云南紅河縣城區(qū)房屋地震災(zāi)害三維仿真模擬方法

杜浩國 陳亮 林旭川 盧永坤 張方浩 楊琪 鄧樹榮 和仕芳 曹彥波 余慶坤

摘要：對云南省紅河縣城區(qū)房屋建造年代、結(jié)構(gòu)類型、設(shè)防等級、樓層、層高、面積、外觀形狀及所處地形等進行調(diào)查，并采用無人機航拍遙感技術(shù)、地理空間信息技術(shù)和三維仿真建模技術(shù)，對紅河縣城區(qū)進行地震災(zāi)害三維仿真模擬評估，得出不同烈度下城區(qū)房屋的破壞程度及分布情況。最后將評估結(jié)果與滇南地區(qū)歷史地震造成的房屋破壞情況進行對比。結(jié)果表明：紅河縣城區(qū)三維仿真與滇南地區(qū)歷史地震房屋面積破壞比相近，地震災(zāi)害三維仿真系統(tǒng)在房屋破壞動態(tài)可視化方面優(yōu)勢明顯，因此使用該方法模擬評估地震災(zāi)害對房屋造成的影響是可行的。

關(guān)鍵詞：地震災(zāi)害;三維仿真建模;地理空間信息技術(shù);高原山地;無人機航拍

中圖分類號：P315.945 ??文獻標(biāo)識碼：A ??文章編號：1000-0666（2019）02-0218-12

0 引言

房屋是城市各項活動的主要載體，其抗震性能與城市的抗震能力密切相關(guān)，歷史地震的震害經(jīng)驗表明，房屋倒塌往往是造成人員傷亡與財產(chǎn)損失的重要原因（李永強等，2010）。有效加強城市地震災(zāi)害預(yù)防，提升城市抗震設(shè)防能力是建筑和地震領(lǐng)域面臨的重要問題，采用三維仿真建模技術(shù)進行地震災(zāi)害模擬評估是當(dāng)前地震災(zāi)害模擬的重要手段之一。近年來無人機航拍遙感技術(shù)和地理空間信息技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)被成熟應(yīng)用于地震數(shù)據(jù)庫建設(shè)、地震災(zāi)害損失評估、災(zāi)害預(yù)測和地震烈度圖劃分等方面（陳晉等，2018;鄧樹榮等，2018;于江等，2018）。仿真模擬將無人機高分辨率的航拍圖作為建模數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，與地理信息空間技術(shù)相融合，并根據(jù)建筑物的建造年代、用途、設(shè)防等級、房屋結(jié)構(gòu)、樓層、層高、面積、外觀形狀等信息（明小娜等，2018），可綜合模擬出在不同地震烈度下房屋破損的三維動態(tài)可視化信息。

國際上已經(jīng)有許多國家進行了地震災(zāi)害三維仿真模擬評估方面的研究，如1964年新泄大地震后，日本開始對地震災(zāi)害預(yù)測進行研究;2002年日本開展“大城市大地震減災(zāi)特別研究項目”，其中的 “反映大城市特征的地震災(zāi)害高端模擬技術(shù)的開發(fā)”是基于地理信息空間技術(shù)建立房屋模型，通過超級計算機構(gòu)建了整個東京市的建筑物三維可視化模型。在國內(nèi)，李建成等（2009）提出在構(gòu)建三維地理信息空間技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上融合二維ArcGIS的功能，通過二維ArcGIS和三維ArcGIS交替完成工作，實現(xiàn)了具有三維地形和地物的顯示以及鷹眼功能;楊澤（2006）利用3DS MAX制作出平房建筑物在不同等級下的震害模型，進一步利用ArcGIS開發(fā)完成了其三維顯示;胡長理（2009）通過模擬多層砌體結(jié)構(gòu)的震害情況，根據(jù)使用功能的不同，利用3DS MAX建立了多個砌體結(jié)構(gòu)模型，模擬砌體結(jié)構(gòu)及城市級建筑群震害，并采用不同顏色區(qū)分破壞情況;趙鵬（2010）采用3DS MAX對信息比較完整的框架結(jié)構(gòu)房屋進行了單體模擬;林旭川和葉列平（2012）通過引入基于結(jié)構(gòu)廣義剛度的構(gòu)建重要性指標(biāo)，提出了考慮構(gòu)建重要程度差異的RC框架結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計方法;林旭川（2017）構(gòu)建了城市建筑群地震災(zāi)害數(shù)值仿真系統(tǒng)，并對我國東部某大型城區(qū)的70多萬建筑物進行震害分析，模擬出不同損傷程度面積、非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的損傷程度、建筑地震災(zāi)害風(fēng)險評估指標(biāo)、城市可恢復(fù)性指標(biāo)等。

