地震三維災(zāi)情影像圖生成技術(shù)系統(tǒng)研究*

馬 霽 陳化然 何宇飛 劉曉燦李金垚 賀同江 邱 虎

1)北京市地震局，北京 100080

2)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

3)天津市地震局，天津 300201

地震三維災(zāi)情影像圖生成技術(shù)系統(tǒng)研究*

馬 霽1)陳化然2)何宇飛2)劉曉燦2)李金垚3)賀同江3)邱 虎3)

1)北京市地震局，北京 100080

2)中國地震局地球物理研究所，北京 100081

3)天津市地震局，天津 300201

本文將計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、圖形圖像處理相結(jié)合，建立三維矢量數(shù)學(xué)模型，通過三維可視化技術(shù)，形象化地描述災(zāi)區(qū)的受災(zāi)狀況和受災(zāi)程度，對三維地理空間信息進(jìn)行可視化管理，實(shí)現(xiàn)快速查詢、檢索、顯示、輸出、統(tǒng)計(jì)、分析及三維可視化，為基于地理信息的決策和管理提供一個(gè)真三維的立體可視平臺(tái)，為地震應(yīng)急決策部門進(jìn)行災(zāi)害的決策和管理提供三維可視化仿真環(huán)境系統(tǒng)。

地震災(zāi)害;應(yīng)急和決策;三維模型;可視化

引言

地震發(fā)生后，地震災(zāi)害評估結(jié)果是領(lǐng)導(dǎo)、決策者非常關(guān)心的內(nèi)容，也是領(lǐng)導(dǎo)指揮決策的重要依據(jù)，同時(shí)能夠科學(xué)指導(dǎo)救援人員的搶救工作。因此，研究和開發(fā)“三維災(zāi)情影像圖顯示系統(tǒng)”，一旦發(fā)生地震，就可以根據(jù)對地震災(zāi)區(qū)的數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，生成災(zāi)區(qū)地震前后的三維景觀圖，并將重要地物在地圖上快速標(biāo)識，非常直觀。對比地震前后的三維景觀圖，可以得到重點(diǎn)建筑物破壞情況的各種數(shù)據(jù)，并直接在影像圖中進(jìn)行標(biāo)示，這不僅對科學(xué)制定應(yīng)急救援對策和抗震救災(zāi)計(jì)劃十分有用，而且可以指導(dǎo)災(zāi)區(qū)的恢復(fù)與重建工作。

本文研究的目的是將計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、圖形圖像處理相結(jié)合，建立三維矢量數(shù)學(xué)模型，通過三維可視化技術(shù)，形象化地描述災(zāi)區(qū)的受災(zāi)狀況和受災(zāi)程度，對三維地理空間信息進(jìn)行可視化管理，實(shí)現(xiàn)快速查詢、檢索、顯示、輸出、統(tǒng)計(jì)、分析及三維可視化，為基于地理信息的決策和管理提供一個(gè)真三維的立體可視平臺(tái)，為決策部門進(jìn)行災(zāi)害的決策和管理提供三維可視化仿真環(huán)境系統(tǒng)［1-2］。

1 三維災(zāi)情影像圖技術(shù)系統(tǒng)研究內(nèi)容和思路

三維災(zāi)情影像圖技術(shù)系統(tǒng)主要內(nèi)容是:研究基于客戶/服務(wù)器(C/S)結(jié)構(gòu)的災(zāi)區(qū)立體圖像快速生成技術(shù)，在地震發(fā)生時(shí)能夠快速形成災(zāi)區(qū)的三維矢量化立體電子影像，并將重要地物在地圖上快速標(biāo)識出來。包括: (1)利用三維可視化的理論、技術(shù)和方法，建立地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)下的基于C/S模式的地震災(zāi)區(qū)立體圖像快速生成系統(tǒng)平臺(tái);(2)結(jié)合DEM數(shù)據(jù)、遙感影像數(shù)據(jù)、航空影像數(shù)據(jù)等，研究建模算法，建立相應(yīng)模型，快速形成災(zāi)區(qū)的三維矢量立體影像圖; (3)根據(jù)災(zāi)區(qū)重要地物信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行分類，并分別各類重要地物(建筑物、生命線等)震前、震后三維影像模型，在三維矢量影像圖上標(biāo)示其位置及地震前后的三維影像;(4)除提供基本的放大、縮小功能和漫游等顯示功能外，初步完成使用者可以以第一人稱視角進(jìn)行漫游或者全圖飛行漫游。

本文研究思路為:

(1)設(shè)立實(shí)驗(yàn)區(qū)，選擇某一城市作為研究實(shí)驗(yàn)區(qū)。

(2)收集資料，包括收集受損地圖圖片資料、試驗(yàn)區(qū)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、航空遙感影像數(shù)據(jù)和DEM等數(shù)據(jù)。

(3)建立模型，通過收集的受損圖片資料，建立典型地物(房屋、橋梁等)災(zāi)前、災(zāi)后不同地震災(zāi)害程度的三維模型。

(4)三維虛擬環(huán)境構(gòu)建，在收集的試驗(yàn)區(qū)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、航空遙感影像數(shù)據(jù)和DEM等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過處理形成三維矢量化電子影像地圖背景。

