基于智能手機(jī)和Web技術(shù)的建筑震害調(diào)查系統(tǒng)

許 鎮(zhèn) 鄧 黎 陸新征 任愛珠 張宗才

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.清華大學(xué)土木工程系，土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

基于智能手機(jī)和Web技術(shù)的建筑震害調(diào)查系統(tǒng)

許 鎮(zhèn)1鄧 黎2陸新征2任愛珠2張宗才1

(1.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083；2.清華大學(xué)土木工程系，土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

當(dāng)前建筑震害調(diào)查以手工作業(yè)為主，效率低下。為此，論文開發(fā)了一個(gè)基于智能手機(jī)與Web技術(shù)的建筑震害調(diào)查系統(tǒng)。該系統(tǒng)由服務(wù)器端、手機(jī)端和Web端構(gòu)成：在服務(wù)器端，一個(gè)面向建筑的數(shù)據(jù)庫被建立，使得建筑成為信息采集和管理基本單元；在手機(jī)端，一個(gè)信息采集程序被開發(fā)，建立了多媒體數(shù)據(jù)與建筑的關(guān)聯(lián)；在Web端，數(shù)據(jù)被進(jìn)行智能解析和存儲(chǔ)，并在GIS云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)可視化。系統(tǒng)在2015年尼泊爾地震我國西藏地區(qū)的建筑震害調(diào)查中得到了成功應(yīng)用。

智能手機(jī)；建筑震害調(diào)查；Web；GIS；尼泊爾地震

【DOI】 10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2015.05.02

1 背景與意義

在地震發(fā)生后，一般需要組織專家前往地震災(zāi)區(qū)，對(duì)建筑震害情況進(jìn)行調(diào)查，以評(píng)估建筑震害等級(jí)，收集震害資料[1]。建筑震害調(diào)查為政府組織抗震救災(zāi)提供重要的決策依據(jù)，為土木工程防災(zāi)減災(zāi)研究提供了第一手的資料，因此，具有極其重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。

當(dāng)前建筑震害調(diào)查采用手工填表和拍照相結(jié)合的方式。例如，美國的ATC-20 Placard System[2]和希臘[3]都提供了震害調(diào)查表格。在震害調(diào)查中，每一棟建筑都需要填寫表格，給出安全評(píng)價(jià)，同時(shí)，大量建筑震害細(xì)節(jié)信息都需要現(xiàn)場拍照獲取。然而，這樣手工填表加拍照的建筑震害調(diào)查方式存在諸多問題，如：1)工作效率低下。需要大量人工來整理表格、收集照片、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、制作圖片等；2)表格與照片分離。一個(gè)很常見的現(xiàn)象便是，震害調(diào)查拍攝了大量建筑照片，但是卻不知道照片對(duì)應(yīng)的建筑，導(dǎo)致大量照片難以發(fā)揮作用；3)數(shù)據(jù)難以及時(shí)共享。由于采用紙質(zhì)填表形式，調(diào)查結(jié)果無法直接與救災(zāi)中心共享，可能耽誤應(yīng)急決策。因此，建筑震害調(diào)查亟需更加高效、智能、信息化的技術(shù)方法。

因此，本文將提出并開發(fā)基于智能手機(jī)和Web技術(shù)的建筑震害調(diào)查系統(tǒng)，并在2015年尼泊爾地震中國西藏地區(qū)的建筑震害調(diào)查中的了成功應(yīng)用，為建筑震害數(shù)據(jù)調(diào)查提供了便捷、高效、智能的一體化工具。

2 平臺(tái)框架

本文的系統(tǒng)框架包括手機(jī)端，網(wǎng)頁端和服務(wù)器端三個(gè)部分[4]，如圖1所示。手機(jī)端用來進(jìn)行震害數(shù)據(jù)的采集，網(wǎng)頁端對(duì)震害調(diào)查的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和展示，服務(wù)器端用來存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。這種的架構(gòu)非常適合建筑震害調(diào)查，可以實(shí)現(xiàn)分散采集、集中管理的形式。調(diào)查人員可以使用多臺(tái)手機(jī)實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)，提高震害調(diào)查效率；而震害調(diào)查指揮中心可以通過網(wǎng)頁端對(duì)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行及時(shí)管理，并指導(dǎo)震害調(diào)查人員。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)及流程

