云南紅河縣城區房屋地震災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房屋建造年代、結構類型、設防等級、樓層、層高、面積、外觀形狀及所處地形等進行調查，并采用無人機航拍遙感技術、地理空間信息技術和三維仿真建模技術，對紅河縣城區進行地震災害三維仿真模擬評估，得出不同烈度下城區房屋的破壞程度及分布情況。最后將評估結果與滇南地區歷史地震造成的房屋破壞情況進行對比。結果表明：紅河縣城區三維仿真與滇南地區歷史地震房屋面積破壞比相近，地震災害三維仿真系統在房屋破壞動態可視化方面優勢明顯，因此使用該方法模擬評估地震災害對房屋造成的影響是可行的。

關鍵詞：地震災害;三維仿真建模;地理空間信息技術;高原山地;無人機航拍

中圖分類號：P315.945 ??文獻標識碼：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，歷史地震的震害經驗表明，房屋倒塌往往是造成人員傷亡與財產損失的重要原因（李永強等，2010）。有效加強城市地震災害預防，提升城市抗震設防能力是建筑和地震領域面臨的重要問題，采用三維仿真建模技術進行地震災害模擬評估是當前地震災害模擬的重要手段之一。近年來無人機航拍遙感技術和地理空間信息技術發展迅速，已經被成熟應用于地震數據庫建設、地震災害損失評估、災害預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據基礎，與地理信息空間技術相融合，并根據建筑物的建造年代、用途、設防等級、房屋結構、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可視化信息。

國際上已經有許多國家進行了地震災害三維仿真模擬評估方面的研究，如1964年新泄大地震后，日本開始對地震災害預測進行研究;2002年日本開展“大城市大地震減災特別研究項目”，其中的 “反映大城市特征的地震災害高端模擬技術的開發”是基于地理信息空間技術建立房屋模型，通過超級計算機構建了整個東京市的建筑物三維可視化模型。在國內，李建成等（2009）提出在構建三維地理信息空間技術應用的基礎上融合二維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開發完成了其三維顯示;胡長理（2009）通過模擬多層砌體結構的震害情況，根據使用功能的不同，利用3DS MAX建立了多個砌體結構模型，模擬砌體結構及城市級建筑群震害，并采用不同顏色區分破壞情況;趙鵬（2010）采用3DS MAX對信息比較完整的框架結構房屋進行了單體模擬;林旭川和葉列平（2012）通過引入基于結構廣義剛度的構建重要性指標，提出了考慮構建重要程度差異的RC框架結構抗震優化設計方法;林旭川（2017）構建了城市建筑群地震災害數值仿真系統，并對我國東部某大型城區的70多萬建筑物進行震害分析，模擬出不同損傷程度面積、非結構構件的損傷程度、建筑地震災害風險評估指標、城市可恢復性指標等。

綜上所述，地震災害三維仿真模擬技術已趨于成熟，對三維模擬數據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衛星遙感影像為基礎的建筑群，采用衛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。隨著無人機技術的不斷發展，影像實時性、高分辨率的特點開始發揮優勢，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害頻發的省份之一，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，房屋結構類型復雜，地震災害風險高（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害三維仿真模擬有利于提升其地震災害預防和抗震設防能力。本文以云南省紅河縣城區為研究對象，開展高原山地縣城地震災害三維仿真模擬評估，利用無人機對紅河縣城區進行全方位航拍提取遙感信息，采用地理信息空間技術把實地調查的房屋數據與無人機航拍遙感信息相融合，再通過城市建筑群地震災害數值仿真系統（林旭川等，2009）進行地震災害三維仿真，并與滇南地區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），也是云南省地質災害高易發區。境內河谷狹窄，地勢特點大致為中部高，南北低，山地面積大。縣城城區地質構造復雜，地處橫斷山脈縱谷區的南緣和哀牢山余脈地區，新構造運動強烈，峰巒起伏，溝壑縱橫，沖溝發育，岸坡陡峻，軟弱巖體發育（李西等，2016），人類活動過程強烈，地質災害不斷孕育。該縣人口密度高，房屋建筑結構類型較多，抗震性能有待加強。為打破“城市發展”與“地質災害”僵持的局面，紅河縣開展了一系列地震災害綜合防治，效果顯著。但地震具有突發性，地震災害的預防和房屋抗震性能的提升問題依舊嚴峻，對紅河縣城區進行地震災害三維仿真模擬評估，可為該縣的規劃及防災減災工作提供科學依據。

2 研究方法

2.1 技術路線

采用無人機航拍遙感技術、三維仿真模擬技術、地理信息空間技術三者相結合的方法對云南紅河縣城區房屋地震災害進行三維（動態）可視化研究。由圖1可見，數據收集是基礎，主要對紅河縣城區房屋結構、層數等信息進行實地調查收集，并采用無人機航拍遙感技術，得到紅河縣城區高清航拍影像圖和高精度地形高程圖。數據處理主要是采用地理信息空間技術對無人機高清航拍影像圖中的建筑物框架進行勾選，并與紅河縣城區實地調查的房屋數據相融合。地理信息空間基礎建模是把房屋結構、樓層、所處地形等主要信息匯集于紅河縣城區地理信息空間基礎模型中，得出基于地理信息空間的紅河縣城區房屋+地形的三維模型。地震災害三維仿真模擬系統主要是把房屋建造年代、結構類型、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性，構建出紅河縣城區地震災害三維仿真（動態）模擬系統，輸入不同的地震烈度參數，可模擬出紅河城區房屋三維破壞（動態）可視化信息。對比分析主要是將紅河縣城區房屋仿真模擬結果與所屬滇南地區歷史地震造成的房屋破壞情況進行對比分析，驗證模擬評估的準確性和可靠性。

