基于GIS的建筑物震害預(yù)測系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用*

翟永梅，陳 剛，歐陽倩雯

(1.同濟大學(xué)上海防災(zāi)救災(zāi)研究所，上海200092;2.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院，上海200092;3.蘇州龍湖基業(yè)房地產(chǎn)有限公司，蘇州215000)

0 引言

地震災(zāi)害是目前人類所面臨的最嚴(yán)峻的自然災(zāi)害之一，其具有突發(fā)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(zāi)害，引發(fā)人員傷亡、財產(chǎn)損失、生產(chǎn)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(tǒng) (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(tǒng)。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(yù)測數(shù)據(jù)。城市建筑物具有類型多樣、功能各異、基數(shù)龐大等地理空間特點，因此，應(yīng)用GIS技術(shù)對城市建筑物的抗震信息實施空間、動態(tài)分析，具有顯著的效率優(yōu)勢，同時裨益于抗震防災(zāi)規(guī)劃和震后應(yīng)急救災(zāi)、損失快速評估等相關(guān)工作 (鐘德理，2004)。

我國抗震防災(zāi)中GIS技術(shù)應(yīng)用較晚，中國地震局工程力學(xué)研究所在1995年利用GIS構(gòu)建了中國華北部分地區(qū)的地震信息系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上編制了基于GIS的太原—臨汾地震區(qū)劃，利用GIS識別潛在震源區(qū) (湯愛平等，1999)。近幾年政府相關(guān)部門對GIS在城市防震減災(zāi)中的應(yīng)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(zāi)信息管理系統(tǒng)和輔助決策系統(tǒng) (周錫元，陳一平，1986)。

筆者以上海市浦東新區(qū)濰坊街道為實驗區(qū)，基于ArcGIS軟件平臺，開發(fā)了建筑物震害預(yù)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用GIS平臺強大的空間數(shù)據(jù)分析能力，對原始圖層數(shù)據(jù)進行預(yù)處理和智能判別，使其關(guān)鍵屬性得到補充完善以滿足震害預(yù)測的基本要求;利用GIS平臺的圖形顯示功能，實現(xiàn)直觀具象的震害結(jié)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(shù)據(jù)來源于上海市測繪院浦東分院。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計及功能實現(xiàn)

該系統(tǒng)以ArcGIS軟件平臺為主要工作環(huán)境，關(guān)聯(lián)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(tǒng)計工具、震害預(yù)測工具箱、建造年代及震害結(jié)果賦值工具。

1.1 震害矩陣統(tǒng)計工具

震害矩陣統(tǒng)計工具的主要功能是建立工作區(qū)的震害矩陣數(shù)據(jù)。該工具嵌入了結(jié)構(gòu)易損性分析模型，以實地調(diào)查樣本為輸入，通過簡單交互實現(xiàn)數(shù)據(jù)的批量計算和統(tǒng)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(shù)信息和分析結(jié)果，分列各結(jié)構(gòu)類別建筑物的震害矩陣，以及按年代分布統(tǒng)計的震害指數(shù)和震害結(jié)果。以往的城市震害預(yù)測，往往只考慮結(jié)構(gòu)類別一個維度來賦予建筑物震害預(yù)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(xiàn)明顯的關(guān)聯(lián)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(yù)測的精度 (胡少卿，2007)。該工程文件將作為數(shù)據(jù)源輸入到建造年代及震害結(jié)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(nèi)框架和底層框架砌體房屋、單層工業(yè)廠房和單層空曠房屋、老舊民房、重要建筑六個結(jié)構(gòu)類別，分別建立易損性分析模型。

1.2 震害預(yù)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(xù)建筑物震害預(yù)測工作的基礎(chǔ)。屬性賦值工作主要包括建筑物結(jié)構(gòu)類別和建造年代兩大部分。ArcGIS震害預(yù)測工具箱主要實現(xiàn)建筑物結(jié)構(gòu)類別的完善以及與外部程序工具的數(shù)據(jù)對接，分為4個子模塊 (圖2)。實驗區(qū)的原始GIS圖層中含有26個字段，而其中絕大多數(shù)字段對震害預(yù)測是無意義的。在所有建筑物要素中，只有約40%含有結(jié)構(gòu)類別屬性，且只含多層砌體和鋼筋混凝土兩種結(jié)構(gòu)，缺失嚴(yán)重，無法直接進行震害預(yù)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(xué)校、高層建筑等重要建筑并定義其屬性字段。經(jīng)此模塊處理后，重要建筑得到了定義，但仍有近半數(shù)的建筑物結(jié)構(gòu)類別屬性缺失。該模塊使用了ArcToolbox中數(shù)據(jù)管理工具的字段處理等功能，同時也在ArcGIS開發(fā)環(huán)境下采用PYTHON_9.3和VB腳本語言編寫了部分代碼來實現(xiàn)重分類等操作 (劉偉，2012)。

