云南红河县城区房屋地震灾害三维仿真模拟方法

杜浩国 陈亮 林旭川 卢永坤 张方浩 杨琪 邓树荣 和仕芳 曹彦波 余庆坤

摘要：对云南省红河县城区房屋建造年代、结构类型、设防等级、楼层、层高、面积、外观形状及所处地形等进行调查，并采用无人机航拍遥感技术、地理空间信息技术和三维仿真建模技术，对红河县城区进行地震灾害三维仿真模拟评估，得出不同烈度下城区房屋的破坏程度及分布情况。最后将评估结果与滇南地区历史地震造成的房屋破坏情况进行对比。结果表明：红河县城区三维仿真与滇南地区历史地震房屋面积破坏比相近，地震灾害三维仿真系统在房屋破坏动态可视化方面优势明显，因此使用该方法模拟评估地震灾害对房屋造成的影响是可行的。

关键词：地震灾害;三维仿真建模;地理空间信息技术;高原山地;无人机航拍

中图分类号：P315.945   文献标识码：A   文章编号：1000-0666（2019）02-0218-12

0 引言

房屋是城市各项活动的主要载体，其抗震性能与城市的抗震能力密切相关，历史地震的震害经验表明，房屋倒塌往往是造成人员伤亡与财产损失的重要原因（李永强等，2010）。有效加强城市地震灾害预防，提升城市抗震设防能力是建筑和地震领域面临的重要问题，采用三维仿真建模技术进行地震灾害模拟评估是当前地震灾害模拟的重要手段之一。近年来无人机航拍遥感技术和地理空间信息技术发展迅速，已经被成熟应用于地震数据库建设、地震灾害损失评估、灾害预测和地震烈度图划分等方面（陈晋等，2018;邓树荣等，2018;于江等，2018）。仿真模拟将无人机高分辨率的航拍图作为建模数据基础，与地理信息空间技术相融合，并根据建筑物的建造年代、用途、设防等级、房屋结构、楼层、层高、面积、外观形状等信息（明小娜等，2018），可综合模拟出在不同地震烈度下房屋破损的三维动态可视化信息。

国际上已经有许多国家进行了地震灾害三维仿真模拟评估方面的研究，如1964年新泄大地震后，日本开始对地震灾害预测进行研究;2002年日本开展“大城市大地震减灾特别研究项目”，其中的 “反映大城市特征的地震灾害高端模拟技术的开发”是基于地理信息空间技术建立房屋模型，通过超级计算机构建了整个东京市的建筑物三维可视化模型。在国内，李建成等（2009）提出在构建三维地理信息空间技术应用的基础上融合二维ArcGIS的功能，通过二维ArcGIS和三维ArcGIS交替完成工作，实现了具有三维地形和地物的显示以及鹰眼功能;杨泽（2006）利用3DS MAX制作出平房建筑物在不同等级下的震害模型，进一步利用ArcGIS开发完成了其三维显示;胡长理（2009）通过模拟多层砌体结构的震害情况，根据使用功能的不同，利用3DS MAX建立了多个砌体结构模型，模拟砌体结构及城市级建筑群震害，并采用不同颜色区分破坏情况;赵鹏（2010）采用3DS MAX对信息比较完整的框架结构房屋进行了单体模拟;林旭川和叶列平（2012）通过引入基于结构广义刚度的构建重要性指标，提出了考虑构建重要程度差异的RC框架结构抗震优化设计方法;林旭川（2017）构建了城市建筑群地震灾害数值仿真系统，并对我国东部某大型城区的70多万建筑物进行震害分析，模拟出不同损伤程度面积、非结构构件的损伤程度、建筑地震灾害风险评估指标、城市可恢复性指标等。

综上所述，地震灾害三维仿真模拟技术已趋于成熟，对三维模拟数据的精确度也有了更高的要求。以往研究主要集中于单栋建筑或以传统卫星遥感影像为基础的建筑群，采用卫星遥感影像获取地形地貌及房屋楼面面积时，存在影像分辨率低、时效性差的问题，更重要的是房屋形状和面积的勾画精度难以保证。随着无人机技术的不断发展，影像实时性、高分辨率的特点开始发挥优势，使得利用无人机获取高精度的房屋形状和面积成为可能（段福洲，赵文吉，2010;付箫等，2018;王之等，2018）。

云南省是全国地震灾害频发的省份之一，地震活动具有频度高、强度大、分布范围广等特点，许多县城建立于高原山地上，房屋结构类型复杂，地震灾害风险高（周光全等，2009;卢永坤等，2006），对云南典型的山地县城进行地震灾害三维仿真模拟有利于提升其地震灾害预防和抗震设防能力。本文以云南省红河县城区为研究对象，开展高原山地县城地震灾害三维仿真模拟评估，利用无人机对红河县城區进行全方位航拍提取遥感信息，采用地理信息空间技术把实地调查的房屋数据与无人机航拍遥感信息相融合，再通过城市建筑群地震灾害数值仿真系统（林旭川等，2009）进行地震灾害三维仿真，并与滇南地区历史地震造成的房屋破坏情况（周光全，2011）进行对比分析。

