谷國梁姜立新

1）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

2）中國地震臺網中心，北京 100045

城市建筑物震害三維模擬在GIS中的應用1

谷國梁1）姜立新2）

1）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

2）中國地震臺網中心，北京 100045

將地理信息系統(tǒng)（GIS）技術用于震害預測在國內外都有較為廣泛和成熟的研究。大多數的研究都是基于二維GIS技術的應用，以圖表的形式顯示震害預測結果，不能夠直觀地顯示建筑物空間特征。本文以磚混結構建筑為例，總結了不同震害等級的震害特征，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)實現震害三維顯示。本文給出了利用三維模擬技術在震害預測研究中的一種方法和思路，旨在為震后應急救援、虛擬救援訓練和地震科普教學等方面提供幫助。

Google SketchUp 三維GIS 震害預測 地震場景模擬

引言

我國是地震災害最為嚴重的國家之一，其地震活動具有頻度高、強度大、震源淺、分布廣的特點（李智等，2010）。地震的突發(fā)性和破壞性（尤其是特大地震）對人民的生命和財產造成巨大的損失，尤其在財產和人口高度集中的城市地區(qū)更是嚴重。因此，在地震還不能準確預報的今天，地震災害損失分析作為防震減災的重要環(huán)節(jié)就更具有現實意義。GIS因具有數學模型應用功能和空間分析功能已經被廣泛應用在地震災害損失分析的工作中，目前大部分的研究是基于二維GIS方法處理數據，震害的分析結果以二維圖表的形式顯示，在表達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方面。本研究運用到三維建模、遙感技術、地理信息系統(tǒng)、震害預測方法等方面的技術，對震后災害場景進行模擬，能有效地利用更多的信息把震后的災害場景快速、直觀和準確的表達出來。

ArcGIS9.2系列軟件加強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符號和MultiPatch（.mdb）格式的三維模型顯示，為本研究提供了技術支持。國內外多年來的災后救援經驗表明，如果救援人員事先對救援現場環(huán)境、建筑結構類型和破壞形態(tài)等災害信息有所了解，將對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鍵的作用（胡長理，2009）。日本和美國在這一方面的研究工作處于國際領先地位，日本的東京都防災中心是為政府提供救災支持的綜合性減災機構，建立起了體系完整的災害信息管理與指揮技術系統(tǒng)，其主要職能是：災害數據庫收集與建設、完善減災技術系統(tǒng)和應急救援體系、分析處理災情、制定救災方案和對策等（姜立新等，2003）。日本的“中央防災會議”曾通過三維圖形描繪出東京圈發(fā)生7級地震后的受災情況，包括20萬人死亡和600萬人無家可歸，同時還詳細標明了可能發(fā)生的海嘯最先淹沒的地區(qū)和最容易發(fā)生火災的地區(qū)，這些地震災情信息為日本政府和機構制定地震災害疏散和救援工作方案提供了有力的依據（龍海云，2009）。美國的聯邦緊急事務管理局（FEMA）負責對自然災害和涉及國家利益的緊急事務進行應急處理，其中在自然災害應急方面主要是SAIC緊急預報災害管理系統(tǒng)，它主要處理災情信息、應急方案、救災決策以及各部門協(xié)調等方面的工作。美國的EQE公司開發(fā)了一套主要用于地震損失快速評估的減災系統(tǒng)EPEDAT，該系統(tǒng)對美國加州南部的6個縣進行了詳細的震害分析，如經濟損失、人員傷亡等（關宇，2005）。本文研究的主要目標是對建筑物三維震害進行預測模擬，旨在為震害預測工作提供一種結果表達方法，同時在地震應急救援、科普教學以及模擬救援訓練當中能夠得到應用。

