3DGIS在城市建筑震害預(yù)測(cè)中的應(yīng)用

摘 要：文章以對(duì)城市群體建筑物進(jìn)行震害預(yù)測(cè)的震害因子法為基礎(chǔ)，結(jié)合Visual C#開(kāi)發(fā)環(huán)境與SuperMap Object.Net 組件式GIS平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市群體建筑的震害預(yù)測(cè)，并在地震烈度衰減算法的基礎(chǔ)上，完成了設(shè)定地震條件下對(duì)目標(biāo)地區(qū)受影響烈度的判斷。在三維場(chǎng)景中使用不同顏色的貼圖對(duì)不同破壞程度的建筑進(jìn)行渲染，最終實(shí)現(xiàn)了給定地震條件下城市建筑破壞程度的震后三維預(yù)測(cè)模擬。

關(guān)鍵詞：震害預(yù)測(cè)；3DGIS；城市建模；震后模擬

1 引言

處于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶兩大地震帶之間的我國(guó)是一個(gè)地震頻發(fā)的國(guó)家，隨著改革開(kāi)放與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的城市面積與人口密度越來(lái)越大。地震一旦發(fā)生，強(qiáng)烈地震造成的建筑物倒塌將會(huì)在人口密集建筑物集中的城市地區(qū)導(dǎo)致不可估量的人口傷亡損失和經(jīng)濟(jì)損失，因此，我們有必要對(duì)城市建筑物的抗震能力進(jìn)行整體客觀的預(yù)測(cè)分析。文章以對(duì)城市群體建筑物進(jìn)行震害預(yù)測(cè)的震害因子法為基礎(chǔ)，結(jié)合Visual C#與SuperMap Object.Net 組件式GIS平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市群體建筑的震害預(yù)測(cè)，并通過(guò)結(jié)合地震烈度衰減規(guī)律最終完成了設(shè)定地震條件下城市建筑破壞程度的震后三維預(yù)測(cè)模擬。

2 建筑物震害預(yù)測(cè)計(jì)算方法

2.1 建筑物震害預(yù)測(cè)

所謂建筑物的震害預(yù)測(cè)即對(duì)建筑物的總體抗震能力進(jìn)行一個(gè)客觀的評(píng)估預(yù)測(cè)，通常分為單體建筑物的震害預(yù)測(cè)和群體建筑物的震害預(yù)測(cè)[1]。單體建筑物預(yù)測(cè)常用于某些有特殊意義或特殊使用功能的建筑，如在維護(hù)城市功能與抗震救災(zāi)方面起重要作用的建筑、損壞后可能造成巨大次生災(zāi)害隱患的建筑等。群體建筑物的震害預(yù)測(cè)通常針對(duì)一個(gè)城市或區(qū)域的建筑群，是反映目標(biāo)區(qū)域整體抗震能力的有效技術(shù)途徑。群體建筑物震害預(yù)測(cè)是防震減災(zāi)工作中應(yīng)用極為廣泛的一種方法[2]。

2.2 震害因子法

震害因子法是一種建筑物震害預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)方法，他是在對(duì)歷史震害數(shù)據(jù)歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上，采用非線性回歸分析的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。其核心思想為整理出地震時(shí)對(duì)建筑物破壞有顯著影響的若干個(gè)震害因子，通過(guò)其數(shù)值的大小來(lái)反映這些震害因子對(duì)建筑物最終的震害造成的影響。文章采用了建筑震害預(yù)測(cè)常用的9個(gè)震害因子，分別為設(shè)防烈度、設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)、場(chǎng)地環(huán)境、場(chǎng)地類別、結(jié)構(gòu)類型、層數(shù)、建造年代、規(guī)則程度和使用狀況。結(jié)合震害因子表與震害因子算法[3]，即可計(jì)算出目標(biāo)建筑物的震害情況。

震害因子法作為一種針對(duì)量大覆蓋面廣的群體建筑簡(jiǎn)化震害估算方法，其思路很容易理解，計(jì)算方法也不復(fù)雜。通常情況下其精度完全可以滿足預(yù)測(cè)要求[4]。因此，本文采用震害因子法進(jìn)行城市群體建筑物的震害預(yù)測(cè)。

3 三維場(chǎng)景建立

3.1 三維城市建模

相對(duì)于2DGIS，3DGIS憑借其對(duì)空間信息更加生動(dòng)形象的表達(dá)形式，使用戶更容易完成對(duì)空間信息的認(rèn)知。在對(duì)城市建筑物進(jìn)行三維震害模擬前，我們首先需要構(gòu)造目標(biāo)城市的三維模型。3DGIS城市建模的工作主要分為兩部分，分別為三維模型框架的構(gòu)建與三維模型紋理的處理，即幾何建模與紋理建模[5]。其中三維模型紋理的處理主要用于各三維模型尤其是建筑物的表面貼圖，使整個(gè)三維場(chǎng)景更形象逼真。本文進(jìn)行城市三維建模的目的是借助三維GIS直觀形象的優(yōu)點(diǎn)去分析預(yù)測(cè)城市建筑物的抗震能力，最終需要展示的是場(chǎng)景元素中震后破壞程度顏色貼圖，并非以展示場(chǎng)景真實(shí)三維原貌為目的，因此不必關(guān)心三維模型紋理的處理問(wèn)題，只需借助所用GIS平臺(tái)中自帶紋理即可。

