大城市建筑物抗震性能排查及災害情景構建系統*

李 晉，張 移

(廣東省地震局，廣東 廣州 510070)

隨著我國人口、財富和產業不斷向城市群聚集，大城市內超高層建筑、高速鐵路、大型橋梁等各種類型的重大生命線工程設施眾多、系統繁雜，城鎮部分老舊民房抗震能力仍舊低下，有些城市聚集區處于我國地震重點監視防御區，存在發生破壞性地震危險或受破壞性地震影響可能造成嚴重災害損失，面對強震災害風險挑戰的應對準備措施依然不足，公眾缺乏應對大震大災的經驗[1]。黨和政府高度重視防災減災救災能力建設，正在有計劃推進全國地震災害風險調查和風險評估工作。

情景構建技術在災害治理與管理領域的應用日趨深入[2-5]，地震災害情景構建已被多個國家應用于防震備災工作。在我國開展大城市地震災害情景構建也是防震減災工作的一項重要任務，許多專家在各自領域，對其理論、方法、應用有所研究[6-11]。通過情景構建技術，人們可以對地震造成的災害影響有更為直觀的認識，進而更輕松地掌握地震災害可能造成的影響，更有效啟發人們如何有效應對地震災害[12]。

因此，收集地震災害風險普查的海量多源數據，采集大城市實景三維數據，建設高精度海量基礎地理數據庫、大城市三維實景數據庫、地震災害風險評估專業數據庫以及防震減災信息數據庫等，打造城市三維實景化、立體化、現代化的建筑物抗震性能普查及災害情景構建系統，以實現對風險普查的海量多源數據的管理、應用、示范，并構建、分析與展示地震災害及其應急對策行動的一體化情景。

在設定地震或模擬實際地震下，系統動態分析與展示建筑物、生命線工程的損毀及分布情況、評估次生災害影響、人員傷亡與經濟損失情況等災害場景，以及模擬災害的應急救援、醫療救治等應急處置措施。依據風險評估與分析，平時為政府與公眾提供城市防震減災基礎信息、建筑物、生命線工程、次生災害源、避難場所等基礎數據查詢及防震減災科普知識宣傳教育服務。震后為政府提供災害救援輔助決策服務，系統分析和評估建筑物和生命線工程的地震易損性，評估次生災害影響以及人員傷亡與經濟損失的情況，并結合斷裂、滑坡、液化等不利場地，給出城市地震災害潛在風險源，建筑物、生命線工程等承災體的風險點，服務于國土資源利用和城市建設規劃以及震后應急救援與災后重建。此外，還可為相關行業及其它災害防御、城市科學化管理提供基礎資料信息服務。

1 系統總體設計

建筑物抗震性能排查及災害情景構建系統以二/三維數據為基礎，基于三維渲染、海量數據存取、客戶端緩存、GIS空間分析、面向對象、WebService、虛擬現實、多源空間數據集成等多種高新技術進行研究開發，并協同基礎地理數據，建筑物、生命線工程、次生災害、人員經濟等數據，形成具有多源數據的高精度專業數據庫，建設基于地震風險評估的三維災害情景構建系統，實現災情評估、地震應急救援、應急響應處置過程的展示，為政府提供輔助決策、為社會公眾提供地震應急避難指引等服務(圖1)。

圖1 系統UI設計圖

1.1 總體架構

基于地震風險評估的建筑物抗震性能排查及災害情景構建系統軟件采用云技術框架,基于B/S架構,具有良好擴展性和靈活性。系統總體框架如圖2所示。

軟件總體框架由硬件環境層、數據采集層、數據存儲層、系統服務層、三維實景應用層等部分組成。

數據采集層，采用多種手段、設備采集系統所需的多源數據。

數據存儲層，從“地震基礎數據信息資源整合與處理”開始，接入(數據交換)應急數據相關單位或人工采集基礎信息資源，整合并建立災害情景基礎數據信息資源庫。

系統服務層，基于數據存儲層提供的災害情景信息資源數據庫，提供各種專業服務，包括數據抽取、專題圖制作、開發服務及應用拓展等。

三維實景應用層，基于系統服務層提供的專業服務，支撐系統整體的應用服務。

1.2 技術實現方案

系統涉及到數據工程和系統開發工程，首先對基礎數據進行整理建庫，再使用無人機傾斜攝影拍攝，建立實景三維模型作為系統的地圖基礎數據，真實的反映地物的實際情況，然后以二、三維融合一體化數據為基礎搭建三維系統平臺，最后在系統的支撐下，實現地震災害三維展示，包括地震危險性分析、地震風險評估、輔助決策、協同辦公等功能。