1 城市建筑物震害分析三維模擬的設計

本研究的設計主要適用于地震應急救援、虛擬救援訓練和地震科普教學等方面，考慮到地震應急工作時效性和流動性的特點，根據應用領域的條件以求達到以下目標：第一，能夠盡量利用可快速獲得且準確的數據進行研究，例如遙感圖像數據、GIS數據等基礎數據，這些數據在獲取和處理技術方面發(fā)展的較為成熟，可為研究應用提供有力支持；第二，對計算機的硬件要求不高，使用普通計算機就能夠實現震前和震后的場景顯示。建筑物三維震害模擬分析的技術路線如圖1所示，可分為4個部分：①利用基礎數據在Google SketchUp中進行三維建模；②根據震害預測方法和地震基本參數計算建筑物的破壞等級；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；④三維場景的瀏覽、查詢功能。

圖1 研究流程設計圖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的兩個接口 IConstrucMutiPatch和IGeneraMultiPatchCreater來完成三維建模，在紋理顯示、參數設置方面較為復雜。我們希望通過利用三維軟件來進行建模，操作過程更為簡單。目前已經有許多三維建模軟件應用到實際的工作中，例如：3D Studio Max（盧國梁，2010），Google SketchUp等。本研究選擇Google SketchUp進行三維模型建立，之所以選擇Google SketchUp的原因是：①Google SketchUp制作出的模型數據量較??；②Google公司與ESRI公司合作已經開發(fā)出一套用于GIS數據和三維模型之間數據轉換的插件，Google SketchUp將建好的模型導出為 ArcGIS所支持的MultiPatch（.mdb）格式數據，同時可添加需要的屬性字段，方便以后的數據分析，如圖 2所示；③Google SketchUp已經在建筑等領域得到應用，許多Google SketchUp的組件和模型在網絡上共享，在工作中利用共享模型和組件可減少建模時間（文里梁，2009）。我們在建模的工作中采用了貼圖技術，來彌補Google SketchUp對裂縫渲染方面的不足，達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據類型轉換的工作量和時間。

圖2 數據轉換示意圖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

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

普通建筑物的建模方法是：首先獲取目標地區(qū)的遙感影像，對影像進行去噪音和校正處理，然后再進行矢量化操作，得到建筑物的二維矢量底圖，利用高度屬性數據在Z方向上進行拉伸形成墻體，快速得到盒子形三維模型表示震前建筑物，如圖4所示。高度數據可以通過遙感影像判讀或者利用層高（一般按3m計算）和建筑的層數屬性計算得到（狄彩云等，2007）。此外，通過Google SketchUp可以將模型導出為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用，震后建筑物模型是通過對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

重點建筑物的建模方法是：ArcGIS提供了MultiPatch（.mdb）數據格式，用來表示三維實體的表面。震前模型是在得到底圖后可以導入Google SketchUp中進行仔細的建模，構建出建筑物門、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景展示出來，普通建筑物建模節(jié)省了大量的時間，重點建筑物的建模滿足了建筑物空間特征生動實時顯示的要求。

2.2 地震烈度影響場應用

目前已經有許多學者對中國區(qū)域內地震烈度影響場進行了研究，得出了很多結果，本文采用汪素云等（2000）的研究結果，將中國研究區(qū)域以東經105°為界，分為東西2個子區(qū)域分別進行統(tǒng)計研究。研究采用長、短軸聯合衰減模型得到的結果，根據衰減公式編程生成烈度圈的矢量文件，并與研究區(qū)域的經緯度疊加，判斷出研究區(qū)域的受影響烈度。

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

建筑物在地震中的破壞程度分為 5個等級：“基本完好，輕微破壞，中等破壞，嚴重破壞和毀壞”。震害指數是將這些破壞程度量化的指標，可根據研究區(qū)域建筑物所受的烈度，計算每個建筑物的破壞情況。建筑物震害預測方法選擇孫柏濤等（2008）研究的單體建筑物震害預測方法，該方法是在群體震害預測方法的基礎上，通過統(tǒng)計數據得出影響因子的影響系數，反推單體震害預測指數。它建立在大量統(tǒng)計數據的基礎上，調查樣本越多，計算得出的結論就越精確。目前，我國學者已經對天津、東營等一部分大中城市進行了地震災害損失分析工作，積累了大量資料，也為該方法提供了有力的支持。在足夠多樣本數量的條件下建立數據庫，包括城市的震害矩陣，各個震害影響因子矩陣等數據，在以后的地震災害損失分析工作中依據目標建筑物符合的條件直接調用數據計算，可以減少時間并保證準確率。