綜上所述，地震災(zāi)害三維仿真模擬技術(shù)已趨于成熟，對三維模擬數(shù)據(jù)的精確度也有了更高的要求。以往研究主要集中于單棟建筑或以傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感影像為基礎(chǔ)的建筑群，采用衛(wèi)星遙感影像獲取地形地貌及房屋樓面面積時，存在影像分辨率低、時效性差的問題，更重要的是房屋形狀和面積的勾畫精度難以保證。隨著無人機技術(shù)的不斷發(fā)展，影像實時性、高分辨率的特點開始發(fā)揮優(yōu)勢，使得利用無人機獲取高精度的房屋形狀和面積成為可能（段福洲，趙文吉，2010;付簫等，2018;王之等，2018）。

云南省是全國地震災(zāi)害頻發(fā)的省份之一，地震活動具有頻度高、強度大、分布范圍廣等特點，許多縣城建立于高原山地上，房屋結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜，地震災(zāi)害風(fēng)險高（周光全等，2009;盧永坤等，2006），對云南典型的山地縣城進行地震災(zāi)害三維仿真模擬有利于提升其地震災(zāi)害預(yù)防和抗震設(shè)防能力。本文以云南省紅河縣城區(qū)為研究對象，開展高原山地縣城地震災(zāi)害三維仿真模擬評估，利用無人機對紅河縣城區(qū)進行全方位航拍提取遙感信息，采用地理信息空間技術(shù)把實地調(diào)查的房屋數(shù)據(jù)與無人機航拍遙感信息相融合，再通過城市建筑群地震災(zāi)害數(shù)值仿真系統(tǒng)（林旭川等，2009）進行地震災(zāi)害三維仿真，并與滇南地區(qū)歷史地震造成的房屋破壞情況（周光全，2011）進行對比分析。

1 研究區(qū)概況

紅河縣位于云南省南部，隸屬紅河哈尼族彝族自治州，地處紅河流域與勐龍河流域之間的迤薩梁子頂端，是云南省典型的高原山地縣城之一（張建國等，2008），也是云南省地質(zhì)災(zāi)害高易發(fā)區(qū)。境內(nèi)河谷狹窄，地勢特點大致為中部高，南北低，山地面積大?？h城城區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地處橫斷山脈縱谷區(qū)的南緣和哀牢山余脈地區(qū)，新構(gòu)造運動強烈，峰巒起伏，溝壑縱橫，沖溝發(fā)育，岸坡陡峻，軟弱巖體發(fā)育（李西等，2016），人類活動過程強烈，地質(zhì)災(zāi)害不斷孕育。該縣人口密度高，房屋建筑結(jié)構(gòu)類型較多，抗震性能有待加強。為打破“城市發(fā)展”與“地質(zhì)災(zāi)害”僵持的局面，紅河縣開展了一系列地震災(zāi)害綜合防治，效果顯著。但地震具有突發(fā)性，地震災(zāi)害的預(yù)防和房屋抗震性能的提升問題依舊嚴峻，對紅河縣城區(qū)進行地震災(zāi)害三維仿真模擬評估，可為該縣的規(guī)劃及防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學(xué)依據(jù)。