系統總體設計采用B/S方式設計，通過WebGL技術實現前端的三維呈現。從使用邏輯來看，系統以服務器為基礎，一方面為數據標準化管理提供數據存儲目錄；另一方面，向WEB端提供數據訪問和展示服務。

地震災害情景構建平臺各組成系統的技術特點和職責有較大差異，但每個組成系統都要遵循MVC架構模式和SOA面向服務架構，并運用Web Service技術實現前后端數據的交互和展示。

1.3 系統功能設計

系統功能設定是以三維展示為基礎，在展示的基礎上，按照地震災害風險評估的業務流程，進行業務功能的層層遞進開發。功能邏輯關聯如圖3所示。

圖2 系統總體架構圖

圖3 系統三級功能邏輯關聯圖

2 系統關鍵技術

2.1 重點技術分析

基于地震風險評估的建筑物抗震性能排查及災害情景構建系統有四項重點技術。一是航空三維實景，它是系統的核心基礎地圖數據，也是系統的特點和亮點。航空三維實景提供真實的基于圖像紋理的全區范圍三維數據，內容信息豐富，包含城市鳥瞰信息和建筑物等側面信息，真實三維是智慧城市信息化基礎設施的必要組成部分，提供統一的空間信息基礎；二是數據更新，數據是系統運行的血液，空間地理信息和業務數據都會發生變化，尤其是業務數據變化頻度更高，因此，為了保持數據的時效性，在平臺層面提供數據更新的工具，使業務部門可以自己維護本部門數據；三是地圖服務，系統提供工作區統一的二維及三維地圖服務，能夠基于服務接口快速完成地圖模塊的搭建，為地震應急、決策指揮等應用系統提供統一的地圖支持，引領政府各部門基于三維時空信息開展行業深度應用；四是自動上圖展示，提供平臺和工具給使用者調用，將各行業不斷豐富的數據匯聚到本系統中，提供快速上圖服務，推動各部門共同建設、豐富平臺能力與數據，打造協同運營、良性循環的平臺生態環境。

2.2 難點分析

2.2.1 多源數據融合展示

系統包含無人機采集的區域三維實景、地面基礎二維數據、遙感影像、專業專題數據等多個圖層，數據類型各有不同，空間數據與一般數據并存，對此多結構多類型的數據進行協同顯示，以及二維、三維數據同系統顯示是本系統難點之一。在實施過程中，將通過空間匹配技術及三維實景數據分級分層顯示的方法，解決多源數據融合展示的難點。制定多源異構數據空間匹配技術標準，進一步拓展多來源、多格式、多時空、多比例尺、多語義性的源數據融合展示，使多源數據真正形成相互關聯、相互銜接、相互協同的一張圖。

2.2.2 跨平臺地圖應用

為了方便用戶使用，提升用戶使用體驗，系統應用環境主要是通過互聯網及移動互聯網對地圖進行展示及應用，終端設備包括PC機、手機、平板電腦等，操作系統包括Windows、Android、iOS等，系統需要支持用戶跨終端地圖應用。

2.2.3 地圖數據在線更新

地圖數據采集與處理具有很強的專業性，為了保持數據的現勢性，系統平臺支持矢量數據等進行在線更新，支持用戶通過多種渠道將采集生成的數據自主進行更新。在項目實施過程中，將通過網格分塊、控制點匹配等技術實現更新數據與原始數據的配準與更新。

2.3 系統關鍵技術和創新點

2.3.1 超大城市場景實景三維自動化重建技術

基于武漢大學自主研發的重建超算引擎G-Engine，具備成熟穩健的空三自由網平差算法、影像自動增強、智能特征提取、勻光勻色等多步驟深度優化能力，海量數據分區塊聯合處理能力，使得模型生產效率更高，模型精度與質量更佳。

2.3.2 海量數據輕量化加載展示調度技術

在數據生產階段，采用內容感知重建，在不影響幾何精度的情況下，提高建模效率，減少模型數據量，同時采用幾何和紋理優化技術，簡化模型幾何結構，增強紋理顯示效果。在數據轉換階段，將模型轉換成適用于網絡發布與快速檢索的多次層次細節模型格式，提升模型數據在網絡的傳輸與檢索效率。在服務發布階段，將轉換后的模型數據進行分布式存儲和緩存調度，利用服務調度預加載技術，提升服務調度效率。在應用加載階段，根據比例尺和角度選擇性加載模型有效的層次和細節，采用LOD技術，根據模型的不同復雜程度和加載特點，對模型的不同區域采取不同細節的描述和繪制，實現超大面積實景三維數據秒級加載。