2.3 三維建模中震害特征的表達

地震對建筑物的破壞作用主要有兩種：一是強烈的地震動破壞；二是地震造成的地質破壞。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，不僅不同破壞等級的建筑物表現差異很大，即使在相同破壞等級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概念本身是一個范圍，并不代表一個確定的值，所以相同破壞等級的建筑物之間也是有破壞輕重之分的；另一方面建筑物結構類型、建造年代、施工標準等屬性和地震中的地面運動特征都與建筑物的震害輕重及表現有密切的關系，使震害特征的表現具有隨機性。②本文對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，而是對不同震害特征的直觀、生動表示，以能夠區(qū)分不同等級震害為目的。

房屋的震害輕重是通過震害等級劃分的，對不同等級的震害特征總結有利于我們準確的建立建筑物震害模型，達到不同等級震害區(qū)別顯示的目的。前人對于很多歷史地震已有震害特征的研究，由于在城鎮(zhèn)中磚混結構的房屋數量多，這里以磚混結構為例總結出不同等級的震害特征。

沈軍等（2005）對2003年新疆的昭蘇地震進行了調查，磚混結構房屋震害特征主要有：Ⅷ度區(qū)內多數為毀壞或嚴重破壞。主要震害特征有：承重墻和窗間墻產生“X”形裂縫、外墻轉角處被拉開、房屋上下部分發(fā)生相對位移、局部構件倒塌、墻體出現鋸齒形裂縫、墻體外臌等。Ⅶ度區(qū)內基本為輕微損壞，個別為中等破壞。主要震害特征有：外墻轉角處出現鋸齒形裂縫、門窗角部出現“八”字形裂縫、女兒墻出現水平裂縫等。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“八”字形裂縫、墻皮脫落和抹灰層掉落等。

施偉華等（2004）對 2003年大姚地震中磚混結構震害特征的總結是：Ⅷ度區(qū)內部分墻體有嚴重的裂縫，并呈“X”形和水平裂縫；多數墻體有明顯裂縫。Ⅶ度區(qū)內個別墻體有嚴重裂縫；少數墻體產生明顯裂縫；多數墻體有輕微裂縫。Ⅵ度區(qū)內少數墻體有輕微裂縫；抹灰層脫落；個別門窗出現輕微裂縫。

石玉成等（2005）對2003年民樂-山丹地震的房屋震害特征進行了調查，其中對磚混結構房屋的震害總結是：主要的震害表現為承重墻產生裂縫、“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；陽臺和墻身開裂。

根據以上學者對震害特征的總結，結合《建（構）筑物地震破壞等級劃分（GB/T 24335-2009）》（中華人民共和國國家標準，2009）對房屋破壞分級的描述，本文對不同震害等級的特征進行了定性的描述，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、破壞碎片等方面進行總結，依據震害指數與震害等級對應的關系，將震害分為5個等級（見表1）。

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

2.4 建筑物震害信息提取

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

利用PhotoShop對圖片的亮度、對比度以及圖片的扭曲變形進行預處理。裂縫是破壞建筑物上最為常見的震害，尤其是在輕微破壞、中等破壞和嚴重破壞等級的建筑物上。這里以裂縫為例進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圖片上，將建筑物自身的紋理和震害特征信息結合起來（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，它呈現出的走向、凹凸感很自然明顯。可見，提取震害特征貼圖的方法能夠制作出接近真實的裂縫震害特征圖片，清晰的表達出震害的特點。應注意的是對于實景紋理圖片，貼圖范圍內不能有植物、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，在導出貼圖模型時，紋理和文件盡量保存在一個文件夾里，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Fig.7 A picture of wall with earthquake damage character

