李姝嫻，朱權(quán)潔，王大倉，羊科宇，林浩然，吳晨曦

(1.華北科技學(xué)院 應(yīng)急技術(shù)與管理學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.華北科技學(xué)院 礦山安全學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

我國位于環(huán)太平洋地震帶中段和環(huán)亞歐太平洋地震帶正中央，地震產(chǎn)生的各類災(zāi)害危害面大、發(fā)生多頻，地震波及我國大半個(gè)大陸及海外多個(gè)大陸亞洲地震國家[1-2]，傳統(tǒng)地震模式及對(duì)地震模型的研究和模式設(shè)計(jì)表現(xiàn)均顯復(fù)雜，仿真模型技術(shù)方面也有所欠缺；人力物力方面投入成本較大，不能滿足為廣大高校、科研創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)免費(fèi)提供自主開發(fā)的虛擬現(xiàn)實(shí)與仿真教學(xué)系統(tǒng)培訓(xùn)的需要[3]；軟件多為商用，源代碼不能公開，無法持續(xù)開發(fā)等問題顯現(xiàn)。

隨著當(dāng)代科技突飛猛進(jìn)的發(fā)展，三維遙感仿真及模擬分析技術(shù)日益成熟，現(xiàn)有研究的重要成果中，杜浩國等[4]所提到的無人機(jī)航拍遙感技術(shù)和衛(wèi)星地理空間信息技術(shù)等雖然大部分已逐步開發(fā)成熟和應(yīng)用于三維地震災(zāi)害分析預(yù)測(cè)，但其對(duì)三維地震模擬預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的時(shí)間精確度也有一定地要求；肖麗萍[5]所提到的3DSMAX軟件結(jié)合C語言把地震活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)的三維構(gòu)造情況以及隨地震時(shí)間發(fā)生變化的地形全貌以活動(dòng)場(chǎng)景圖像形式直觀、生動(dòng)、真實(shí)的表現(xiàn)出來，但較為復(fù)雜；曹彥波等[6]所提到的以O(shè)racle 10g數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，通過ArcSDE 9.2進(jìn)行三維數(shù)據(jù)可視化管理，使用高級(jí)組件來實(shí)現(xiàn)多維空間數(shù)據(jù)可視化的實(shí)時(shí)顯示、管理、分析、存儲(chǔ)等多種二維功能擴(kuò)展；在高年級(jí)本科生進(jìn)行的仿真科研項(xiàng)目訓(xùn)練環(huán)節(jié)中，逯燕樂等[7]提到的利用True-Terrain等輔助教學(xué)插件，鑒于Blender軟件平臺(tái)建模學(xué)習(xí)與交互設(shè)計(jì)訓(xùn)練方面提供的便捷操作體驗(yàn)以及本身開源軟件屬性開展出了三維動(dòng)態(tài)仿真模擬實(shí)踐教學(xué)，但整個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)過程較為繁瑣復(fù)雜；在構(gòu)建礦山三維安全模型方面，梁娟等[8]所提到的采用基于Blender的開源可視化軟件，利用Python語言自動(dòng)編寫出礦山實(shí)體三維的數(shù)據(jù)表達(dá)方法模型與數(shù)據(jù)生成算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦山三維的實(shí)時(shí)快速模型構(gòu)建過程；梁娟等[9]還對(duì)地震進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)三維安全可視化技術(shù)演示，演示和結(jié)果驗(yàn)證表明所構(gòu)建出的現(xiàn)場(chǎng)三維仿真結(jié)果均具有相對(duì)較強(qiáng)的科學(xué)性。

基于上述原因，以Blender平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過Wave模擬器實(shí)現(xiàn)快速建立地震傳播三維演示模型，其成本低廉、方法簡(jiǎn)單、對(duì)人員數(shù)量要求不高、有較強(qiáng)的擴(kuò)展性，服務(wù)于《災(zāi)害學(xué)》課程教學(xué)和防災(zāi)減災(zāi)專業(yè)學(xué)生科創(chuàng)活動(dòng)，同時(shí)為高校和科研團(tuán)隊(duì)提供了解決三維可視化模型的新思路。

