城市建筑物震害三維模擬在GIS中的應(yīng)用1

谷國(guó)梁姜立新

1）中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

2）中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045

城市建筑物震害三維模擬在GIS中的應(yīng)用1

谷國(guó)梁1）姜立新2）

1）中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所，北京 100036

2）中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100045

將地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)用于震害預(yù)測(cè)在國(guó)內(nèi)外都有較為廣泛和成熟的研究。大多數(shù)的研究都是基于二維GIS技術(shù)的應(yīng)用，以圖表的形式顯示震害預(yù)測(cè)結(jié)果，不能夠直觀地顯示建筑物空間特征。本文以磚混結(jié)構(gòu)建筑為例，總結(jié)了不同震害等級(jí)的震害特征，將提取的震害特征和建筑物紋理合成，利用Google SketchUp三維建模和ArcGIS Engine開發(fā)實(shí)現(xiàn)震害三維顯示。本文給出了利用三維模擬技術(shù)在震害預(yù)測(cè)研究中的一種方法和思路，旨在為震后應(yīng)急救援、虛擬救援訓(xùn)練和地震科普教學(xué)等方面提供幫助。

Google SketchUp 三維GIS 震害預(yù)測(cè) 地震場(chǎng)景模擬

引言

我國(guó)是地震災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，其地震活動(dòng)具有頻度高、強(qiáng)度大、震源淺、分布廣的特點(diǎn)（李智等，2010）。地震的突發(fā)性和破壞性（尤其是特大地震）對(duì)人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成巨大的損失，尤其在財(cái)產(chǎn)和人口高度集中的城市地區(qū)更是嚴(yán)重。因此，在地震還不能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的今天，地震災(zāi)害損失分析作為防震減災(zāi)的重要環(huán)節(jié)就更具有現(xiàn)實(shí)意義。GIS因具有數(shù)學(xué)模型應(yīng)用功能和空間分析功能已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在地震災(zāi)害損失分析的工作中，目前大部分的研究是基于二維GIS方法處理數(shù)據(jù)，震害的分析結(jié)果以二維圖表的形式顯示，在表達(dá)建筑物的震前和震后信息方面存在不足，尤其是在空間特征的表達(dá)方面。本研究運(yùn)用到三維建模、遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、震害預(yù)測(cè)方法等方面的技術(shù)，對(duì)震后災(zāi)害場(chǎng)景進(jìn)行模擬，能有效地利用更多的信息把震后的災(zāi)害場(chǎng)景快速、直觀和準(zhǔn)確的表達(dá)出來。

ArcGIS9.2系列軟件加強(qiáng)了在三維可視化方面的功能，其中 ArcGIS Engin提供的SceneControl控件支持3D符號(hào)和MultiPatch（.mdb）格式的三維模型顯示，為本研究提供了技術(shù)支持。國(guó)內(nèi)外多年來的災(zāi)后救援經(jīng)驗(yàn)表明，如果救援人員事先對(duì)救援現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、建筑結(jié)構(gòu)類型和破壞形態(tài)等災(zāi)害信息有所了解，將對(duì)地震緊急救援工作效能的發(fā)揮以及救援方案的制定起到十分關(guān)鍵的作用（胡長(zhǎng)理，2009）。日本和美國(guó)在這一方面的研究工作處于國(guó)際領(lǐng)先地位，日本的東京都防災(zāi)中心是為政府提供救災(zāi)支持的綜合性減災(zāi)機(jī)構(gòu)，建立起了體系完整的災(zāi)害信息管理與指揮技術(shù)系統(tǒng)，其主要職能是：災(zāi)害數(shù)據(jù)庫(kù)收集與建設(shè)、完善減災(zāi)技術(shù)系統(tǒng)和應(yīng)急救援體系、分析處理災(zāi)情、制定救災(zāi)方案和對(duì)策等（姜立新等，2003）。日本的“中央防災(zāi)會(huì)議”曾通過三維圖形描繪出東京圈發(fā)生7級(jí)地震后的受災(zāi)情況，包括20萬人死亡和600萬人無家可歸，同時(shí)還詳細(xì)標(biāo)明了可能發(fā)生的海嘯最先淹沒的地區(qū)和最容易發(fā)生火災(zāi)的地區(qū)，這些地震災(zāi)情信息為日本政府和機(jī)構(gòu)制定地震災(zāi)害疏散和救援工作方案提供了有力的依據(jù)（龍海云，2009）。美國(guó)的聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局（FEMA）負(fù)責(zé)對(duì)自然災(zāi)害和涉及國(guó)家利益的緊急事務(wù)進(jìn)行應(yīng)急處理，其中在自然災(zāi)害應(yīng)急方面主要是SAIC緊急預(yù)報(bào)災(zāi)害管理系統(tǒng)，它主要處理災(zāi)情信息、應(yīng)急方案、救災(zāi)決策以及各部門協(xié)調(diào)等方面的工作。美國(guó)的EQE公司開發(fā)了一套主要用于地震損失快速評(píng)估的減災(zāi)系統(tǒng)EPEDAT，該系統(tǒng)對(duì)美國(guó)加州南部的6個(gè)縣進(jìn)行了詳細(xì)的震害分析，如經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡等（關(guān)宇，2005）。本文研究的主要目標(biāo)是對(duì)建筑物三維震害進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬，旨在為震害預(yù)測(cè)工作提供一種結(jié)果表達(dá)方法，同時(shí)在地震應(yīng)急救援、科普教學(xué)以及模擬救援訓(xùn)練當(dāng)中能夠得到應(yīng)用。