經(jīng)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(jié)構(gòu)類別屬性字段，開發(fā)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。空間連接是指基于兩個要素類中要素之間的空間關(guān)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(guān)系或匹配選項，就會將連接要素的屬性添加到目標(biāo)要素中。在建筑物圖層文件中，具有相交關(guān)系的要素可以認(rèn)為是從屬于同一建筑體，具有相同的結(jié)構(gòu)類別屬性。除根據(jù)面要素間的相交相鄰關(guān)系實現(xiàn)屬性遷移外，本模塊還將根據(jù)建筑物的名稱、用途、面積、層數(shù)等信息進行綜合篩選和模糊分類，完善要素的結(jié)構(gòu)類別屬性。

經(jīng)過該模塊處理的圖層數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)類別字段的完整度可以接近百分之百，以實驗區(qū)處理前后對比為例說明:圖3為處理前后對比圖，處理前結(jié)構(gòu)類別字段未賦值的要素數(shù)量眾多，結(jié)構(gòu)類別單一;經(jīng)模塊處理后，基本所有像元都獲得有效定義，結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)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(dǎo)出到ArcGIS默認(rèn)路徑下 (王衛(wèi)東等，2011)，供建造年代及震害賦值工具調(diào)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(jié)果賦值工具的輸出文件創(chuàng)建連接，獲取震害預(yù)測結(jié)果以及建造年代屬性值。同時梳理數(shù)據(jù)格式，為最終二維及三維震害結(jié)果的可視化展示提供基礎(chǔ)。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(jié)果賦值工具

建筑物要素的結(jié)構(gòu)類別等屬性經(jīng)過ArcGIS震害預(yù)測工具箱中各模塊的處理已得到了補充完善，要進行后續(xù)的精確震害預(yù)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(tǒng)的人工普查錄入等手段，要覆蓋一個區(qū)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(tǒng)使用C#語言開發(fā)了建造年代及震害賦值工具，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)來完善建筑物的建筑年代信息。網(wǎng)絡(luò)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(yù)而進行有策略的網(wǎng)頁訪問的技術(shù) (Cho，2001)。

該工具以ArcGIS工具箱輸出的屬性文件為數(shù)據(jù)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(fā)，漫游網(wǎng)絡(luò)，對鏈接頁面中內(nèi)容和主題 (即建筑物的建造年代)的相關(guān)性做出評估，同時也利用網(wǎng)頁鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)來評價和傳遞母網(wǎng)頁的重要性。相關(guān)性和重要性高的網(wǎng)頁會被列入待爬行隊列中優(yōu)先訪問，而與主題無關(guān)的鏈接會被舍棄。當(dāng)訪問的網(wǎng)頁中含有該建筑物的建造年代信息時，判定任務(wù)完成，將數(shù)據(jù)寫入Arc-GIS軟件默認(rèn)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(tǒng)計工具生成的工程文件，即可根據(jù)每個建筑物的建造年代和結(jié)構(gòu)類別，完成震害結(jié)果的賦值。

2 應(yīng)用實例分析

2.1 系統(tǒng)可靠性驗證

上海市浦東新區(qū)濰坊街道的建筑結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)類型，具有較強的代表性。

本文按照相關(guān)規(guī)范要求進行建筑物抽樣，有效樣本累計面積約為實驗區(qū)建筑物總面積的8%。應(yīng)用本文所開發(fā)的建筑物震害預(yù)測系統(tǒng)進行樣本計算分析及震害矩陣統(tǒng)計。對比上海防災(zāi)救災(zāi)研究所 (1993)、中國地震局工程力學(xué)研究所(2003)兩次覆蓋該實驗區(qū)的建筑物震害預(yù)測研究成果，發(fā)現(xiàn)本文的預(yù)測結(jié)果和2003年的研究結(jié)論基本一致，略優(yōu)于1993年的結(jié)論，原因在于新建建筑的抗震性能普遍要優(yōu)于既有的老舊建筑，同時，本系統(tǒng)在原有方法基礎(chǔ)之上，又增加了建造年代信息，提高了建筑信息的維度，使預(yù)測結(jié)果更客觀準(zhǔn)確。因此，可以認(rèn)為系統(tǒng)所采用的易損性分析方法準(zhǔn)確可靠。