對紅河縣城區在設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果分別進行數據提取分析，結果如表6所示。從表中可看出，當加速度值為50 gal時，房屋主要為輕微和中度破壞，無損傷房屋面積很少，房屋大多是鋼結構和框架結構，主要是新建行政樓，這是由于紅河縣城區約有一半房屋未達到抗 ?由于紅河縣區域內無歷史地震，因此，筆者利用數理統計法對2000—2018年紅河縣所屬滇南地區的歷史地震進行統計分析（表7），得到滇南地區歷史地震在烈度為Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度下房屋破壞比。

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

由表8可知，紅河縣城區三維仿真房屋面積破壞比與滇南地區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，紅河縣城區三維仿真結果中只占15.5%，其原因一方面是由于紅河縣城區位于斜坡上（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域破壞更嚴重。因此，相同震級的地震，對紅河縣城區房屋的破壞更為嚴重，即60%以上的房屋面積為中等破壞。

6 結論和討論

本文采用無人機對云南紅河縣城區進行航拍、實地收集房屋數據并提取地形高程圖，證明了地震災害三維仿真模擬系統中數據的準確性;并根據房屋建造年代、用途、設防等級、房屋結構、層數、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中;將模擬結果與滇南歷史地震房屋面積破壞比進行對比分析，證明了地震災害三維仿真模擬系統仿真結果的可靠性。與傳統的震害預測相比，地震災害三維仿真系統在房屋破壞動態可視化方面優勢明顯。但本文的仿真模擬系統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害三維仿真模擬系統中，使用優化后的系統再對整個城市進行全面評估，這樣不僅對整個城市地震災害預防和抗震設防能力提升起重要作用，而且對整個城市的規劃和發展也有很大的幫助。

參考文獻：

陳晉，習聰望，陳文凱，等.2018.基于無人機、高分衛星遙感影像的甘肅省隴南市建筑物空間化研究[J].地震研究，41（2）：192-200.

鄧樹榮，陳維，張方浩，等.2018.高原山地環境下無人機通視圖航線規劃方法研究——以香格里拉—奔子欄航線為例[J].地震研究，41（2）：201-208.

杜浩國，張方浩，鄧樹榮，等.2018.震后極災區無人機最優航拍區域選擇[J].地震研究，41（2）：209-215.

段福洲，趙文吉.2010.基于圖像匹配的機載遙感影像質量自動檢查方法研究[J].測繪科學，35（6）：57-58，102.

付蕭，郭加偉，劉秀菊，等.2018.無人機高分辨率遙感影像地震滑坡信息提取方法[J].地震研究，41（2）：186-191

胡長理.2009.砌體結構三維模型及三維災害場景實現技術的初步研究[D].哈爾濱：中國地震局工程力學研究所.

李建成，郭建文，蓋迎春，等.2009.基于ArcEngine的三維GIS的設計與實現[J].遙感技術與應用，24（3）：395-398.

李西，冉勇康，陳立春，等.2016.紅河斷裂帶南段全新世地震活動證據[J].地震地質，38（3）：596-604.

李永強，聶高眾，楊杰英.2010.20世紀云南省人員震亡基本特征分析[J].自然災害學報，19（5）：20-28.

林旭川，潘鵬，葉列平，等.2009.汶川地震中典型RC框架結構的震害仿真與分析[J].土木工程學報，42（5）：13-20.

林旭川，葉列平.2012.基于構件重要性指標的RC框架結構抗震優化設計研究[J].建筑結構學報，33（6）：16-21.

林旭川.2017.城市建筑群地震災害數值仿真與風險控制[J].城市與減災，（3）：18-22.

盧永坤，代博洋，龐衛東，等.2011.云南地區房屋建筑面積的統計和調查結果[J].地震研究，34（4）：533-537.

盧永坤，施偉華，非明倫，等.2006.會澤5.3級地震建（構）筑物震害分析[J].地震研究，29（1）：92-96，110.

明小娜，王曉青，周洋，等.2018.基于高分衛星遙感影像的昭通城區建筑物結構類型解譯標志構建[J].測繪與空間地理信息，41（9）：139-142.

王之，劉超，劉秀菊，等.2018.基于SEaTH算法的蘆山地震無人機低空遙感影像信息對象級分類[J].地震研究，41（2）：173-179

楊澤.2006.基于ArcGIS和3DS Max的房屋震害三維可視化方法研究[D].北京：中國地震局地質研究所.

于江，張彥琪，李西，等.2018.無人機航測技術在2014年魯甸MS6.5地震震區活動構造調查中的應用[J].地震研究，41（2）：166-172.

張建國，皇甫崗，謝英情，等.2008.中越紅河斷裂帶考察與研究（一）[J].地震研究，31（4）：362-368.

趙鵬.2010.框架結構震害特征簡析及三維災害場景實現初步[D].哈爾濱：中國地震局工程力學研究所.

周光全，王慧彥，李西.2009.2008年云南地震災害概況[J].地震研究，32（3）：312-315.

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