2 研究方法

2.1 技術(shù)路線

采用無人機航拍遙感技術(shù)、三維仿真模擬技術(shù)、地理信息空間技術(shù)三者相結(jié)合的方法對云南紅河縣城區(qū)房屋地震災(zāi)害進行三維（動態(tài)）可視化研究。由圖1可見，數(shù)據(jù)收集是基礎(chǔ)，主要對紅河縣城區(qū)房屋結(jié)構(gòu)、層數(shù)等信息進行實地調(diào)查收集，并采用無人機航拍遙感技術(shù)，得到紅河縣城區(qū)高清航拍影像圖和高精度地形高程圖。數(shù)據(jù)處理主要是采用地理信息空間技術(shù)對無人機高清航拍影像圖中的建筑物框架進行勾選，并與紅河縣城區(qū)實地調(diào)查的房屋數(shù)據(jù)相融合。地理信息空間基礎(chǔ)建模是把房屋結(jié)構(gòu)、樓層、所處地形等主要信息匯集于紅河縣城區(qū)地理信息空間基礎(chǔ)模型中，得出基于地理信息空間的紅河縣城區(qū)房屋+地形的三維模型。地震災(zāi)害三維仿真模擬系統(tǒng)主要是把房屋建造年代、結(jié)構(gòu)類型、層高、樓層、面積、所處地形等采用一定的算法和公式建立相關(guān)性，構(gòu)建出紅河縣城區(qū)地震災(zāi)害三維仿真（動態(tài)）模擬系統(tǒng)，輸入不同的地震烈度參數(shù)，可模擬出紅河城區(qū)房屋三維破壞（動態(tài)）可視化信息。對比分析主要是將紅河縣城區(qū)房屋仿真模擬結(jié)果與所屬滇南地區(qū)歷史地震造成的房屋破壞情況進行對比分析，驗證模擬評估的準(zhǔn)確性和可靠性。

對紅河縣城區(qū)在設(shè)定地震基本加速度值為50，100，150，200，300，400及600 gal時造成的房屋破壞仿真結(jié)果分別進行數(shù)據(jù)提取分析，結(jié)果如表6所示。從表中可看出，當(dāng)加速度值為50 gal時，房屋主要為輕微和中度破壞，無損傷房屋面積很少，房屋大多是鋼結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)，主要是新建行政樓，這是由于紅河縣城區(qū)約有一半房屋未達到抗 ?由于紅河縣區(qū)域內(nèi)無歷史地震，因此，筆者利用數(shù)理統(tǒng)計法對2000—2018年紅河縣所屬滇南地區(qū)的歷史地震進行統(tǒng)計分析（表7），得到滇南地區(qū)歷史地震在烈度為Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度下房屋破壞比。

由式（1）得到滇南地區(qū)歷史地震房屋面積破壞比平均值，并與紅河縣城區(qū)地震災(zāi)害三維仿真系統(tǒng)中房屋面積破壞比進行比較（表8）。其中，紅河縣城區(qū)房屋面積破壞比為紅河縣城區(qū)在不同的烈度下（Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度）匯總了所有房屋的破壞情況。

由表8可知，紅河縣城區(qū)三維仿真房屋面積破壞比與滇南地區(qū)歷史地震房屋面積破壞比相近，尤其是在中等和嚴重等級。而對于房屋面積輕微破壞比，紅河縣城區(qū)三維仿真結(jié)果中只占15.5%，其原因一方面是由于紅河縣城區(qū)位于斜坡上（圖9），房屋位置斜坡坡度已超過60°，即使是震級小的地震也有可能會導(dǎo)致大面積的滑坡;另一方面是由于模擬震中位置為城中心，對城中心房屋密集區(qū)域破壞更嚴重。因此，相同震級的地震，對紅河縣城區(qū)房屋的破壞更為嚴重，即60%以上的房屋面積為中等破壞。

6 結(jié)論和討論

本文采用無人機對云南紅河縣城區(qū)進行航拍、實地收集房屋數(shù)據(jù)并提取地形高程圖，證明了地震災(zāi)害三維仿真模擬系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;并根據(jù)房屋建造年代、用途、設(shè)防等級、房屋結(jié)構(gòu)、層數(shù)、層高、面積、外觀形狀等綜合因素進行研究，采用一定的算法融合于三維仿真技術(shù)中;將模擬結(jié)果與滇南歷史地震房屋面積破壞比進行對比分析，證明了地震災(zāi)害三維仿真模擬系統(tǒng)仿真結(jié)果的可靠性。與傳統(tǒng)的震害預(yù)測相比，地震災(zāi)害三維仿真系統(tǒng)在房屋破壞動態(tài)可視化方面優(yōu)勢明顯。但本文的仿真模擬系統(tǒng)主要以房屋破壞為主要方向，如果后期能把整個城市的道路、橋梁、通信、電力以某一種算法或公式加入地震災(zāi)害三維仿真模擬系統(tǒng)中，使用優(yōu)化后的系統(tǒng)再對整個城市進行全面評估，這樣不僅對整個城市地震災(zāi)害預(yù)防和抗震設(shè)防能力提升起重要作用，而且對整個城市的規(guī)劃和發(fā)展也有很大的幫助。

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