基于GIS的建筑物震害預測系統的開發與應用*

翟永梅，陳 剛，歐陽倩雯

(1.同濟大學上海防災救災研究所，上海200092;2.同濟大學土木工程學院，上海200092;3.蘇州龍湖基業房地產有限公司，蘇州215000)

0 引言

地震災害是目前人類所面臨的最嚴峻的自然災害之一，其具有突發性和毀滅性，一次破壞性地震可能造成大量的建筑物倒塌及各種次生災害，引發人員傷亡、財產損失、生產停頓、城市機能癱瘓等一系列問題 (王飛，蔣建群，2005)。

地理信息系統 (Geographic Information System)是一種具有集中、存儲、分析和顯示地理參考信息功能的計算機系統。它引入了空間概念，能以直觀交互的方式分析和存儲建筑物震害預測數據。城市建筑物具有類型多樣、功能各異、基數龐大等地理空間特點，因此，應用GIS技術對城市建筑物的抗震信息實施空間、動態分析，具有顯著的效率優勢，同時裨益于抗震防災規劃和震后應急救災、損失快速評估等相關工作 (鐘德理，2004)。

我國抗震防災中GIS技術應用較晚，中國地震局工程力學研究所在1995年利用GIS構建了中國華北部分地區的地震信息系統，并在此基礎上編制了基于GIS的太原—臨汾地震區劃，利用GIS識別潛在震源區 (湯愛平等，1999)。近幾年政府相關部門對GIS在城市防震減災中的應用研究更加重視，泉州、汕頭、合肥等城市建立了基于GIS的城市防震減災信息管理系統和輔助決策系統 (周錫元，陳一平，1986)。

筆者以上海市浦東新區濰坊街道為實驗區，基于ArcGIS軟件平臺，開發了建筑物震害預測系統。該系統利用GIS平臺強大的空間數據分析能力，對原始圖層數據進行預處理和智能判別，使其關鍵屬性得到補充完善以滿足震害預測的基本要求;利用GIS平臺的圖形顯示功能，實現直觀具象的震害結果展示和輸出，同時支持對象查詢、選擇和信息識別等人機交互操作。本文所用數據來源于上海市測繪院浦東分院。

1 系統框架設計及功能實現

該系統以ArcGIS軟件平臺為主要工作環境，關聯兩個外部工具，總框架流程如圖1所示，可分為3個組件:震害矩陣統計工具、震害預測工具箱、建造年代及震害結果賦值工具。

1.1 震害矩陣統計工具

震害矩陣統計工具的主要功能是建立工作區的震害矩陣數據。該工具嵌入了結構易損性分析模型，以實地調查樣本為輸入，通過簡單交互實現數據的批量計算和統計分析，最終生成一個獨立的工程文件。其中包含所有樣本的參數信息和分析結果，分列各結構類別建筑物的震害矩陣，以及按年代分布統計的震害指數和震害結果。以往的城市震害預測，往往只考慮結構類別一個維度來賦予建筑物震害預期 (周光全等，2010)。而實際上建筑物的抗震能力與建造年代呈現明顯的關聯性，因此本文將建筑物的建造年代信息納入考慮，增加一個維度，提高預測的精度 (胡少卿，2007)。該工程文件將作為數據源輸入到建造年代及震害結果賦值工具中。

該工具將各類建筑分為多層砌體房屋、鋼筋混凝土房屋、內框架和底層框架砌體房屋、單層工業廠房和單層空曠房屋、老舊民房、重要建筑六個結構類別，分別建立易損性分析模型。

1.2 震害預測工具箱

GIS建筑物圖層文件中要素屬性的完整性是進行后續建筑物震害預測工作的基礎。屬性賦值工作主要包括建筑物結構類別和建造年代兩大部分。ArcGIS震害預測工具箱主要實現建筑物結構類別的完善以及與外部程序工具的數據對接，分為4個子模塊 (圖2)。實驗區的原始GIS圖層中含有26個字段，而其中絕大多數字段對震害預測是無意義的。在所有建筑物要素中，只有約40%含有結構類別屬性，且只含多層砌體和鋼筋混凝土兩種結構，缺失嚴重，無法直接進行震害預測工作。

Pretreatment of building polygon模塊主要完成圖層文件的前處理工作，包括刪除多余字段信息，計算建筑物要素總面積，甄別學校、高層建筑等重要建筑并定義其屬性字段。經此模塊處理后，重要建筑得到了定義，但仍有近半數的建筑物結構類別屬性缺失。該模塊使用了ArcToolbox中數據管理工具的字段處理等功能，同時也在ArcGIS開發環境下采用PYTHON_9.3和VB腳本語言編寫了部分代碼來實現重分類等操作 (劉偉，2012)。

經過Pretreatment of building polygon模塊處理的圖層文件，STRUCTURE屬性字段的缺失率約為48.87%，仍占有較大比值。為進一步完善結構類別屬性字段，開發Assignment of structure attribution模塊，該模塊使用了ArcToolbox疊加分析中的空間連接工具?？臻g連接是指基于兩個要素類中要素之間的空間關系將屬性從一個要素類傳遞到另一個要素類 (韋強，2012)。只要找到指定的空間關系或匹配選項，就會將連接要素的屬性添加到目標要素中。在建筑物圖層文件中，具有相交關系的要素可以認為是從屬于同一建筑體，具有相同的結構類別屬性。除根據面要素間的相交相鄰關系實現屬性遷移外，本模塊還將根據建筑物的名稱、用途、面積、層數等信息進行綜合篩選和模糊分類，完善要素的結構類別屬性。