3 震害分析三維模擬模型的實現

3.1 建筑物震害的三維可視化

在給定的地震參數下，計算得到建筑物單體震害指數，將其作為屬性字段加入到GIS圖層屬性中，根據震害指數判斷建筑物的破壞程度。重點建筑物根據表1對震害的表示制作出不同震害等級的模型，震后的5個破壞等級的模型如圖8所示，達到了不同等級的震害模型易于區(qū)別，并且能夠逼真表達出震害特征的效果。

對于缺乏單體數據的災區(qū)和城市中的普通建筑物，采用的方法是對該區(qū)域具有空間參考的遙感圖像進行矢量化，得到建筑物的底圖，然后利用VS2005（C#）和ArcGIS Engine開發(fā)，調用ILayerExtensions中的Extension方法對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，震害模型是通過調用IUniqueValueRenderer接口對圖層中的要素進行渲染實現，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。該方法將場景的建立和渲染分為2個步驟進行，其優(yōu)點在于：一是對于特定的地震，震害結果固定，只需要計算一次，提高了執(zhí)行效率；二是震前、震后的場景分別顯示易于對比（豐彪，2010）。普通建筑物的數量巨大，模型越復雜、數量越多要達到實時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算機的負擔，更容易達到實時顯示的效果。

圖8 重點建筑物的震害模型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中的實現

建筑物的三維震害模型可視化在 GIS的環(huán)境中實現，該實現是通過 VS2005（C#）和ArcGIS Engine開發(fā)完成的。對于普通建筑物，點擊“文件”中“加載矢量文件”按鈕加載建筑物矢量底圖，點擊“普通建筑物拉伸”按鈕，根據各個要素的高度屬性值進行拉伸，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測方法，根據建筑物建造年代、高度等屬性計算單體震害指數，并添加到矢量文件的DamLv字段中。點擊“普通建筑物震害”按鈕，根據DamLv中的屬性值對不同模型賦予顏色顯示（圖10）。對于重點建筑物，將制作好的模型轉換成ArcGIS環(huán)境支持的MultiPath格式，儲存為Geodatabase數據模型，點擊“文件”中“加載Geodatabase”按鈕，加載重點建筑物的震前模型，點擊“重點建筑物震害”按鈕，根據 DamLv字段中的值加載相對應等級的震害模型替換重點建筑的震前模型（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 重點建筑物可視化顯示Fig.11 The 3-D visualization of important building

震后的場景建立完成，可以直觀的顯示研究區(qū)域的受災情況，并且可以實現以下功能：

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

（2）屬性查詢。對目標建筑物的屬性進行查詢，得到該建筑物的建造年代、樓層數量、破壞程度等屬性信息。

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

4 總結

本文利用Google SketchUp建模和ArcGIS三維顯示模塊完成了對震害三維顯示的工作，對利用震害特征表示不同等級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的可視化模型制作。同時，在工作中也發(fā)現了以下一些問題：

（1）震害模型對建筑物頂部震害的表現。由于搜集到的照片多為建筑物的側面照片，屋頂的震害圖片很少，僅表達出女兒墻的震害特征，不能夠充分表達出不同破壞等級建筑物在屋頂破壞的表現，同時考慮到建筑物頂部和墻體的震害表現對本文而言意義相似，單獨表示的意義不大。本研究對破壞模型頂部的震害表現不足。

（2）對于建筑物的“酥裂”和變形的表現。建筑物在嚴重破壞和倒塌的狀態(tài)下，會出現墻體“酥裂”變形以及構件錯位現象。本文用到的是貼圖方法，是通過提取已有破壞建筑物的實例圖片中震害特征來實現震后模型的建立。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出“酥裂”的效果。