1 城市建筑物震害分析三維模擬的設(shè)計(jì)

本研究的設(shè)計(jì)主要適用于地震應(yīng)急救援、虛擬救援訓(xùn)練和地震科普教學(xué)等方面，考慮到地震應(yīng)急工作時(shí)效性和流動(dòng)性的特點(diǎn)，根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的條件以求達(dá)到以下目標(biāo)：第一，能夠盡量利用可快速獲得且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，例如遙感圖像數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在獲取和處理技術(shù)方面發(fā)展的較為成熟，可為研究應(yīng)用提供有力支持；第二，對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求不高，使用普通計(jì)算機(jī)就能夠?qū)崿F(xiàn)震前和震后的場(chǎng)景顯示。建筑物三維震害模擬分析的技術(shù)路線如圖1所示，可分為4個(gè)部分：①利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在Google SketchUp中進(jìn)行三維建模；②根據(jù)震害預(yù)測(cè)方法和地震基本參數(shù)計(jì)算建筑物的破壞等級(jí)；③提取震害特征利用貼圖方法將建筑物的震害直觀表示并建立三維模型；④三維場(chǎng)景的瀏覽、查詢功能。

圖1 研究流程設(shè)計(jì)圖Fig.1 Flowchart of the design and procedure of the study

2 震害三維模擬模型的建立

2.1 三維模型建立流程

ArcGIS不具有三維建模工具，是利用 ArcObjects的兩個(gè)接口 IConstrucMutiPatch和IGeneraMultiPatchCreater來完成三維建模，在紋理顯示、參數(shù)設(shè)置方面較為復(fù)雜。我們希望通過利用三維軟件來進(jìn)行建模，操作過程更為簡(jiǎn)單。目前已經(jīng)有許多三維建模軟件應(yīng)用到實(shí)際的工作中，例如：3D Studio Max（盧國(guó)梁，2010），Google SketchUp等。本研究選擇Google SketchUp進(jìn)行三維模型建立，之所以選擇Google SketchUp的原因是：①Google SketchUp制作出的模型數(shù)據(jù)量較??；②Google公司與ESRI公司合作已經(jīng)開發(fā)出一套用于GIS數(shù)據(jù)和三維模型之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的插件，Google SketchUp將建好的模型導(dǎo)出為 ArcGIS所支持的MultiPatch（.mdb）格式數(shù)據(jù)，同時(shí)可添加需要的屬性字段，方便以后的數(shù)據(jù)分析，如圖 2所示；③Google SketchUp已經(jīng)在建筑等領(lǐng)域得到應(yīng)用，許多Google SketchUp的組件和模型在網(wǎng)絡(luò)上共享，在工作中利用共享模型和組件可減少建模時(shí)間（文里梁，2009）。我們?cè)诮５墓ぷ髦胁捎昧速N圖技術(shù)，來彌補(bǔ)Google SketchUp對(duì)裂縫渲染方面的不足，達(dá)到了逼真顯示的效果。采用Google SketchUp三維建模減少了模型建立和數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換的工作量和時(shí)間。