1 研究区概况

红河县位于云南省南部，隶属红河哈尼族彝族自治州，地处红河流域与勐龙河流域之间的迤萨梁子顶端，是云南省典型的高原山地县城之一（张建国等，2008），也是云南省地质灾害高易发区。境内河谷狭窄，地势特点大致为中部高，南北低，山地面积大。县城城区地质构造复杂，地处横断山脉纵谷区的南缘和哀牢山余脉地区，新构造运动强烈，峰峦起伏，沟壑纵横，冲沟发育，岸坡陡峻，软弱岩体发育（李西等，2016），人类活动过程强烈，地质灾害不断孕育。该县人口密度高，房屋建筑结构类型较多，抗震性能有待加强。为打破“城市发展”与“地质灾害”僵持的局面，红河县开展了一系列地震灾害综合防治，效果显著。但地震具有突发性，地震灾害的预防和房屋抗震性能的提升问题依旧严峻，对红河县城区进行地震灾害三维仿真模拟评估，可为该县的规划及防灾减灾工作提供科学依据。

2 研究方法

2.1 技术路线

采用无人机航拍遥感技术、三维仿真模拟技术、地理信息空间技术三者相结合的方法对云南红河县城区房屋地震灾害进行三维（动态）可视化研究。由图1可见，数据收集是基础，主要对红河县城区房屋结构、层数等信息进行实地调查收集，并采用无人机航拍遥感技术，得到红河县城区高清航拍影像图和高精度地形高程图。数据处理主要是采用地理信息空间技术对无人机高清航拍影像图中的建筑物框架进行勾选，并与红河县城区实地调查的房屋数据相融合。地理信息空间基础建模是把房屋结构、楼层、所处地形等主要信息汇集于红河县城区地理信息空间基础模型中，得出基于地理信息空间的红河县城区房屋+地形的三维模型。地震灾害三维仿真模拟系统主要是把房屋建造年代、结构类型、层高、楼层、面积、所处地形等采用一定的算法和公式建立相关性，构建出红河县城区地震灾害三维仿真（动态）模拟系统，输入不同的地震烈度参数，可模拟出红河城区房屋三维破坏（动态）可视化信息。对比分析主要是将红河县城区房屋仿真模拟结果与所属滇南地区历史地震造成的房屋破坏情况进行对比分析，验证模拟评估的准确性和可靠性。

对红河县城区在设定地震基本加速度值为50，100，150，200，300，400及600 gal时造成的房屋破坏仿真结果分别进行数据提取分析，结果如表6所示。从表中可看出，当加速度值为50 gal时，房屋主要为轻微和中度破坏，无损伤房屋面积很少，房屋大多是钢结构和框架结构，主要是新建行政楼，这是由于红河县城区约有一半房屋未达到抗  由于红河县区域内无历史地震，因此，笔者利用数理统计法对2000—2018年红河县所属滇南地区的历史地震进行统计分析（表7），得到滇南地区历史地震在烈度为Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度下房屋破坏比。

由式（1）得到滇南地区历史地震房屋面积破坏比平均值，并与红河县城区地震灾害三维仿真系统中房屋面积破坏比进行比较（表8）。其中，红河县城区房屋面积破坏比为红河县城区在不同的烈度下（Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度）汇总了所有房屋的破坏情况。

由表8可知，红河县城区三维仿真房屋面积破坏比与滇南地区历史地震房屋面积破坏比相近，尤其是在中等和严重等级。而对于房屋面积轻微破坏比，红河县城区三维仿真结果中只占15.5%，其原因一方面是由于红河县城区位于斜坡上（图9），房屋位置斜坡坡度已超过60°，即使是震级小的地震也有可能会导致大面积的滑坡;另一方面是由于模拟震中位置为城中心，对城中心房屋密集区域破坏更严重。因此，相同震级的地震，对红河县城区房屋的破坏更为严重，即60%以上的房屋面积为中等破坏。

6 结论和讨论

本文采用无人机对云南红河县城区进行航拍、实地收集房屋数据并提取地形高程图，证明了地震灾害三维仿真模拟系统中数据的准确性;并根据房屋建造年代、用途、設防等级、房屋结构、层数、层高、面积、外观形状等综合因素进行研究，采用一定的算法融合于三维仿真技术中;将模拟结果与滇南历史地震房屋面积破坏比进行对比分析，证明了地震灾害三维仿真模拟系统仿真结果的可靠性。与传统的震害预测相比，地震灾害三维仿真系统在房屋破坏动态可视化方面优势明显。但本文的仿真模拟系统主要以房屋破坏为主要方向，如果后期能把整个城市的道路、桥梁、通信、电力以某一种算法或公式加入地震灾害三维仿真模拟系统中，使用优化后的系统再对整个城市进行全面评估，这样不仅对整个城市地震灾害预防和抗震设防能力提升起重要作用，而且对整个城市的规划和发展也有很大的帮助。

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