1 開發(fā)環(huán)境及總體思路

1.1 開發(fā)環(huán)境介紹

Blender三維建模工具是一款高質(zhì)量的三維實(shí)體建模、動(dòng)畫特效繪制處理和三維圖像的渲染處理工作的開源軟件，Blender的程序內(nèi)核主要由C語言編寫，界面部分主要是由C++語言編成，Python語言則作為一個(gè)支持對(duì)其應(yīng)用程序進(jìn)行編程處理的接口及腳本編輯語言。Blender將一個(gè)自定義用戶界面模塊(User Interface，UI)中的開發(fā)代碼封裝到BPY庫中，用戶能夠通過UI輕松編寫用戶界面；另外，用戶界面可分別置于工具欄、屬性欄和中等不同位置，用戶還可以靈活添加各種自定義控件。在建模方面，Blender齊全的功能可以媲美3Dmax，其具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1) 軟件體積小，功能多，大程度節(jié)省內(nèi)存。

(2) 為開源軟件，Blender軟件源代碼完全公開。

(3) 拓展性強(qiáng)，可跨多平臺(tái)，Blender軟件包在不同系統(tǒng)上可免費(fèi)下載。

1.2 研發(fā)背景

《災(zāi)害學(xué)》是華北科技學(xué)院防災(zāi)減災(zāi)科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)必修課，主要講述災(zāi)害學(xué)的原理解釋、研究方法，各類災(zāi)害現(xiàn)象的基本概念、形成原因、發(fā)生、發(fā)展、演變過程和致災(zāi)機(jī)理及防災(zāi)減災(zāi)的基本方法?；凇稙?zāi)害學(xué)》，致力于培養(yǎng)學(xué)生的思維分析能力，在理解常見災(zāi)害現(xiàn)象產(chǎn)生和演化機(jī)理的前提下，對(duì)學(xué)生做出以下期望：(1)認(rèn)識(shí)災(zāi)害的概念、分類及災(zāi)害學(xué)的研究方法。(2)認(rèn)識(shí)自然災(zāi)害和人為災(zāi)害的成因與規(guī)律。(3)掌握自然災(zāi)害、環(huán)境災(zāi)害、生產(chǎn)安全事故、突發(fā)公共衛(wèi)生事件和社會(huì)安全事件的特點(diǎn)、分級(jí)分類方法及其治理措施。(4)掌握防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)工程方法。(5)培養(yǎng)、鍛煉學(xué)生查閱、整理文獻(xiàn)資料的能力。

1.3 總體研究思路

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，利用Blender建模軟件，結(jié)合地震波表現(xiàn)形式，對(duì)地震場(chǎng)景進(jìn)行三維建模與仿真，并利用權(quán)重繪制插件Weight Paint對(duì)地震影響程度進(jìn)行可視化表征。研究思路如圖1所示，主要內(nèi)容如下：

圖1 研究思路

(1) 搜集地震波相關(guān)資料，明確地震波的形成原理和表現(xiàn)形式。

(2) 使用Blender對(duì)地震場(chǎng)景(地形、房屋、樹木等)構(gòu)建，并利用“Wave”功能對(duì)地震波進(jìn)行仿真模擬。

(3) 使用Blender中的權(quán)重繪制插件Weight Paint，對(duì)地震影響程度進(jìn)行可視化表征：第一步：制作地震效果熱圖；第二步：分配熱圖中的權(quán)重比影響地震效果；第三步：對(duì)地震發(fā)生效果進(jìn)行可視化展示。

2 地震災(zāi)害的特點(diǎn)