圖2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換示意圖Fig.2 Data transformation

圖3 震害三維可視化模型制作流程圖Fig.3 Flowchart of making 3-D model

對(duì)建筑物建模時(shí)我們考慮到城市中建筑物數(shù)量巨大，將每個(gè)建筑物逐一建立模型需要耗費(fèi)大量時(shí)間和人力。因此采用的方法是將建筑物分為兩類：普通建筑物和重點(diǎn)建筑物（李建成等，2009），分別進(jìn)行建模（模型的制作流程見圖3）。

普通建筑物的建模方法是：首先獲取目標(biāo)地區(qū)的遙感影像，對(duì)影像進(jìn)行去噪音和校正處理，然后再進(jìn)行矢量化操作，得到建筑物的二維矢量底圖，利用高度屬性數(shù)據(jù)在Z方向上進(jìn)行拉伸形成墻體，快速得到盒子形三維模型表示震前建筑物，如圖4所示。高度數(shù)據(jù)可以通過遙感影像判讀或者利用層高（一般按3m計(jì)算）和建筑的層數(shù)屬性計(jì)算得到（狄彩云等，2007）。此外，通過Google SketchUp可以將模型導(dǎo)出為MultiPatch（.mdb）格式在ArcGIS中顯示，并能添加需要的屬性字段，保存成文件以便下次調(diào)用，震后建筑物模型是通過對(duì)震前模型賦予不同的顏色來表示。

圖4 普通建筑物三維建模Fig.4 The model of common buildings

重點(diǎn)建筑物的建模方法是：ArcGIS提供了MultiPatch（.mdb）數(shù)據(jù)格式，用來表示三維實(shí)體的表面。震前模型是在得到底圖后可以導(dǎo)入Google SketchUp中進(jìn)行仔細(xì)的建模，構(gòu)建出建筑物門、窗等組件，將搜集到的建筑物紋理添加到建筑物的表面，如圖5所示；震后模型是將提取的震害特征以貼圖的方式貼在模型表面表示。

上述分類建模方法的優(yōu)點(diǎn)是在不影響三維模型顯示和空間分析的情況下快速的將場(chǎng)景展示出來，普通建筑物建模節(jié)省了大量的時(shí)間，重點(diǎn)建筑物的建模滿足了建筑物空間特征生動(dòng)實(shí)時(shí)顯示的要求。

2.2 地震烈度影響場(chǎng)應(yīng)用

目前已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)中國(guó)區(qū)域內(nèi)地震烈度影響場(chǎng)進(jìn)行了研究，得出了很多結(jié)果，本文采用汪素云等（2000）的研究結(jié)果，將中國(guó)研究區(qū)域以東經(jīng)105°為界，分為東西2個(gè)子區(qū)域分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究。研究采用長(zhǎng)、短軸聯(lián)合衰減模型得到的結(jié)果，根據(jù)衰減公式編程生成烈度圈的矢量文件，并與研究區(qū)域的經(jīng)緯度疊加，判斷出研究區(qū)域的受影響烈度。

圖5 重點(diǎn)建筑物三維建模Fig.5 The model of important buildings

建筑物在地震中的破壞程度分為 5個(gè)等級(jí)：“基本完好，輕微破壞，中等破壞，嚴(yán)重破壞和毀壞”。震害指數(shù)是將這些破壞程度量化的指標(biāo)，可根據(jù)研究區(qū)域建筑物所受的烈度，計(jì)算每個(gè)建筑物的破壞情況。建筑物震害預(yù)測(cè)方法選擇孫柏濤等（2008）研究的單體建筑物震害預(yù)測(cè)方法，該方法是在群體震害預(yù)測(cè)方法的基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得出影響因子的影響系數(shù)，反推單體震害預(yù)測(cè)指數(shù)。它建立在大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，調(diào)查樣本越多，計(jì)算得出的結(jié)論就越精確。目前，我國(guó)學(xué)者已經(jīng)對(duì)天津、東營(yíng)等一部分大中城市進(jìn)行了地震災(zāi)害損失分析工作，積累了大量資料，也為該方法提供了有力的支持。在足夠多樣本數(shù)量的條件下建立數(shù)據(jù)庫(kù)，包括城市的震害矩陣，各個(gè)震害影響因子矩陣等數(shù)據(jù)，在以后的地震災(zāi)害損失分析工作中依據(jù)目標(biāo)建筑物符合的條件直接調(diào)用數(shù)據(jù)計(jì)算，可以減少時(shí)間并保證準(zhǔn)確率。