2.2 系統(tǒng)可視化結(jié)果

本文所開發(fā)的建筑物震害預(yù)測系統(tǒng)集成于Arc-GIS平臺，具有強大的制圖及圖像顯示功能，根據(jù)系統(tǒng)分析所得的實驗區(qū)震害指數(shù)計算結(jié)果，繪制了實驗區(qū)二維、三維震害預(yù)測圖 (冷小鵬，2012)。

其中二維震害預(yù)測圖用平均震害指數(shù)來表征某一區(qū)域建筑物總體的抗震性能水平 (圖5)。震害指數(shù)是評價某個結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在受到地震作用后的破壞狀態(tài)的無量綱指數(shù)，是對建筑結(jié)構(gòu)的地震破壞狀態(tài)進行定量評估的重要方法。平均震害指數(shù)則指所有房屋的震害指數(shù)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(qū)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(jù)建筑物震害預(yù)測系統(tǒng)生成的各級震害結(jié)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(yù)測結(jié)果 (圖6)。三維震害預(yù)測圖反映了建筑物的結(jié)構(gòu)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(qū)內(nèi)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(xiàn)不同的破壞狀態(tài)，較之以往群體震害預(yù)測中僅以結(jié)構(gòu)類別預(yù)測破壞結(jié)果在精度上有很大地提高。

3 結(jié)論

本文以ArcGIS軟件平臺為基礎(chǔ)，結(jié)合實際應(yīng)用需要及源數(shù)據(jù)的格式特點，設(shè)計了震害預(yù)測系統(tǒng)，介紹了各功能區(qū)塊間的聯(lián)系，并分別展開介紹了各模塊程序的設(shè)計思路、實現(xiàn)方法與功能。

根據(jù)該預(yù)測結(jié)果，有關(guān)部門可以有針對性地對抗震薄弱區(qū)域的建筑物進行加固，提高這些地區(qū)建筑物的整體抗震能力，也可以為未來區(qū)域內(nèi)避震疏散場地及設(shè)施的規(guī)劃建設(shè)提供依據(jù)。

胡少卿.2007.建筑物的群體震害預(yù)測方法研究及基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)濟損失預(yù)測方法探討［D］.哈爾濱:中國地震局工程力學(xué)研究所.

冷小鵬.2012.基于G/S模式的三維地質(zhì)災(zāi)害信息管理平臺研究［D］.成都:成都理工大學(xué).

劉偉.2012.基于移動GIS的應(yīng)急救援指揮系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.沈陽:中國科學(xué)院研究生院(沈陽計算技術(shù)研究所).

上海防災(zāi)救災(zāi)研究所.1993.上海市震害預(yù)測研究報告［R］.上海:上海防災(zāi)救災(zāi)研究所.

湯愛平，董瑩，文愛花.1999.GIS在城市防震減災(zāi)研究中的應(yīng)用綜述［J］.自然災(zāi)害學(xué)報，(2):67-72.

王飛，蔣建群.2005.城市地震災(zāi)害綜合易損性分析方法探討［J］.地震研究，28(1):95-101.

王衛(wèi)東，曾科，方理剛.2011.基于地理處理服務(wù)的滑坡敏感性區(qū)劃研究［J］.中南大學(xué)學(xué)報，(7):2086-2094.

王占一.2012.Web文本挖掘中若干問題的研究［D］.北京:北京郵電大學(xué).

韋強.2012.縣級林地保護利用規(guī)劃林地落界數(shù)據(jù)處理方法［J］.林業(yè)調(diào)查規(guī)劃，(6):10-14.

中國地震局工程力學(xué)研究所.2003.上海市浦東新區(qū)震害預(yù)測報告［R］.哈爾濱:中國地震局工程力學(xué)研究所.

鐘德理.2004.基于GIS的城市建筑物震害預(yù)測研究［D］.北京:中國海洋大學(xué).

周光全，盧永坤，非明倫，等.2010.地震災(zāi)害損失初步評估方法研究［J］.地震研究，33(2):208-215.

周光全.2011.云南地區(qū)簡易房屋的震害指數(shù)研究［J］.地震研究，34(1):88-95.

周錫元，陳一平.1986.城市抗震防災(zāi)規(guī)劃的研究與實踐［A］//中國工程抗震研究四十年［C］.北京:地震出版社，166-171.

Cho J..2001.Crawling the web:Discovery and Maintenance of Largescale Web Data［D］.L.A.:Stanford University.