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区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。

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。

将所有收集到的房屋和地形信息进行地震灾害三维仿真模拟,再将不同的房屋结构对应不同的弹簧剪切力模型,地震灾害三维仿真模拟系统对输入的数据进行自动修正、快速建模和地震响应计算,最后给出红河县城区地震灾害三维仿真模拟动态结果。由于选取的红河县城区范围小,房屋总数只有7 370栋,采用一般的移动工作站就能快速计算出结果。图8为红河县房屋城区在烈度为Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度破坏情况下的三维仿真(动态可视化)结果。模型的可视化信息包括不同视角的红河县城区房屋变形和位移过程,系统可实现红河县城区每栋建筑、不同时间、不同烈度下的地震响应。表4为抗震设防烈度与设计基本地震加速度值的对应关系。将房屋破坏分为5个等级,用不同的颜色表示,如表5所示。从图8a可看出,烈度为Ⅵ度时整个城区房屋基本受影响,其中房屋中度(绿色)破坏的居多,主要是新建居民房屋,分布在城区周边滑坡上; 严重破坏的主要是老旧居民楼和厂房,分布于红河县城区中。随着输入的地震加速度不断增大,烈度不断升高,房屋严重(土黄色)和毁坏(红色)数量不断增加,破坏面积不断扩大。当烈度到达Ⅸ度时(图8d),有一半以上房屋毁坏(红色),其余的房屋基本都是严重(土黄色)破坏和中度(绿色)破坏,没有无损伤的房屋。

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

表4 抗震设防烈度和设计基本地震加速度值的对应关系
Tab.4 Correspondence between the intensity of seismic fortification and the acceleration of design basic seismic

表5 地震灾害三维仿真模拟评估房屋破坏等级定义
Tab.5 The house damage level definition of 3D simulation and evaluation of earthquake disaster

震设防标准; 当加速度值为100 gal时,整个城区房屋都有不同程度的受损; 当加速度值达到200 gal时,房屋最低破坏等级已达中度及以上; 当加速度值达到400 gal时,有房屋出现严重破坏和倒塌,并随着地震基本加速度值的不断增加,房屋严重破坏和倒塌数量不断增加。

图8 烈度为Ⅵ度(a)、Ⅶ度(b)、Ⅷ度(c)、Ⅸ度(d)时造成的红河县房屋破坏仿真结果
Fig.8 Simulation results of house damage in Honghe County caused by intensity of Ⅵ(a),Ⅶ(b),Ⅷ(c),and Ⅸ(d)in Honghe County

表6 红河县房屋面积破坏仿真结果
Tab.6 The simulation results of destruction of housing area in Honghe County

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。

表7 2000—2017年云南滇南境内历史地震
Tab.7 The historical earthquakes in south Yunnan from 2000 to 2017

表8 红河县与滇南地区历史地震房屋面积破坏比对比(%)
Tab.8 The comparison of housing area damage ratio between Honghe County and historical earthquakes in south Yunnan(%)

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。

图9 红河县城区周围房屋破坏照片
Fig.9 The photos of houses damage around Honghe County

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、设防等级、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。