地震會(huì)破壞人類的生活環(huán)境，如房屋倒塌、工業(yè)設(shè)施、林地農(nóng)田等遭到破壞，對(duì)人類社會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失；同時(shí)，地震也會(huì)嚴(yán)重危害人類的身心健康，讓人們長(zhǎng)時(shí)間陷入天災(zāi)的恐懼與親人離世的悲傷中。例如，2008年的汶川大地震造成大量人員傷亡，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8451億元。因此，對(duì)于地震造成的危險(xiǎn)程度描述意義重大。基于這一背景，在《災(zāi)害學(xué)》教學(xué)和本科生科創(chuàng)活動(dòng)中加入可視化仿真內(nèi)容，用于形象描述地震災(zāi)害帶來的巨大影響。首先給學(xué)生介紹地震災(zāi)害的概念、特點(diǎn)等內(nèi)容，包括地震波的特點(diǎn)、分類以及地震的影響程度(地震烈度)。在上述背景下，以Blender平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過Wave模擬器實(shí)現(xiàn)快速建立地震傳播三維演示模型；并利用權(quán)重繪制插件Weight Paint構(gòu)建地震熱圖，顯示地震活動(dòng)中的受力情況。通過上述研究過程，使學(xué)生更加直觀、形象的理解地震形成原理及其危害性。

2.1 地震的特點(diǎn)及描述方法

要完整描述地震災(zāi)害的特點(diǎn)，需要從地震發(fā)生時(shí)的顯現(xiàn)感受入手。地震發(fā)生時(shí)，所處地區(qū)會(huì)有明顯的地表顛簸，這與地震的發(fā)生機(jī)理密切相關(guān)——地震的發(fā)生是由于地球內(nèi)部巨大能量的釋放，以震動(dòng)的形式向四周傳播。地震波主要包含體波和面波。面波是彈性分界面附近傳播的波，主要包括瑞利波和勒夫波：瑞利波(R波)在表層附近，運(yùn)動(dòng)軌跡為一個(gè)橢圓，振動(dòng)振幅隨深度增加而逐漸減小至零；勒夫波(L波)地面上質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)幅度最大，越往地下運(yùn)動(dòng)幅度越小。體波包括縱波(P波)和橫波(S波)，限于篇幅，為便于演示，下文將以橫波、縱波作為典型進(jìn)行介紹。

(1) 縱波(P波)：粒子振動(dòng)方向平行于波的前進(jìn)方向，在所有地震波中，前進(jìn)速度最快。P波能在固體、液體或氣體中傳遞。來自地下的縱波能夠引起地面上下顛簸振動(dòng)。

(2) 橫波(S波)：前進(jìn)速度僅次于P波，粒子振動(dòng)方向垂直于波的前進(jìn)方向。S波只能在固體中傳遞，無法穿過液態(tài)外地核。來自地下的橫波能引起地面的水平晃動(dòng)。地震P、S波形示意圖如圖2所示。

圖2 地震分類及其影響

2.2 地震烈度的表述方法

為了直觀地表述地震的危險(xiǎn)等級(jí)，引入烈度示意圖，以三維可視化的形式表達(dá)地震烈度的分布情況。地震烈度是指地震時(shí)某一地區(qū)的地面和各類建筑物遭受到一次地震影響的強(qiáng)弱程度。地震烈度可以反映地震的強(qiáng)弱程度，因此，如何直觀顯示地震的烈度十分重要。

我國將地震烈度分為12度，烈度值的大小與地震感知或破壞程度相對(duì)應(yīng)，如地震烈度為1度時(shí)，一般無感；烈度為3度時(shí)，人或感受到門窗輕微作響、懸掛物微動(dòng)；烈度8度時(shí)，多數(shù)人搖晃顛簸，行走困難，且房屋中等破壞，地面出現(xiàn)裂縫，房屋破壞導(dǎo)致人畜傷亡；最高烈度12度時(shí)，地面劇烈變化，山河改觀?？梢钥闯觯叶仍酱笏斐傻挠绊懺酱?。由于烈度的大小與所處位置與震源的距離有關(guān)，因此，對(duì)于烈度大小的描述可以結(jié)合常規(guī)的地震動(dòng)烈度分布圖進(jìn)行展示，即以多色圖(云圖)的形式進(jìn)行展示。