2.3.3 多源異構數據協同展示技術

融合實景三維數據、遙感影像數據、地理基礎數據、地震小區劃數據、震害預測專題數據等不同來源、格式、比例尺的源數據，進行多源異構數據協同顯示。

2.3.4 基于真實數學預測模型的地震情景仿真構建技術

根據真實地震傳播機制和區域地震構造背景確定合理地震動輸入場，根據地震模擬參數引入數學評估模型，對地震災害動態發展進行模擬，并實現三維可視化。應用優選指標體系和優化決策理論算法構建優化決策模型，對工作區內的建筑物、生命線、次生災害源等因素進行分析，分析在不同地震影響下，建筑物、生命線工程的破壞情況，與工作區可能出現的人員傷亡情況和經濟損失，為震前基礎工程加固與震后應急指揮決策提供依據。

3 系統集成

基于地震風險評估的建筑物抗震性能排查及災害情景構建系統的部署是基于B/S模式，在不同的部署模式下，其應用子系統集成時也會有所不同。

系統采用分層架構集成基于地震風險評估的建筑物抗震性能排查及災害情景構建系統，包括數據支撐層、應用服務層、Web應用層和用戶層。數據層以實景三維模型、基礎地理底圖為基礎底座，搭載災情構建的建筑物、生命線工程等數據，形成專題數據庫；服務層基于數據層的地震災害情景信息數據庫提供對外服務，包括數據訪問、專題圖制作、應用擴展接口以及開發服務等。在web應用層集成各類地圖服務與功能構件進行地震模擬、震害評估、輔助決策等業務場景歸類和整合，滿足在政務網、web瀏覽器、移動端等多終端用戶的快速登錄、訪問、瀏覽與交互(圖4)。

圖4 基于B/S模式集成方式圖

3.1 集成要求

為了對各應用開發子系統的功能、用戶權限和模型庫統一管理，各子系統需要進行有效集成，統一用戶界面將是不可或缺的要求，系統集成時在系統框架、具體的用戶界面等方面都要求界面統一，樣式一致。在對基于地震風險評估的建筑物抗震性能排查及災害情景構建系統的各綜合應用子系統進行集成時，必須將各子系統的需求和功能進行規整，并對各子系統的功能構件進行歸類，以便系統集成管理。集成的各綜合應用子系統與系統的關系既相互獨立，又相互銜接。

基于地震風險評估的建筑物抗震性能排查及災害情景構建系統支持動態擴展功能，即當各綜合應用子系統的功能模塊發生變化時，相應功能隨各子系統的功能模塊變化而變化。各綜合應用子系統在集成時充分考慮各子系統在運行時的計算時間、對數據I/O量等性能要求，對各子系統各項參數進行合理配置，使整個GIS綜合管理信息平臺的效率達到最優。

3.2 集成內容

系統功能集成主要是為實現地震災害風險評估以及建筑物抗震性能排查的各專業子系統功能的擴展、共享、開發、集成與管理。形成標準的對外數據信息服務以及與其他業務系統互通的接口，為擴展應用系統提供基礎保障。

系統模型庫集成主要是為實現各應用模塊的規范管理與共享。本系統的風險評估模型庫的集成，主要是通過模型庫管理器提供的功能來實現，以此達到對模型的入庫、集成、查詢、修改、獲取等功能的集成管理。

4 系統平臺的實現

采用地震災害風險評估技術，開展建筑物和生命線工程地震災害過程模擬，給出設定地震下建筑物及生命線工程易損性結果，評估地震次生災害、人員傷亡、經濟損失，建立不同烈度地震下的大城市三維震害情景，在此基礎上制定針對不同等級地震的應急處置措施和具體方案，給出救援物資需求、分析醫療救護力量、分析災民安置與避險避難方案等具體行動處置措施，并將成果集成到地震災害情景構建云平臺。實現在不同地震作用下的地震災害情景、災害處置對策以及救援力量物資的分析與展示功能，同時通過多種媒介和手段進行宣傳和推廣。