2 三維災(zāi)情影像圖軟件系統(tǒng)的研發(fā)

2.1 三維災(zāi)害影像圖技術(shù)系統(tǒng)的開發(fā)

“三維災(zāi)害影像圖技術(shù)系統(tǒng)”主要功能是完成三維場景的建立、三維顯示、災(zāi)情分析和三維模型管理，以及項(xiàng)目所使用的各種資源的管理等。其整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維災(zāi)害影像圖技術(shù)系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

三維災(zāi)害影像圖技術(shù)系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)模塊:三維場景建立模塊、三維災(zāi)害影像模擬模塊、三維災(zāi)害場景瀏覽模塊、重點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)注模塊、三維模型管理模塊、典型震害瀏覽模塊。

(1)三維場景建立模塊:三維場景建立模塊主要用于基于遙感影像圖、數(shù)字高程DEM數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)等使用此部分功能進(jìn)行地震發(fā)生前區(qū)域三維立體場景的建立，主要功能包括:DEM疊加、影像疊加、三維矢量場景生成。

(2)三維災(zāi)害影像模擬模塊:三維災(zāi)害影像模擬模塊主要用于自動(dòng)生成災(zāi)后三維場景，包括現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查模擬、快速災(zāi)害評估模擬和災(zāi)害圖像自動(dòng)播放功能。

災(zāi)害圖像自動(dòng)播放功能可以對所播放的圖像進(jìn)行分類，目前項(xiàng)目中分為三類，輕度破壞、中度破壞和嚴(yán)重破壞，用戶也可以自己分類。

(3)三維災(zāi)害場景瀏覽模塊:三維災(zāi)害場景瀏覽模塊主要用于瀏覽三維災(zāi)害場景，包括導(dǎo)航、軌道飛行、移動(dòng)、漫步、縮放、自動(dòng)瀏覽等。

(4)重點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)注模塊:重點(diǎn)目標(biāo)標(biāo)注模塊用于手動(dòng)和自動(dòng)的標(biāo)注三維場景中的重要目標(biāo)物，手動(dòng)標(biāo)注包括點(diǎn)標(biāo)注、線標(biāo)注、填充標(biāo)注以及文字的標(biāo)注。

(5)三維模型管理模塊:三維模型管理模塊主要完成對項(xiàng)目中單個(gè)三維模型的管理。

(6)典型震害瀏覽模塊:典型震害瀏覽模塊主要完成對一些典型災(zāi)害資料的管理。

3 三維災(zāi)情影像圖系統(tǒng)的初步結(jié)果

3.1 建立地震災(zāi)害模型庫

對地震發(fā)生后單個(gè)地物破損狀況使用3D max軟件進(jìn)行模型模擬，建立了地震災(zāi)害模型庫，模型庫按照不同地區(qū)、不同類型、常見的地物分為:平房、低層、多層和高層建筑模型，總共40套;每一套模型建筑物受損情況按照目前行業(yè)內(nèi)常用的分類方式(表1)進(jìn)行劃分，共分為5種:基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、毀壞。這些災(zāi)害模型為以后相關(guān)研究及其實(shí)際應(yīng)用提供了較豐富的資源。

3.2 地震災(zāi)害的三維模擬

地震發(fā)生后，為了更加詳細(xì)和直觀地查看地震現(xiàn)場受災(zāi)狀況，可以使用系統(tǒng)中提供的“現(xiàn)場圖片自動(dòng)播放”功能，將現(xiàn)場拍攝的現(xiàn)場災(zāi)害照片在系統(tǒng)分類播放。同時(shí)，借助系統(tǒng)的“快速災(zāi)害評估模擬”和“現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查模擬”兩種方法，可以對現(xiàn)場的災(zāi)害狀況進(jìn)行模擬。其中，“快速災(zāi)害評估模擬”方法，是根據(jù)地震震級和烈度，應(yīng)用“應(yīng)急災(zāi)害基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫”數(shù)據(jù)，模擬顯示災(zāi)區(qū)的災(zāi)情三維模擬影響?！艾F(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查模擬”方法，是根據(jù)現(xiàn)場人員實(shí)地災(zāi)情調(diào)查情況，給出某個(gè)地區(qū)房屋破壞的百分率(如:60%房屋倒塌)，本系統(tǒng)將對地震災(zāi)害情況進(jìn)行模擬，給出三維災(zāi)情模擬圖像。

表1 建筑物受損情況分類表

以下以模擬某城市地震災(zāi)害為例，給出三維災(zāi)害影像圖，這些影像均可以拉大、縮小，并進(jìn)行飛行巡視等。

(1)現(xiàn)場災(zāi)害圖片播放?，F(xiàn)場采集的現(xiàn)場災(zāi)害圖片按照不同的受災(zāi)等級可以分為:輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞和完全倒塌。篇幅所限，這里只給出“完全倒塌”影像圖(圖2)。