3 地震三維場(chǎng)景構(gòu)建與仿真

Blender作為開源程序，體積小且容納不亞于專業(yè)級(jí)軟件的功能儲(chǔ)備，在三維建模、動(dòng)畫制作、視頻剪輯等方面性能優(yōu)越且表現(xiàn)出色。目前，該軟件已被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，包括影視、生物、地震、天文、礦業(yè)、交通、城市規(guī)劃等行業(yè)和領(lǐng)域。在地震方面，基于其與Python語言融合的特點(diǎn)，被用于復(fù)雜地質(zhì)模型開發(fā)、地震場(chǎng)景仿真與可視化展示等方面。本文基于其特點(diǎn)，開展了基于Blender的地震災(zāi)害仿真研究。

3.1 使用位移修改器繪制地形

使用Wave修飾符制作一個(gè)地震動(dòng)畫過程較為復(fù)雜，首先使用位移修改器制作地形，然后添加一些樹木，最后制作一個(gè)震動(dòng)地面動(dòng)畫。簡(jiǎn)述而言，地震災(zāi)害三維場(chǎng)景的構(gòu)建步驟如下：

第一步，首先制作地形。使用“位移修改器”打開帶有默認(rèn)場(chǎng)景的Blender，通過順序點(diǎn)擊“添加-網(wǎng)格-平面”添加一個(gè)平面。使用Scale工具放大平面。選擇“平面”并轉(zhuǎn)到“紋理屬性”，單擊“New”添加新紋理。使用紋理創(chuàng)建一個(gè)地形，在新的紋理中，選擇“云絮”類型，更適合該場(chǎng)景。其中紋理選擇，如圖3所示。

圖3 紋理選擇

第二步，選擇“平面”并按Tab鍵進(jìn)入編輯模式，按鼠標(biāo)右鍵，在頂點(diǎn)菜單中，單擊“修改菜單”，將菜單中的“削減次數(shù)”更改為50，增加削減的數(shù)量使其細(xì)分更多的網(wǎng)格，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格細(xì)分

第三步，進(jìn)入“對(duì)象模式”，按Tab鍵，進(jìn)入“修改器屬性”，添加修改器“細(xì)分曲面修飾符”，將LevelViewport和Render更改為3，使網(wǎng)格更加光滑，如圖5所示。

圖5 添加曲面修飾符

第四步，再次單擊“添加修飾符”并添加“置換修飾符”。在置換修改器的幫助下，可以使用之前制作的“云絮”紋理置換網(wǎng)格，如圖6所示。

圖6 紋理取代網(wǎng)格

第五步，網(wǎng)格移位過多時(shí)，可以調(diào)整參數(shù)來修復(fù)。通過改變“位移修飾符”的強(qiáng)度，得到如圖7所示結(jié)果。在對(duì)象模式下按鼠標(biāo)右鍵，上下文菜單中點(diǎn)擊“陰影平滑”，直到網(wǎng)格足夠光滑，但仍有一些可見的多邊形面。光滑的陰影使表面光滑，并覆蓋這些面孔。

圖7 修改修飾符強(qiáng)度

3.2 外部對(duì)象追加

此時(shí)可以添加或?qū)雽?duì)象，比如使用一個(gè)“粗壯樺樹”模型。如果有其他模型的Blender文件，可以通過單擊File-Append追加該模型，或者通過點(diǎn)擊File-Import導(dǎo)入一個(gè)其他格式的文件，如圖8所示。

圖8 “粗壯樺樹”模型

復(fù)制多個(gè)“粗壯樺樹模型”并將它們分布在地形中。使用“粒子系統(tǒng)”，點(diǎn)擊“粒子屬性”并添加一個(gè)新的粒子設(shè)置。如果希望對(duì)象保持靜態(tài)，將“發(fā)射器”更改為“毛發(fā)”，此時(shí)可以更改對(duì)象的數(shù)量，為對(duì)象實(shí)例添加粒子系統(tǒng)，將看到許多像毛發(fā)一樣的對(duì)象形成。在渲染下，選擇渲染為“物體”。在“物體”下選擇“實(shí)例物體”作為樹或任何其他對(duì)象。如對(duì)象的方向和大小不正確，可以通過禁用對(duì)象刻度以更正大小，如圖9所示。