如圖1所示，系統(tǒng)的應(yīng)用主要流程為：首先，在移動(dòng)端采集震害調(diào)查數(shù)據(jù)，并且傳送給網(wǎng)頁端；在網(wǎng)頁端，采集的數(shù)據(jù)被首先進(jìn)行解析，然后存入服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫；根據(jù)用戶需求，這些震害數(shù)據(jù)在網(wǎng)頁端被檢索和管理，并且在后臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相應(yīng)讀取和修改；最后，在網(wǎng)頁端，數(shù)據(jù)通過GIS平臺(tái)被進(jìn)行展示，同時(shí)也可以與其他訪問者共享。

3 關(guān)鍵方法

3.1 服務(wù)器端：面向建筑的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

震害調(diào)查的首要關(guān)注對(duì)象是房屋，而文字、圖片、音頻、視頻、GIS信息等是豐富建筑震害信息的重要來源；因此只需借助于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，將它們關(guān)聯(lián)到所描述的房屋對(duì)象，便自然形成了數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系。這種關(guān)系不僅符合現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際對(duì)象與對(duì)象之間的關(guān)系，而且為后續(xù)的以房屋為中心的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)檢索提供了方便。因此，在服務(wù)器端，最重要的問題是建立一種面向建筑的數(shù)據(jù)庫：以建筑對(duì)中心，在其他數(shù)據(jù)對(duì)象中設(shè)置外鍵，關(guān)聯(lián)于某一確定的、并且唯一的建筑對(duì)象，從而形成結(jié)構(gòu)化的震害數(shù)據(jù)庫。

本文在MySQL中建立了面向建筑的數(shù)據(jù)庫[5]。該數(shù)據(jù)庫主要包括Building (建筑)、Photo (照片)、User (用戶)、Location (地點(diǎn))、Comment (注釋)、Video (錄像)這幾張表，它們之間的主要關(guān)系如圖2所示。該數(shù)據(jù)庫不僅將采集數(shù)據(jù)與建筑進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，而且也會(huì)給程序開發(fā)帶來便利。Photo、Comment、Video這些實(shí)體對(duì)象擁有大量的相同的屬性：拍攝時(shí)間、拍攝地點(diǎn)、拍攝用戶、房屋對(duì)象等，便提取為一個(gè)共同的接口Linked2Building，以面向接口的方式來操作多種對(duì)象，從而在數(shù)據(jù)添加、檢索、刪除與更新時(shí)帶來方便。

圖2 面向建筑的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

3.2 移動(dòng)端：震害數(shù)據(jù)的采集機(jī)制

在手機(jī)端，震害數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)除了文字描述外，還包括照片、錄音、錄像和手繪圖等多種多媒體數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的采集可以通過調(diào)用Android系統(tǒng)中相機(jī)、錄音、錄像等程序?qū)崿F(xiàn)，但是，為將這些數(shù)據(jù)與建筑進(jìn)行關(guān)聯(lián)，需要設(shè)計(jì)以建筑為核心的采集機(jī)制，如圖3所示。采集過程中，需要?jiǎng)?chuàng)建房屋對(duì)象，并設(shè)置當(dāng)前房屋。創(chuàng)建房屋對(duì)象時(shí)，當(dāng)前獲取的經(jīng)緯度和地址信息將作為該房屋的地理信息寫入數(shù)據(jù)庫。需要說明的是，手機(jī)可以通過network和GPS兩種定位方式獲取經(jīng)緯度，一般誤差在5m內(nèi)。對(duì)于定位精度較低的地區(qū)可以后期對(duì)經(jīng)緯度進(jìn)行人工修正。設(shè)置當(dāng)前房屋后，采集的數(shù)據(jù)都與該房屋進(jìn)行綁定，用戶所采集的各種震害數(shù)據(jù)，都將自動(dòng)鏈接到該房屋對(duì)象上(將外鍵building_ID設(shè)為當(dāng)前房屋的ID)。