2.3 三維建模中震害特征的表達(dá)

地震對(duì)建筑物的破壞作用主要有兩種：一是強(qiáng)烈的地震動(dòng)破壞；二是地震造成的地質(zhì)破壞。在這里需要指出的是：①地震發(fā)生后建筑物的震害是千差萬別的，不僅不同破壞等級(jí)的建筑物表現(xiàn)差異很大，即使在相同破壞等級(jí)的建筑物之間也有很多的差異。其原因是：一方面由于震害等級(jí)概念本身是一個(gè)范圍，并不代表一個(gè)確定的值，所以相同破壞等級(jí)的建筑物之間也是有破壞輕重之分的；另一方面建筑物結(jié)構(gòu)類型、建造年代、施工標(biāo)準(zhǔn)等屬性和地震中的地面運(yùn)動(dòng)特征都與建筑物的震害輕重及表現(xiàn)有密切的關(guān)系，使震害特征的表現(xiàn)具有隨機(jī)性。②本文對(duì)震害三維可視化研究的目的不是將震害特征（裂縫、墻體脫落等）的多少、深淺量化表示，而是對(duì)不同震害特征的直觀、生動(dòng)表示，以能夠區(qū)分不同等級(jí)震害為目的。

房屋的震害輕重是通過震害等級(jí)劃分的，對(duì)不同等級(jí)的震害特征總結(jié)有利于我們準(zhǔn)確的建立建筑物震害模型，達(dá)到不同等級(jí)震害區(qū)別顯示的目的。前人對(duì)于很多歷史地震已有震害特征的研究，由于在城鎮(zhèn)中磚混結(jié)構(gòu)的房屋數(shù)量多，這里以磚混結(jié)構(gòu)為例總結(jié)出不同等級(jí)的震害特征。

沈軍等（2005）對(duì)2003年新疆的昭蘇地震進(jìn)行了調(diào)查，磚混結(jié)構(gòu)房屋震害特征主要有：Ⅷ度區(qū)內(nèi)多數(shù)為毀壞或嚴(yán)重破壞。主要震害特征有：承重墻和窗間墻產(chǎn)生“X”形裂縫、外墻轉(zhuǎn)角處被拉開、房屋上下部分發(fā)生相對(duì)位移、局部構(gòu)件倒塌、墻體出現(xiàn)鋸齒形裂縫、墻體外臌等。Ⅶ度區(qū)內(nèi)基本為輕微損壞，個(gè)別為中等破壞。主要震害特征有：外墻轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)鋸齒形裂縫、門窗角部出現(xiàn)“八”字形裂縫、女兒墻出現(xiàn)水平裂縫等。VI度區(qū)以輕微損壞和基本完好為主。主要震害特征有：門窗角部出現(xiàn)“八”字形裂縫、墻皮脫落和抹灰層掉落等。

施偉華等（2004）對(duì) 2003年大姚地震中磚混結(jié)構(gòu)震害特征的總結(jié)是：Ⅷ度區(qū)內(nèi)部分墻體有嚴(yán)重的裂縫，并呈“X”形和水平裂縫；多數(shù)墻體有明顯裂縫。Ⅶ度區(qū)內(nèi)個(gè)別墻體有嚴(yán)重裂縫；少數(shù)墻體產(chǎn)生明顯裂縫；多數(shù)墻體有輕微裂縫。Ⅵ度區(qū)內(nèi)少數(shù)墻體有輕微裂縫；抹灰層脫落；個(gè)別門窗出現(xiàn)輕微裂縫。

石玉成等（2005）對(duì)2003年民樂-山丹地震的房屋震害特征進(jìn)行了調(diào)查，其中對(duì)磚混結(jié)構(gòu)房屋的震害總結(jié)是：主要的震害表現(xiàn)為承重墻產(chǎn)生裂縫、“八”字形裂縫和垂直裂縫；墻角處、縱橫墻交界處裂開；外貼瓷磚開裂和脫落；陽臺(tái)和墻身開裂。