圖9 使用粒子系統(tǒng)

啟用高級(jí)選項(xiàng)并點(diǎn)擊旋轉(zhuǎn)，選擇方向?yàn)椤盁o”，按下Space鍵，動(dòng)畫就會(huì)運(yùn)行。選擇希望實(shí)例對(duì)象區(qū)域更密集的頂點(diǎn)組。(建議使用“太陽光”)啟用“接觸陰影”，“接觸陰影”將使場(chǎng)景更優(yōu)化。把攝像機(jī)調(diào)到一個(gè)最適合場(chǎng)景的角度，通過按‘CTRL+ALT+Numpad 0’將相機(jī)設(shè)置為視口視圖。選擇結(jié)束點(diǎn)為‘140’。

在“渲染屬性”中，通過減少渲染采樣以使動(dòng)畫渲染更快，在“輸出屬性”中，將文件格式改為FFmpeg video。如要渲染動(dòng)畫，單擊“渲染-渲染動(dòng)畫”，最終的渲染效果將與此類似。

3.3 地震波效果仿真

在“對(duì)象模式”中，添加Wave修飾符，選擇平面，單擊“修飾符屬性”并添加一個(gè)Wave修飾符，波浪調(diào)節(jié)器可以增加波紋的網(wǎng)格影響。在添加波修飾符后，按下空格鍵，可以看到漣漪正在形成。

改變運(yùn)動(dòng)到X，調(diào)整波的高度。對(duì)于更真實(shí)的Wave類型，選擇之前創(chuàng)建的頂點(diǎn)組，現(xiàn)在按下空格鍵，動(dòng)畫看起來如下，可以在平面上添加物體，如圖10所示。

圖10 wave動(dòng)畫

4 地震影響程度可視化表征

使用權(quán)重繪制插件Weight Paint，首先創(chuàng)建一個(gè)頂點(diǎn)組，點(diǎn)擊“對(duì)象數(shù)據(jù)屬性”，在頂點(diǎn)組單擊“+”符號(hào)下，創(chuàng)建一個(gè)新的頂點(diǎn)組。在動(dòng)畫中使用“頂點(diǎn)組”，此頂點(diǎn)組將被繪制為砝碼。通過“權(quán)重繪制”，制作一個(gè)熱圖，并指定頂點(diǎn)或?qū)Σ糠志W(wǎng)格的影響。在“索具”、“修飾符”或“粒子系統(tǒng)”中使用這些頂點(diǎn)群，并在左上角將“對(duì)象模式”改為“權(quán)重繪制”。用重量值1(紅色區(qū)域)繪制受地震影響最大的部分，并用重量值0(藍(lán)色區(qū)域)繪制受影響較小的區(qū)域，重量值從頂部更改，如圖11所示。

圖11 地震烈度描述示意圖

5 討論

隨著信息化、機(jī)械化、智能化的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與仿真技術(shù)將在應(yīng)急領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。由此可見，將可視化仿真應(yīng)用于自然災(zāi)害(含地震、滑坡、泥石流等)方面，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和開發(fā)前景。此外，數(shù)字應(yīng)急是我國應(yīng)急十四五規(guī)劃明確提出的建設(shè)內(nèi)容，這也為防災(zāi)減災(zāi)科學(xué)與工程專業(yè)學(xué)生提前了解和掌握相關(guān)信息化知識(shí)提出了要求。因此，引入Blender平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地震災(zāi)害的可視化仿真和動(dòng)態(tài)演示，以創(chuàng)新的形式形象地展示了地震災(zāi)害的原理和特點(diǎn)，增加了課堂的趣味性，使學(xué)生能夠更深刻地認(rèn)識(shí)和理解地震災(zāi)害。