3.2 構(gòu)建三維模型

三維模型構(gòu)建的常用方法有三種，一是使用SketchUp、3DMAX等軟件手工建立目標(biāo)場(chǎng)景模型數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)PS等圖像處理軟件優(yōu)化紋理貼圖后將場(chǎng)景整合到GIS系統(tǒng)中，二是根據(jù)高程字段拉伸2DGIS中矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行批量建模并進(jìn)行紋理貼圖，三是利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維建模[6]，各種建模方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

綜合其建模方式優(yōu)缺點(diǎn)與現(xiàn)有條件及目標(biāo)，我們采用基于2D矢量數(shù)據(jù)生成三維模型的方式，以SuperMap Object.Net組件式GIS平臺(tái)結(jié)合Visual C#開(kāi)發(fā)語(yǔ)言對(duì)目標(biāo)城市進(jìn)行三維建模，效果如圖1。

圖1 城市三維建模

4 功能實(shí)現(xiàn)

4.1 實(shí)現(xiàn)思路

對(duì)城市建筑信息進(jìn)行真實(shí)有效的震害預(yù)測(cè)分析，首先需要建立城市GIS數(shù)據(jù)庫(kù)。采集完整可靠的GIS數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)，屬性數(shù)據(jù)的格式化等工作，最后將整理后的數(shù)據(jù)更新到城市GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中。在擁有了相對(duì)完整的城市建筑信息后，結(jié)合組件式GIS開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)群體建筑震害預(yù)測(cè)的震害因子法即可完成目標(biāo)城市建筑的震害預(yù)測(cè)，將計(jì)算得到的各建筑物各烈度下的破壞程度存入城市GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中完成數(shù)據(jù)更新。同時(shí)，運(yùn)用地震烈度衰減規(guī)律，根據(jù)輸入的基本地震參數(shù)（震中位置、震源深度、震級(jí)、破裂方向），確定地震烈度影響場(chǎng)，通過(guò)GIS平臺(tái)的疊加分析判斷目標(biāo)區(qū)域的受影響烈度。最后，使用不同的顏色對(duì)當(dāng)前受影響烈度下具有不同的破壞等級(jí)的建筑物進(jìn)行渲染，并通過(guò)程序加載到三維場(chǎng)景中，即可得到震后災(zāi)情場(chǎng)景。整個(gè)功能實(shí)現(xiàn)的流程圖如圖2所示。

圖2 功能實(shí)現(xiàn)流程圖

4.2 城市GIS數(shù)據(jù)庫(kù)

城市建筑的震害預(yù)測(cè)以及其他基于GIS的防震減災(zāi)工作的實(shí)現(xiàn)都離不開(kāi)城市GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的支持，包括損失評(píng)估模型計(jì)算、災(zāi)情分析、決策方案、命令下達(dá)、災(zāi)區(qū)基本情況了解、排險(xiǎn)搶險(xiǎn)、隊(duì)伍分配、物資調(diào)度、多方聯(lián)系等等，可以說(shuō)，GIS數(shù)據(jù)庫(kù)是城市防震減災(zāi)工作的核心。建立城市GIS數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)范，完成城市基本地理數(shù)據(jù)的采集、整理、入庫(kù)，將城市基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)空間化，是進(jìn)行防震減災(zāi)工作的關(guān)鍵。

城市GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)主要由空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩部分構(gòu)成，其中空間數(shù)據(jù)主要用于對(duì)地理空間實(shí)體的位置、大小、形狀、方向以及幾何拓?fù)潢P(guān)系的表達(dá)，而屬性數(shù)據(jù)則是描述地圖上實(shí)體要素特征的數(shù)據(jù)[7]。在城市建筑物震害預(yù)測(cè)的實(shí)現(xiàn)中，我們首先需要采集的就是建筑物群體的相關(guān)信息，將其轉(zhuǎn)化為GIS數(shù)據(jù)存入城市GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中再進(jìn)行相應(yīng)的讀取、計(jì)算、更新等操作。根據(jù)震害因子法的數(shù)據(jù)需要，考慮對(duì)建筑震害預(yù)測(cè)后的其他相關(guān)分析，設(shè)計(jì)城市建筑屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表2所示。

4.3 建筑物震害預(yù)測(cè)

在城市GIS數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)SuperMap Object.Net組件中SuperMap.Data命名空間內(nèi)的Recordset類對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中建筑數(shù)據(jù)的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，可得到數(shù)據(jù)庫(kù)中城市建筑的基本信息，結(jié)合震害因子算法與相關(guān)屬性字段，即可完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中建筑數(shù)據(jù)的批量震害預(yù)測(cè)。城市建筑震害預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)在經(jīng)濟(jì)損失預(yù)測(cè)與人員傷亡預(yù)測(cè)等工作中具有重要參考意義，震后三維場(chǎng)景的模擬同樣也需要建筑物預(yù)測(cè)結(jié)果的支持。因此為避免重復(fù)計(jì)算，提高工作效率，我們需將計(jì)算得到的數(shù)據(jù)保存到原數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)字段中，以方便震后三維場(chǎng)景的模擬與其他相關(guān)統(tǒng)計(jì)的應(yīng)用。

