點數(shù)據(jù)的計算方法。由于黑暗的農村和郊區(qū)燈光亮度值為0，燈光亮度變化值也為0，經(jīng)過步驟4)剔除后，燈光亮度不能覆蓋整個研究區(qū)，因此需要通過空間插值從研究區(qū)已知燈光亮度變化值的點推求研究區(qū)內其他未知燈光亮度變化值的點。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進行)，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)進行重分類(燈光亮度變化程度分為1-9共9個級別)。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)沒有屬性表，通過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arcgis軟件的轉換工具，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工具箱中轉換工具目錄下的柵格轉面工具；

7.2)在柵格轉面工具中，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)域合并為一個區(qū)域，并命名為ix烈度；

8.3)重復步驟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)域合并為一個區(qū)域，并命名為xi烈度；

8.4)單擊圖層色彩設置，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)轉換為面狀矢量數(shù)據(jù)時，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更加平滑，需要用arcgis軟件平滑面工具進一步處理，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。