4.1 三維綜合展示

三維綜合展示系統基于基礎二、三維數據，提供相關工具在三維實景地圖的基礎上對地圖化的業務數據進行地圖查看、屬性查看、空間分析等工作。實景地圖以共享數據為基礎，提供內容管理、視圖管理、瀏覽管理、統計分析、測量工具、標注工具、分析工具、演示工具等(圖5)。

圖5 三維綜合展示功能

4.2 災害情景構建

地震災害情景構建以三維數據為基礎，通過模擬計算震后的建筑物、生命線工程的破壞情景，推演次生災害影響等，動態模擬大城市在地震發生后的受災情況，系統可全局、立體、直觀的展示出城市受災情景，為震后應急救援提供有效地幫助。

(1)數據概覽。數據概覽支持全研究區域、多種交互方式的單體建筑物數據、生命線工程、次生災害、經濟人口、對策分析等基礎數據查詢及展示，其中建筑基本信息包括建筑年代、地理位置、結構類型、高度、層數、設防等數據以3D方式直觀展示(圖6)。

(2)地震危險性分析。查看分析測區相關的三維地震地質構造，包括地貌、工程地震場地條件、地震小區劃、砂土液化預測、工程地質分布和巖土分布等，點擊可以查看對應的專題圖信息。

(3)震害分析評估。在設定地震參數或選擇典型地震案例后，基于所給參數和地震烈度模型，基于三維空間數據，模擬地震烈度圖，以此完成對建筑物、生命線工程、次生災害源的震害分析，并對人員傷亡、經濟損失、高危害區域做出評估，為救援力量、救援物資需求提出輔助參考(圖7)。

圖6 數據概覽功能

圖7 系統部分功能

建筑物震害模擬?；跀祿Ｐ?，提供多種統計方式，包括所有建筑數量、重要建筑數量，以及分析各烈度范圍內建筑物的受損數量、建筑破壞程度分布情況。在輸入地震信息后，可對地震區域范圍內受災建筑樓宇群進行地震晃動模擬，以三維可視化方式對建筑受力狀態進行仿真，可為人員疏散、建筑結構穩定性提供高效直觀評估。

生命線工程震害模擬。對生命線工程進行震害預測，包括地下系統：供水、供氣、電力、通訊，以及交通設施：主干道、橋梁、隧道。

次生災害震害評估。主要評估危險化學品、易燃易爆品、油庫、加油站等容易造成二次災害的地物，在地震中可能遭受的損失，及其對周邊的影響。

經濟損失與人員傷亡評估。依據建筑物和生命線工程的風險評估結果，對地震造成的經濟財產損失與人員傷亡進行評估，并按照行政區、街道和烈度范圍進行分別統計。

(4)輔助決策。開展地震災害救援力量需求評估、救援物資需求以及次生災害震害等應急預案的調用和分析，提供地震災害應急輔助決策功能。根據地震結果識別重點災區，統計災區內受災情況，并支持設定相應的救災方案和地圖標繪。

(5)震災預防。運用三維數據可視化顯示地震數據三維空間信息及時空變化關系的狀況。根據建筑物、生命線工程震害情況，提供建筑處理建議和管線薄弱環境，支持根據街道和處理方案進行分類統計。

(6)地震知識庫。匯聚歷史地震目錄、地震法律法規，借助多媒體形式，為公眾提供地震基礎知識、防震應急救護、災害預防等科普信息，從政府到人民，從科研到公眾的全方位地震教育覆蓋。支持資料查詢、傳播、下載、打印、輸出等功能，傳播形式包括文本、圖片、視頻等。

4.3 系統管理

系統管理員可對系統的資源和運行進行配置、控制和管理，包括用戶身份管理、系統資源配置、系統運行的異常處理，支持管理本地和(或)異地災難備份與復盤等。同時具備用戶管理、組織機構管理、角色管理、權限管理、審批管理、日志管理、模型參數管理以及元數據管理等功能。

5 結束語

基于地震風險評估的大城市建筑抗震性能排查與情景構建系統在集成基礎電子地圖、遙感影像圖、高精度實景三維數據、建筑物基本信息、生命線系統數據、次生災害數據等多源數據的基礎上，開展地震災害風險評估模型分析計算，推演評估地震災害情景，并構建超大城市實景三維孿生底座，實現對城市地震災害情景進行三維仿真模擬，可服務于震災防御和城市規劃建設，促進城市治理體系和治理能力現代化。應用優選指標體系和優化決策理論算法構建優化決策模型，評估城市地震災害風險薄弱環節，可服務于決策者指揮地震災害救援，有效提高救援能力和救援效率。