圖3 城市建筑震害預(yù)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)

4.4 地震烈度影響場(chǎng)的確定

地震烈度是表示地震時(shí)目標(biāo)區(qū)域所受破壞程度的一種度量，通常與震中距離成反比。具有相似震度連接起來(lái)的曲線稱為等震線，等震線內(nèi)部的環(huán)形區(qū)域即為地震烈度影響場(chǎng)。確定地震烈度影響場(chǎng)，首先要了解地震烈度的衰減規(guī)律，在對(duì)目標(biāo)區(qū)域的歷史地震資料進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)后，可根據(jù)震級(jí)、震中距與烈度的關(guān)系推算出該地區(qū)地震衰減的規(guī)律。本文以河北某市為例，參考華北地區(qū)（30°～45°N、110°～125°E）的地震烈度資料與相關(guān)文獻(xiàn)[8]，得到無(wú)限定模型下的地震烈度衰減關(guān)系式：

沿長(zhǎng)軸方向：I1=2.033+2.01M-（0.923+0.15M）ln（R1+27.035） （1）

沿短軸方向：I2=0.064+1.949M-（0.433+0.169M）ln（R2+13.073） （2）

其中I為離震源R處的地震烈度，M為地震震級(jí)，R1為長(zhǎng)軸長(zhǎng)，R2為短軸長(zhǎng)。

以該公式為基礎(chǔ)，可由程序繪出設(shè)定地震條件的等震線，結(jié)合GIS平臺(tái)的空間分析，將等震線與目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行疊加分析，即可確定目標(biāo)區(qū)域的受影響烈度。圖4顯示了在以歷史地震重現(xiàn)方式下唐山地震的地震烈度圖，由圖可直接觀察出目標(biāo)區(qū)域在歷史唐山地震下為7度破壞區(qū)。

4.5 震后三維場(chǎng)景

確定目標(biāo)地區(qū)受影響烈度后，通過(guò)SuperMap.Data命名空間中Recordset類的GetFieldValue方法從經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)計(jì)算的城市GIS數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取各建筑在當(dāng)前烈度下的破壞程度值，然后使用Recordset類的SetString方法將各建筑屬性數(shù)據(jù)中的貼圖路徑字段更新為相應(yīng)破壞程度的顏色貼圖路徑，最后使用SuperMap.Realspace命名空間中Layer3DSettingVector 類將建筑圖層貼圖字段設(shè)置為貼圖路徑字段，并加載到SceneContrl控件中，即可得到設(shè)定地震參數(shù)下的震后建筑三維場(chǎng)景（圖5）。本例中貼圖為橘黃色的建筑為中度破壞，黃色建筑為輕微破壞，藍(lán)色和綠色建筑的破壞程度分別為基本完好和完好。

圖5 震后三維場(chǎng)景模擬

5 結(jié)束語(yǔ)

文章通過(guò)采用群體建筑物震害預(yù)測(cè)方法的震害因子法編程實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市群體建筑的抗震能力進(jìn)行批量預(yù)測(cè)，該方法預(yù)測(cè)精度符合要求，且數(shù)據(jù)易采集，計(jì)算效率高。在使用SuperMap GIS平臺(tái)對(duì)城市建筑進(jìn)行建模的同時(shí)，由華北地區(qū)的地震烈度衰減規(guī)律以及相關(guān)算法實(shí)現(xiàn)了設(shè)定地震條件下對(duì)目標(biāo)地區(qū)受影響烈度的判斷。最后在三維場(chǎng)景中使用不同顏色的貼圖對(duì)不同破壞程度的建筑進(jìn)行渲染，以達(dá)到給定地震條件下預(yù)測(cè)震后建筑破壞程度三維場(chǎng)景的模擬。

另外，文章中對(duì)城市建筑物震害預(yù)測(cè)的結(jié)果可繼續(xù)應(yīng)用到城市經(jīng)濟(jì)損失震害預(yù)測(cè)和城市人口損失震害預(yù)測(cè)中去，城市GIS數(shù)據(jù)庫(kù)亦可為震后次生災(zāi)害如毒氣泄漏災(zāi)害、次生爆炸災(zāi)害等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[9]。應(yīng)用3DGIS可視化的數(shù)據(jù)表達(dá)，可對(duì)計(jì)算結(jié)果有一個(gè)直觀形象的宏觀展示，為防震減災(zāi)工作提供有效的信息支持，具有一定的實(shí)用意義和發(fā)展前景。

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作者簡(jiǎn)介：魏志偉（1990，8-），男，漢族，河北廊坊人，防災(zāi)科技學(xué)院，在讀專科，研究方向：地理信息系統(tǒng)。