圖3 震害數(shù)據(jù)采集流程圖

3.3 Web端： 基于多線程的圖片上傳及解析

Web端開發(fā)了照片的上傳功能，主要考慮手機(jī)端在網(wǎng)絡(luò)條件不好的情況下難以將照片文件及時(shí)傳輸給Web端，為采集后補(bǔ)充照片提供了一種手段。無論是手機(jī)直接傳輸?shù)恼掌?，還是后續(xù)上傳的照片，都需要對(duì)照片進(jìn)行解析，獲得照片的GPS、拍攝時(shí)間等信息。

為保證圖片上傳效率和容錯(cuò)性，本文設(shè)計(jì)了多線程的圖片上傳并行處理算法。整個(gè)算法的流程如圖4所示，基本思路每有一個(gè)Http請(qǐng)求，就分配一個(gè)線程來處理圖片的解析與存儲(chǔ)。此外，該算法由于涉及了數(shù)據(jù)庫的多線程操作，還需要注意兩個(gè)問題：一是在第一次數(shù)據(jù)庫寫入時(shí)，由于是多線程寫入，一定要注意線程安全性，賦予synchronized同步[6]，防止線程沖突；二是數(shù)據(jù)庫的兩次寫入要采用不同的數(shù)據(jù)庫操作對(duì)象entityManager，否則在上傳數(shù)據(jù)量較大時(shí)，同一個(gè)entityManager可能同時(shí)執(zhí)行前后兩次寫入操作，而引發(fā)數(shù)據(jù)庫沖突。此外，系統(tǒng)圖片上傳是區(qū)分用戶的，不同用戶同地點(diǎn)同時(shí)上傳是不沖突的。

圖片解析的重要內(nèi)容是地址獲取。盡管圖片已經(jīng)存儲(chǔ)了GPS信息，但是GPS難以直接應(yīng)用于圖片管理，如果可以根據(jù)GPS信息獲得圖片拍攝的地址，在圖片檢索過程中就可以根據(jù)地址直接搜尋對(duì)應(yīng)的圖片了，大大增加管理的便利性。在地址獲取過程中，需要將圖片的經(jīng)緯度從后臺(tái)傳給前端的Javascript，用于向地圖服務(wù)器(如百度、高德等)查詢地址信息。這里存在兩個(gè)問題：一是地址的獲取隨網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的變化影響較大，只能在網(wǎng)絡(luò)正常的情況下才能穩(wěn)定使用；而是返回的時(shí)機(jī)是不可控的——后臺(tái)并不知道前端能否返回，或何時(shí)返回。

圖4 多線程的圖片上傳并行處理算法

因此，對(duì)于圖片信息的數(shù)據(jù)庫寫入，本研究采集兩步走的策略：先通過本地程序解析得到圖片的基本信息，包括經(jīng)緯度、拍攝時(shí)間等，寫入數(shù)據(jù)庫，并得到其ID；再將這個(gè)ID連同經(jīng)緯度一起傳給Javascript，成功得到地址信息后，再通過返回的ID更新照片對(duì)象，寫入地址信息。這種后補(bǔ)充地址的處理方式，很好的適應(yīng)了地址返回時(shí)間不可控的問題。由于篇幅長度限制，該部分將在后續(xù)論文中進(jìn)行詳細(xì)闡述。

4 算例測試

由于災(zāi)區(qū)網(wǎng)絡(luò)條件非常差，西藏震害調(diào)查采集的數(shù)據(jù)無法直接傳輸?shù)絎eb端，需要調(diào)查結(jié)束后，在Web端直接上傳照片。首先，將采集的100張西藏震害照片上傳到Web端上?；诒疚牡亩嗑€程方法，100張照片可以在1分鐘內(nèi)被一次性解析和存儲(chǔ)，得到的圖片列表如圖5所示。