圖2 完全倒塌遠(yuǎn)景

(2)城市區(qū)域三維災(zāi)害模擬。城市三維災(zāi)害模擬試驗(yàn)區(qū)建立在北方某城市，使用數(shù)據(jù)主要包括基礎(chǔ)地理矢量數(shù)據(jù)，城市重要地物。采用“快速災(zāi)害評估模擬”和“現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查模擬”兩種方法進(jìn)行模擬，圖3—4為三維模擬影像(篇幅所限，這里只給出部分結(jié)果)。其中，圖3為“快速災(zāi)害評估模擬”方法得到的某城市7～8度烈度的三維災(zāi)害影像，圖4為“現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查模擬”方法得到的某城市70～80%建筑物破壞的三維災(zāi)害影像。

4 結(jié)論與討論

本文研究結(jié)果有如下特點(diǎn):

(1)三維災(zāi)害模擬——形象直觀。目前，利用地理信息系統(tǒng)、圖形圖像處理技術(shù)和三維可視化技術(shù)，進(jìn)行三維建模的相關(guān)技術(shù)主要包括:Google Earth、虛擬現(xiàn)實(shí)建模(VRML)、Open GL、ARC GIS(ARC IMS、ARC Globe)等。本研究考慮穩(wěn)定性、安全性、保密性、通用性以及與現(xiàn)有軟件系統(tǒng)的一致性等，選擇了ARC GIS作為開發(fā)平臺(tái)，形象化地模擬災(zāi)區(qū)的受災(zāi)狀況和受災(zāi)程度，此種方法在國內(nèi)地震研究方法中還不多見，本研究成果起碼能起到“拋磚引玉”的作用。

(2)震后災(zāi)害模擬——靈活方便。災(zāi)害場景顯示可包含圖片、影像、FLASH、三維立體模型3D等形式?？紤]實(shí)際應(yīng)用的可操作性、交互性、動(dòng)態(tài)顯示等特點(diǎn)，本研究采用了3D建模方法開發(fā)此系統(tǒng)，不僅包括了模型遠(yuǎn)景圖片(衛(wèi)星和航片)，而且包括了近景模型(單體和群體)等。本研究使用三維模型個(gè)體進(jìn)行場景的建設(shè)是目前比較常見的三維場景建立方式，有研究曾用單體建筑物模擬不同震級下建筑物受損情況，但群體建筑物的破壞模擬為首次。

圖3 “快速災(zāi)害評估模擬”方法得到的某城市7—8度烈度的三維災(zāi)害影像

圖4“現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查模擬”方法得到的某城市70—80%建筑物破壞的三維災(zāi)害影像

本系統(tǒng)采用“現(xiàn)場災(zāi)害調(diào)查模擬”和“快速災(zāi)害評估模擬”兩種方法，模擬地震發(fā)生后現(xiàn)場建筑物受災(zāi)情況，符合行業(yè)內(nèi)對地震災(zāi)害應(yīng)急的兩種主要評估手段，即現(xiàn)場勘查和監(jiān)測，滿足了震后快速建立三維災(zāi)害影像場景的需要，為震后地震應(yīng)急輔助決策提供了直觀、形象的現(xiàn)場模擬。

(3)3D 地物模型——分類豐富。對地震前后單個(gè)地物破損狀況使用3D max軟件進(jìn)行模型模擬，建立了地震災(zāi)害模型庫，總共包含了200多個(gè)單體三維建筑物模型，并可以進(jìn)行組合。

模型庫按照不同地區(qū)、不同類型、常見的地物分為:平房、低層、多層和高層建筑模型，總共40套;每一套模型建筑物受損情況按照目前行業(yè)內(nèi)常用的分類方式進(jìn)行劃分，共分為5種:基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、完全毀壞。這些為以后相關(guān)研究及其實(shí)際應(yīng)用提供了較豐富的資源。

(作者電子信箱，陳化然:chenhuaran2008@126. com)

［1］丁香，王曉青，姜立新.地震災(zāi)害損失現(xiàn)場評估的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng).地震，1998(3):286--292

［2］張風(fēng)華，謝禮立.城市防震減災(zāi)能力評估研究.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2001，10(4):57--64

Technical System for 3D Image Map of Earthquake Disaster Affection

Ma Ji1)，Chen Huaran2)，He Yufei2)，Liu Xiaocan2)，Li Jinyao2)，He Tongjiang3)and Qiu Hu3)
1)Earthquake Administration of Beijing Municipality，Beijing 100080，China
2)Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China
3)Earthquake Administration of Tianjin Municipality，Tianjin 300201，China

In this study，computer technology，remote sensing technique，geographic information system and image processing are combined to construct a 3D vector mathematical model. Through 3D visualization technology，disaster affection in earthquake stricken areas can be visually described，and visual management of geospatial information can be realized.Quick search，display，output，statistics and analysis can also be achieved.Thus，a visualization platform has been constructed for geographic information-based decision-making and management and a 3D visual simulation system has been established for relevant departments to take proper measures in earthquake precaution and relief work.

earthquake disaster;emergency response and decision making;3D model;visualization

P316;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.01.009

2008-11-03;

2008-11-20。

“十一五”國家科技支撐計(jì)劃“三維災(zāi)情影像圖技術(shù)系統(tǒng)研究”(2006BAC13B03-0501)支持。