（3）對于建筑物上透過墻體裂縫的表現。嚴重破壞和倒塌等級建筑物會出現穿透墻體的大裂縫，受貼圖方法本身的限制，僅對一般的裂縫有較為真實的表現，未能充分表達出裂縫穿透墻體的效果。

本文利用基礎公共數據和Google SketchUp進行三維建模，并結合GIS技術、地震災害損失分析方法對三維建筑物震害進行模擬。重點研究了利用貼圖的方法對不同等級震害模型的建立，對不同等級震害的表示方法做出了初步研究。本研究采用半自動場景生成方法，能夠快速、生動的顯示地震前后場景，符合地震應急中時效性和流動性特點的要求，雖然在研究過程中發(fā)現了一些問題，但是總體而言達到了對不同等級震害模擬的目的。本研究給出了利用三維模擬技術在地震災害損失分析研究中的一種方法和思路，旨在為地震應急救援、虛擬救援訓練和地震科普教學等方面提供幫助。

狄彩云，葉澤田等，2007. 城市空間三維數據信息獲取技術. 地理空間信息，5（5）：53—56.

豐彪，文里梁等，2010. 基于三維GIS技術的地震災情場景模擬系統(tǒng). 世界地震工程，20（1）：114—120.

關宇，2005. 基于GIS的城市建筑物防震減災及輔助分析系統(tǒng). 北京工業(yè)大學碩士論文.

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. 中國地震局工程力學研究所碩士論文.

姜立新，聶高眾等，2003. 我國地震應急指揮技術體系初探. 自然災害學報，12（2）：1—6.

李建成，郭建文等，2009. 基于ArcEngine的三維GIS的設計與實現. 遙感技術與應，24（3）：395—398.

李智，王曉青，2010. 地震震害微觀與宏觀方法快速盲估綜述. 地震，30（2）：134—142.

龍海云，2009. 日本的防震減災與震后救援概述. 國際地震動態(tài)，（5）：21—30.

盧國梁，2010. 基于3DSMAX和ArcGISEngine技術建立三維校園. 長安大學碩士論文.

石玉成，馬爾曼等，2005. 2003年民樂-山丹6.1、5.8級地震房屋震害分析. 西北地震學報，27（3）：260—266.

孫柏濤，孫得璋，2008. 建筑物單體震害預測新方法. 北京工業(yè)大學學報，34（7）：701—707.

沈軍，唐麗華等，2005. 2003年12月1日新疆昭蘇6.1級地震烈度與房屋震害. 內陸地震，19（3）：17—24.

施偉華，周光華等，2004. 2003年大姚6.2級地震房屋震害特征及分析. 地震研究，27（4）：374—378.

文里梁，2009. 基于三維GIS技術的地震災情場景模擬系統(tǒng).中國地震局工程力學研究所碩士論文.

汪素云，俞言祥等，2000. 中國分區(qū)地震動衰減關系的確定. 中國地震，16（2）：99—106.

許捍衛(wèi)，房曉亮等，2011. 基于SketchUp的城市三維建模技術. 測繪科學，36（1）：213—214，189.

楊澤，李志強，2007.基于ArcGIS和3DS Max的磚平房震害三維可視化方法研究. 地震地質，29（3）：680—686.

中華人民共和國國家標準，2009. 建（構）筑物地震破壞等級劃分（GB/T 24335-2009）.北京：中國標準出版社.

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

谷國梁，姜立新，2012.城市建筑物震害三維模擬在GIS中的應用.震災防御技術，7（2）：152—163.

2012地震行業(yè)科研專項任務（201208018）

2012-02-29

谷國梁，男，生于1986年。中國地震局地震預測研究所2009級在讀碩士。研究方向地震應急。E-mail: guguoliang1986@163.com

姜立新，男，生于1966年。研究員。主要從事地震災害和地震應急技術研究。E-mail: jlx@seis.ac.cn