經過該模塊處理的圖層數據，結構類別字段的完整度可以接近百分之百，以實驗區處理前后對比為例說明:圖3為處理前后對比圖，處理前結構類別字段未賦值的要素數量眾多，結構類別單一;經模塊處理后，基本所有像元都獲得有效定義，結構類別豐富多樣。

Output xls file模塊將處理過的圖層文件屬性表寫入 (*.xls)文件。由于GIS圖層的屬性數據為dbf格式，其他的外部軟件無法讀寫。因此本文用python編寫了腳本程序，把圖層屬性導出到ArcGIS默認路徑下 (王衛東等，2011)，供建造年代及震害賦值工具調用。

Match damge evaluation results模塊主要功能是為圖層文件和建造年代及震害結果賦值工具的輸出文件創建連接，獲取震害預測結果以及建造年代屬性值。同時梳理數據格式，為最終二維及三維震害結果的可視化展示提供基礎。處理完成后的圖層屬性包含了非常完整直觀的信息 (圖4)。

1.3 建造年代及震害結果賦值工具

建筑物要素的結構類別等屬性經過ArcGIS震害預測工具箱中各模塊的處理已得到了補充完善，要進行后續的精確震害預測工作還需要補充建筑物的建造年代屬性。如果僅僅依靠傳統的人工普查錄入等手段，要覆蓋一個區域乃至一個城市成千上萬的建筑無疑將耗費巨大的人力物力，難以實施。

本系統使用C#語言開發了建造年代及震害賦值工具，應用網絡爬蟲技術來完善建筑物的建筑年代信息。網絡爬蟲是搜索引擎的重要組成部分，是一種完全不依賴用戶干預而進行有策略的網頁訪問的技術 (Cho，2001)。

該工具以ArcGIS工具箱輸出的屬性文件為數據源，讀取其中的建筑物名稱，以此為檢索主題，從一個初始鏈接出發，漫游網絡，對鏈接頁面中內容和主題 (即建筑物的建造年代)的相關性做出評估，同時也利用網頁鏈式結構來評價和傳遞母網頁的重要性。相關性和重要性高的網頁會被列入待爬行隊列中優先訪問，而與主題無關的鏈接會被舍棄。當訪問的網頁中含有該建筑物的建造年代信息時，判定任務完成，將數據寫入Arc-GIS軟件默認路徑下的屬性文件中 (王占一，2012)。

建造年代賦值完成后，選擇由震害矩陣統計工具生成的工程文件，即可根據每個建筑物的建造年代和結構類別，完成震害結果的賦值。

2 應用實例分析

2.1 系統可靠性驗證

上海市浦東新區濰坊街道的建筑結構類型豐富、年代分布跨度大，涵蓋了上海市大部分房屋建筑的結構類型，具有較強的代表性。

本文按照相關規范要求進行建筑物抽樣，有效樣本累計面積約為實驗區建筑物總面積的8%。應用本文所開發的建筑物震害預測系統進行樣本計算分析及震害矩陣統計。對比上海防災救災研究所 (1993)、中國地震局工程力學研究所(2003)兩次覆蓋該實驗區的建筑物震害預測研究成果，發現本文的預測結果和2003年的研究結論基本一致，略優于1993年的結論，原因在于新建建筑的抗震性能普遍要優于既有的老舊建筑，同時，本系統在原有方法基礎之上，又增加了建造年代信息，提高了建筑信息的維度，使預測結果更客觀準確。因此，可以認為系統所采用的易損性分析方法準確可靠。

2.2 系統可視化結果

本文所開發的建筑物震害預測系統集成于Arc-GIS平臺，具有強大的制圖及圖像顯示功能，根據系統分析所得的實驗區震害指數計算結果，繪制了實驗區二維、三維震害預測圖 (冷小鵬，2012)。

其中二維震害預測圖用平均震害指數來表征某一區域建筑物總體的抗震性能水平 (圖5)。震害指數是評價某個結構或構件在受到地震作用后的破壞狀態的無量綱指數，是對建筑結構的地震破壞狀態進行定量評估的重要方法。平均震害指數則指所有房屋的震害指數的總平均值 (周光全，2011)。

二維建筑震害圖反映了較為宏觀的區域建筑物抗震性能，不能反映各種建筑類型的破壞情況。根據建筑物震害預測系統生成的各級震害結果字段，使用ArcGIS軟件中的ArcScene組件生成三維場景模型，直觀展示各建筑震害預測結果 (圖6)。三維震害預測圖反映了建筑物的結構類別、建筑功能以及建造年代等屬性對其抗震性能的影響。實驗區內有大量的多層砌體住宅房屋，而在三維圖中這些房屋因建造年代和用途的差異而呈現不同的破壞狀態，較之以往群體震害預測中僅以結構類別預測破壞結果在精度上有很大地提高。

3 結論

本文以ArcGIS軟件平臺為基礎，結合實際應用需要及源數據的格式特點，設計了震害預測系統，介紹了各功能區塊間的聯系，并分別展開介紹了各模塊程序的設計思路、實現方法與功能。

根據該預測結果，有關部門可以有針對性地對抗震薄弱區域的建筑物進行加固，提高這些地區建筑物的整體抗震能力，也可以為未來區域內避震疏散場地及設施的規劃建設提供依據。

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