根據(jù)以上學(xué)者對(duì)震害特征的總結(jié)，結(jié)合《建（構(gòu)）筑物地震破壞等級(jí)劃分（GB/T 24335-2009）》（中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，2009）對(duì)房屋破壞分級(jí)的描述，本文對(duì)不同震害等級(jí)的特征進(jìn)行了定性的描述，能夠直觀顯示震害特征并容易區(qū)別不同等級(jí)震害。建筑物震害特征顯示主要從建筑物外部墻體、門窗、破壞碎片等方面進(jìn)行總結(jié)，依據(jù)震害指數(shù)與震害等級(jí)對(duì)應(yīng)的關(guān)系，將震害分為5個(gè)等級(jí)（見表1）。

表1 不同等級(jí)震害特征的表示Table 1 Characters of building damage in different classes

2.4 建筑物震害信息提取

對(duì)于普通建筑物是以盒子形模型來表示，以計(jì)算所得到的震害指數(shù)為依據(jù)，直接用不同顏色來表示不同等級(jí)的震害。對(duì)于重點(diǎn)建筑模型，表面有紋理的貼圖，真實(shí)感更強(qiáng)，本文采用的震害表示方法是將不同等級(jí)的震害特征紋理提取出來貼到建筑物的表面，將具有不同等級(jí)的震害特征直觀和易于區(qū)分的表達(dá)出來。前期工作是收集歷史震例的房屋震害圖片，本研究已經(jīng)搜集到汶川地震中多個(gè)地區(qū)的震害圖片，然后按不同的建筑構(gòu)件類型分門別類的儲(chǔ)存，建立震害數(shù)據(jù)庫(kù)，以供提取震害特征和貼圖使用（楊澤等，2007）。

利用PhotoShop對(duì)圖片的亮度、對(duì)比度以及圖片的扭曲變形進(jìn)行預(yù)處理。裂縫是破壞建筑物上最為常見的震害，尤其是在輕微破壞、中等破壞和嚴(yán)重破壞等級(jí)的建筑物上。這里以裂縫為例進(jìn)行震害特征提取演示，震害圖片上截取震害特征較為明顯的部分（圖6），然后利用快速提取工具將裂縫震害特征提取出來。將其粘貼到墻體材質(zhì)圖片上，將建筑物自身的紋理和震害特征信息結(jié)合起來（圖7），可以看出含有震害特征的白色磚墻圖片看起來非常真實(shí)，它呈現(xiàn)出的走向、凹凸感很自然明顯?？梢?，提取震害特征貼圖的方法能夠制作出接近真實(shí)的裂縫震害特征圖片，清晰的表達(dá)出震害的特點(diǎn)。應(yīng)注意的是對(duì)于實(shí)景紋理圖片，貼圖范圍內(nèi)不能有植物、人等非建筑物體，紋理的命名遵守一定的規(guī)則（許捍衛(wèi)等，2011），要求紋理盡量的正射攝影，在導(dǎo)出貼圖模型時(shí)，紋理和文件盡量保存在一個(gè)文件夾里，以免紋理丟失。

圖6 裂縫特征選取Fig.6 Crack characterization

圖7 含有震害特征的墻體圖片F(xiàn)ig.7 A picture of wall with earthquake damage character

3 震害分析三維模擬模型的實(shí)現(xiàn)

3.1 建筑物震害的三維可視化

在給定的地震參數(shù)下，計(jì)算得到建筑物單體震害指數(shù)，將其作為屬性字段加入到GIS圖層屬性中，根據(jù)震害指數(shù)判斷建筑物的破壞程度。重點(diǎn)建筑物根據(jù)表1對(duì)震害的表示制作出不同震害等級(jí)的模型，震后的5個(gè)破壞等級(jí)的模型如圖8所示，達(dá)到了不同等級(jí)的震害模型易于區(qū)別，并且能夠逼真表達(dá)出震害特征的效果。