基于《災(zāi)害學(xué)》的特點(diǎn)和防災(zāi)減災(zāi)專業(yè)學(xué)生的需求，在滿足基礎(chǔ)理論教學(xué)的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生涉獵當(dāng)前熱門的大數(shù)據(jù)、人工智能等知識(shí)；引導(dǎo)學(xué)生積極開展大創(chuàng)活動(dòng)，為學(xué)生創(chuàng)造了更多的科技創(chuàng)新思路和方法；利用多學(xué)科知識(shí)開展相關(guān)教學(xué)活動(dòng)，培養(yǎng)出掌握有綜合性知識(shí)和實(shí)踐性技能的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。未來，在我校防災(zāi)減災(zāi)教學(xué)團(tuán)隊(duì)的策劃和指導(dǎo)之下，這些舉動(dòng)的實(shí)施將進(jìn)一步形成師生互動(dòng)、科教融合新局面，并形成“基礎(chǔ)理論+應(yīng)用知識(shí)+實(shí)操技能”的全方位培養(yǎng)模式。

未來將進(jìn)一步深入研究，在開展教學(xué)和指導(dǎo)學(xué)生大創(chuàng)的同時(shí)積極開展科學(xué)研究，利用Blender平臺(tái)模擬的典型災(zāi)害場(chǎng)景并服務(wù)于應(yīng)急領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)快速模擬災(zāi)害活動(dòng)，判斷可能造成的影響，為應(yīng)急救援過程和應(yīng)急救援?dāng)?shù)字化預(yù)案提供有力的技術(shù)支撐工具，使應(yīng)急救援更精準(zhǔn)、數(shù)字化應(yīng)急救援更客觀。

6 結(jié)論

(1) 利用Blender軟件對(duì)地震及地震效果的建模、仿真等均具有較好的模擬效果，且容易上手，且不需消耗大量的人力物力來支持完成整個(gè)地震災(zāi)害可視化程序的開發(fā)；此系統(tǒng)采用開源代碼，有利于地震建模工具的繼續(xù)開發(fā)，可充分利用該插件來開展諸如地震場(chǎng)景可視化構(gòu)建、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)仿真、模擬應(yīng)急和救援技術(shù)等幾個(gè)方面的研究。

(2) 以Blender平臺(tái)為研究基礎(chǔ)，結(jié)合Python等語言的編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地震災(zāi)害全過程的仿真模擬，研究方法具有成本低廉、人員需求量少、可拓展性更強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，后期開發(fā)人員可基于Web3D模型的建模方式進(jìn)一步完善地震相關(guān)知識(shí)的仿真模擬，有利于地震災(zāi)害知識(shí)的科普教學(xué)；且該軟件建立基于Python平臺(tái)的大量模型庫時(shí)，可同時(shí)對(duì)各種地震災(zāi)害產(chǎn)生后現(xiàn)場(chǎng)人員的快速疏散、避災(zāi)救援路線的優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿真與三維模型可視化設(shè)計(jì)等工作開展研究。

(3) 基于Blender軟件，防災(zāi)減災(zāi)專業(yè)本科生的科研訓(xùn)練方式具有很大優(yōu)勢(shì)：既培養(yǎng)了學(xué)生進(jìn)行三維地質(zhì)建模、四維地質(zhì)過程動(dòng)態(tài)模擬等實(shí)際操作能力；同時(shí)又在一定程度上解決了傳統(tǒng)地質(zhì)教學(xué)過程中的概念模型難以展示、野外教學(xué)又受天氣、場(chǎng)地和經(jīng)費(fèi)等問題的限制，使學(xué)生能更快掌握災(zāi)害現(xiàn)象及其內(nèi)在規(guī)律。該技術(shù)不僅十分有利于地震事件發(fā)生后災(zāi)區(qū)的抗震應(yīng)急及救災(zāi)搶險(xiǎn)工作，也對(duì)制定城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)策和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展綜合規(guī)劃具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。