圖5 上傳到Web端西藏震害照片列表

圖6 圖片拍攝位置的解析與檢索

圖7 基于GIS的圖片和震害等級(jí)分布

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)非常利于檢索和管理，可以從結(jié)構(gòu)類型、震害等級(jí)、樓層數(shù)等多個(gè)維度進(jìn)行分類搜尋。特別說明的是，通過本文提出的照片地址信息獲取，可以將GPS坐標(biāo)轉(zhuǎn)為地址信息，從而實(shí)現(xiàn)了通過地址搜尋震害數(shù)據(jù)的功能，如圖6所示，大大提升了震害數(shù)據(jù)管理的便捷性。此外，這些圖片信息也可以展示在地圖上，如圖7所示，從而直接展示了建筑震害的空間分布情況以及直觀的建筑震害細(xì)節(jié)。

該算例表明系統(tǒng)可以采集豐富的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行智能解析，從而建立起結(jié)構(gòu)化的震害數(shù)據(jù)庫，便于數(shù)據(jù)的管理和展示，為震害調(diào)查提供了高效的工具。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了一個(gè)基于智能手機(jī)和Web技術(shù)的建筑震害調(diào)查系統(tǒng)，并在西藏震害調(diào)查中進(jìn)行了應(yīng)用。系統(tǒng)覆蓋了數(shù)據(jù)采集、整理、可視化、信息共享等多個(gè)環(huán)節(jié)，大大減少了人工參與，實(shí)現(xiàn)了高效、便捷的建筑震害調(diào)查，為建筑震害調(diào)查提供了便捷、高效、智能的一體化工具。

[1]Anagnostopoulos S, Moretti M. Post-earthquake emergency assessment of building damage, safety and usability-Part 2: Organisation [J], Soil Dynamics and Earthquake Engineering 2008, 28: 233-244.

[2]Applied Technology Council (ATC), ATC-20-1 Field Manual: Post-earthquake Safety-Evaluation of Buildings [R]. Governor's Office of Emergency Services, 2005, CA, USA.

[3]Anagnostopoulos S, Moretti M. Post-earthquake emergency assessment of building damage, safety and usability-Part 1: Technical issues [J], Soil Dynamics and Earthquake Engineering 2008. 28: 223-232.

[4]鄧?yán)? 基于網(wǎng)絡(luò)的震害調(diào)查輔助系統(tǒng) [D]. 清華大學(xué), 2015.

[5]MySQL::The world's most popular open source database[EB/OL].[2015-06-18]https://www.mysql.com/.

[6]Java Platform, Enterprise Edition(Java EE) [EB/OL].[2015-06-18]http://www.oracle.com/technetwork/java/javaee/overview/index.html.

A System for the Investigation of Building Seismic Damage based on Smartphones and Web Technique

Xu Zhen1, Deng Li2, Lu Xinzheng2, Ren Aizhu2, Zhang Zongcai1

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalEngineering,UniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing100083,China； 2.KeyLaboratoryofCivilEngineeringSafetyandDurabilityofChinaEducationMinistry,DepartmentofCivilEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)

The current investigations of building seismic damage are mainly dependent on manual work, leading to a low efficiency. To improve the efficiency of the investigation, a system for the investigation of building seismic damage based on smartphones and Web technique is developed. This system is made of three components: a server, smartphones and a web. In the server, a building-oriented database is built, which makes buildings become the basic elements for the data collection and management. In smartphones, an app for collecting data is developed, which builds a corresponding relationship between the collected multi-media data and buildings. In the web, the data collected by smartphones are analyzed and stored. In addition, these data are visualized on a GIS cloud platform. The system has been successfully applied in the investigation of building seismic damage in Tibet area in the 2015 Nepal earthquake.

Smartphone; Investigation of Building Seismic Damage; Web; GIS；Nepal Earthquake

國家科技支撐計(jì)劃(2014BAL05B04)，國家自然科學(xué)基金(51308321)

許鎮(zhèn)(1986-)，男，副教授。主要研究方向：城市綜合防災(zāi)和信息化。

TN929.5；P315.63

A

1674-7461(2015)05-0008-05