對(duì)于缺乏單體數(shù)據(jù)的災(zāi)區(qū)和城市中的普通建筑物，采用的方法是對(duì)該區(qū)域具有空間參考的遙感圖像進(jìn)行矢量化，得到建筑物的底圖，然后利用VS2005（C#）和ArcGIS Engine開發(fā)，調(diào)用ILayerExtensions中的Extension方法對(duì)圖層按高度屬性值在Z方向上拉伸，形成三維的盒子模型表示震前建筑物，震害模型是通過調(diào)用IUniqueValueRenderer接口對(duì)圖層中的要素進(jìn)行渲染實(shí)現(xiàn)，以不同的顏色的盒子模型表示不同破壞程度的建筑物，如圖9所示。該方法將場(chǎng)景的建立和渲染分為2個(gè)步驟進(jìn)行，其優(yōu)點(diǎn)在于：一是對(duì)于特定的地震，震害結(jié)果固定，只需要計(jì)算一次，提高了執(zhí)行效率；二是震前、震后的場(chǎng)景分別顯示易于對(duì)比（豐彪，2010）。普通建筑物的數(shù)量巨大，模型越復(fù)雜、數(shù)量越多要達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的效果就越困難，采用顏色表示方法可以減少顯示難度和計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)，更容易達(dá)到實(shí)時(shí)顯示的效果。

圖8 重點(diǎn)建筑物的震害模型Fig.8 Earthquake damage model of important buildings

圖9 普通建筑物的震害模型Fig.9 Earthquake damage model of common buildings

3.2 建筑物震害三維可視化在GIS中的實(shí)現(xiàn)

建筑物的三維震害模型可視化在 GIS的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，該實(shí)現(xiàn)是通過 VS2005（C#）和ArcGIS Engine開發(fā)完成的。對(duì)于普通建筑物，點(diǎn)擊“文件”中“加載矢量文件”按鈕加載建筑物矢量底圖，點(diǎn)擊“普通建筑物拉伸”按鈕，根據(jù)各個(gè)要素的高度屬性值進(jìn)行拉伸，形成三維的盒子狀模型。然后利用孫柏濤等（2008）提出的單體建筑物震害預(yù)測(cè)方法，根據(jù)建筑物建造年代、高度等屬性計(jì)算單體震害指數(shù)，并添加到矢量文件的DamLv字段中。點(diǎn)擊“普通建筑物震害”按鈕，根據(jù)DamLv中的屬性值對(duì)不同模型賦予顏色顯示（圖10）。對(duì)于重點(diǎn)建筑物，將制作好的模型轉(zhuǎn)換成ArcGIS環(huán)境支持的MultiPath格式，儲(chǔ)存為Geodatabase數(shù)據(jù)模型，點(diǎn)擊“文件”中“加載Geodatabase”按鈕，加載重點(diǎn)建筑物的震前模型，點(diǎn)擊“重點(diǎn)建筑物震害”按鈕，根據(jù) DamLv字段中的值加載相對(duì)應(yīng)等級(jí)的震害模型替換重點(diǎn)建筑的震前模型（圖11）。

圖10 普通建筑物可視化顯示Fig.10 The 3-D visualization of common buildings

圖11 重點(diǎn)建筑物可視化顯示Fig.11 The 3-D visualization of important building

震后的場(chǎng)景建立完成，可以直觀的顯示研究區(qū)域的受災(zāi)情況，并且可以實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）整體破壞情況分析。在俯瞰整個(gè)受災(zāi)區(qū)域建筑物的破壞及其分布情況，快速判讀出破壞較為嚴(yán)重的建筑。

（2）屬性查詢。對(duì)目標(biāo)建筑物的屬性進(jìn)行查詢，得到該建筑物的建造年代、樓層數(shù)量、破壞程度等屬性信息。

（3）漫游功能。在震后場(chǎng)景中漫游，可清晰地觀察目標(biāo)建筑物的破壞狀態(tài)。

4 總結(jié)

本文利用Google SketchUp建模和ArcGIS三維顯示模塊完成了對(duì)震害三維顯示的工作，對(duì)利用震害特征表示不同等級(jí)的震害做出了初步研究，并通過震害圖片中震害特征信息的提取，完成了不同震害等級(jí)的可視化模型制作。同時(shí)，在工作中也發(fā)現(xiàn)了以下一些問題：

（1）震害模型對(duì)建筑物頂部震害的表現(xiàn)。由于搜集到的照片多為建筑物的側(cè)面照片，屋頂?shù)恼鸷D片很少，僅表達(dá)出女兒墻的震害特征，不能夠充分表達(dá)出不同破壞等級(jí)建筑物在屋頂破壞的表現(xiàn)，同時(shí)考慮到建筑物頂部和墻體的震害表現(xiàn)對(duì)本文而言意義相似，單獨(dú)表示的意義不大。本研究對(duì)破壞模型頂部的震害表現(xiàn)不足。

（2）對(duì)于建筑物的“酥裂”和變形的表現(xiàn)。建筑物在嚴(yán)重破壞和倒塌的狀態(tài)下，會(huì)出現(xiàn)墻體“酥裂”變形以及構(gòu)件錯(cuò)位現(xiàn)象。本文用到的是貼圖方法，是通過提取已有破壞建筑物的實(shí)例圖片中震害特征來實(shí)現(xiàn)震后模型的建立。由于貼圖法在這方面的局限性，故本文研究的模型還無法很好地表達(dá)出“酥裂”的效果。

（3）對(duì)于建筑物上透過墻體裂縫的表現(xiàn)。嚴(yán)重破壞和倒塌等級(jí)建筑物會(huì)出現(xiàn)穿透墻體的大裂縫，受貼圖方法本身的限制，僅對(duì)一般的裂縫有較為真實(shí)的表現(xiàn)，未能充分表達(dá)出裂縫穿透墻體的效果。

本文利用基礎(chǔ)公共數(shù)據(jù)和Google SketchUp進(jìn)行三維建模，并結(jié)合GIS技術(shù)、地震災(zāi)害損失分析方法對(duì)三維建筑物震害進(jìn)行模擬。重點(diǎn)研究了利用貼圖的方法對(duì)不同等級(jí)震害模型的建立，對(duì)不同等級(jí)震害的表示方法做出了初步研究。本研究采用半自動(dòng)場(chǎng)景生成方法，能夠快速、生動(dòng)的顯示地震前后場(chǎng)景，符合地震應(yīng)急中時(shí)效性和流動(dòng)性特點(diǎn)的要求，雖然在研究過程中發(fā)現(xiàn)了一些問題，但是總體而言達(dá)到了對(duì)不同等級(jí)震害模擬的目的。本研究給出了利用三維模擬技術(shù)在地震災(zāi)害損失分析研究中的一種方法和思路，旨在為地震應(yīng)急救援、虛擬救援訓(xùn)練和地震科普教學(xué)等方面提供幫助。

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Three Dimensional Building Damage Simulation Based on GIS

Gu Guoliang1)and Jiang Linxin2)

1) Institute of Earthquake Science, CEA, Beijing 100036, China
2) China Earthquake Network Center, CENC, Beijing 100045, China

The GIS technology has been applied in building damage analysis around the world. However, most previous studies focused on application of 2-D GIS technology, and the results from traditional earthquake damage prediction are displayed in 2-D figures and charts, which is incapable of demonstrating 3-D spatial character of buildings. Taking brick-concrete building as an example, we study the characters of building damage, and combine the information of building textures and earthquake damage effectively. Then, we apply Google SketchUp technique to create the models of buildings and display the model with seismic damage texture in software development environment of ArcGIS Engine. In this paper we propose a solid idea for 3-D simulation of earthquake damage, which is helpful in earthquake damage prediction, virtual emergency rescue practice and earthquake knowledge education.

Google SketchUp；3-D GIS；Earthquake damage prediction；Earthquake damage simulation

谷國(guó)梁，姜立新，2012.城市建筑物震害三維模擬在GIS中的應(yīng)用.震災(zāi)防御技術(shù)，7（2）：152—163.

2012地震行業(yè)科研專項(xiàng)任務(wù)（201208018）

2012-02-29

谷國(guó)梁，男，生于1986年。中國(guó)地震局地震預(yù)測(cè)研究所2009級(jí)在讀碩士。研究方向地震應(yīng)急。E-mail: guguoliang1986@163.com

姜立新，男，生于1966年。研究員。主要從事地震災(zāi)害和地震應(yīng)急技術(shù)研究。E-mail: jlx@seis.ac.cn