地震三维灾情影像图生成技术系统研究*

马 霁 陈化然 何宇飞 刘晓灿李金垚 贺同江 邱 虎

1)北京市地震局，北京 100080

2)中国地震局地球物理研究所，北京 100081

3)天津市地震局，天津 300201

地震三维灾情影像图生成技术系统研究*

马 霁1)陈化然2)何宇飞2)刘晓灿2)李金垚3)贺同江3)邱 虎3)

1)北京市地震局，北京 100080

2)中国地震局地球物理研究所，北京 100081

3)天津市地震局，天津 300201

本文将计算机技术、遥感技术、地理信息系统、图形图像处理相结合，建立三维矢量数学模型，通过三维可视化技术，形象化地描述灾区的受灾状况和受灾程度，对三维地理空间信息进行可视化管理，实现快速查询、检索、显示、输出、统计、分析及三维可视化，为基于地理信息的决策和管理提供一个真三维的立体可视平台，为地震应急决策部门进行灾害的决策和管理提供三维可视化仿真环境系统。

地震灾害;应急和决策;三维模型;可视化

引言

地震发生后，地震灾害评估结果是领导、决策者非常关心的内容，也是领导指挥决策的重要依据，同时能够科学指导救援人员的抢救工作。因此，研究和开发“三维灾情影像图显示系统”，一旦发生地震，就可以根据对地震灾区的数字高程模型(DEM)数据和影像数据进行分析处理，生成灾区地震前后的三维景观图，并将重要地物在地图上快速标识，非常直观。对比地震前后的三维景观图，可以得到重点建筑物破坏情况的各种数据，并直接在影像图中进行标示，这不仅对科学制定应急救援对策和抗震救灾计划十分有用，而且可以指导灾区的恢复与重建工作。

本文研究的目的是将计算机技术、遥感技术、地理信息系统、图形图像处理相结合，建立三维矢量数学模型，通过三维可视化技术，形象化地描述灾区的受灾状况和受灾程度，对三维地理空间信息进行可视化管理，实现快速查询、检索、显示、输出、统计、分析及三维可视化，为基于地理信息的决策和管理提供一个真三维的立体可视平台，为决策部门进行灾害的决策和管理提供三维可视化仿真环境系统［1-2］。

1 三维灾情影像图技术系统研究内容和思路

三维灾情影像图技术系统主要内容是:研究基于客户/服务器(C/S)结构的灾区立体图像快速生成技术，在地震发生时能够快速形成灾区的三维矢量化立体电子影像，并将重要地物在地图上快速标识出来。包括: (1)利用三维可视化的理论、技术和方法，建立地理信息系统(GIS)技术下的基于C/S模式的地震灾区立体图像快速生成系统平台;(2)结合DEM数据、遥感影像数据、航空影像数据等，研究建模算法，建立相应模型，快速形成灾区的三维矢量立体影像图; (3)根据灾区重要地物信息数据，进行分类，并分别各类重要地物(建筑物、生命线等)震前、震后三维影像模型，在三维矢量影像图上标示其位置及地震前后的三维影像;(4)除提供基本的放大、缩小功能和漫游等显示功能外，初步完成使用者可以以第一人称视角进行漫游或者全图飞行漫游。

本文研究思路为:

(1)设立实验区，选择某一城市作为研究实验区。

(2)收集资料，包括收集受损地图图片资料、试验区基础地理数据、航空遥感影像数据和DEM等数据。

(3)建立模型，通过收集的受损图片资料，建立典型地物(房屋、桥梁等)灾前、灾后不同地震灾害程度的三维模型。

(4)三维虚拟环境构建，在收集的试验区基础地理数据、航空遥感影像数据和DEM等数据基础上，通过处理形成三维矢量化电子影像地图背景。

2 三维灾情影像图软件系统的研发

2.1 三维灾害影像图技术系统的开发

“三维灾害影像图技术系统”主要功能是完成三维场景的建立、三维显示、灾情分析和三维模型管理，以及项目所使用的各种资源的管理等。其整体架构如图1所示。

图1 三维灾害影像图技术系统整体架构图

三维灾害影像图技术系统主要包括以下几个模块:三维场景建立模块、三维灾害影像模拟模块、三维灾害场景浏览模块、重点目标标注模块、三维模型管理模块、典型震害浏览模块。

(1)三维场景建立模块:三维场景建立模块主要用于基于遥感影像图、数字高程DEM数据、基础地理数据等使用此部分功能进行地震发生前区域三维立体场景的建立，主要功能包括:DEM叠加、影像叠加、三维矢量场景生成。

(2)三维灾害影像模拟模块:三维灾害影像模拟模块主要用于自动生成灾后三维场景，包括现场灾害调查模拟、快速灾害评估模拟和灾害图像自动播放功能。

灾害图像自动播放功能可以对所播放的图像进行分类，目前项目中分为三类，轻度破坏、中度破坏和严重破坏，用户也可以自己分类。

(3)三维灾害场景浏览模块:三维灾害场景浏览模块主要用于浏览三维灾害场景，包括导航、轨道飞行、移动、漫步、缩放、自动浏览等。

(4)重点目标标注模块:重点目标标注模块用于手动和自动的标注三维场景中的重要目标物，手动标注包括点标注、线标注、填充标注以及文字的标注。

(5)三维模型管理模块:三维模型管理模块主要完成对项目中单个三维模型的管理。

(6)典型震害浏览模块:典型震害浏览模块主要完成对一些典型灾害资料的管理。

3 三维灾情影像图系统的初步结果

3.1 建立地震灾害模型库

对地震发生后单个地物破损状况使用3D max软件进行模型模拟，建立了地震灾害模型库，模型库按照不同地区、不同类型、常见的地物分为:平房、低层、多层和高层建筑模型，总共40套;每一套模型建筑物受损情况按照目前行业内常用的分类方式(表1)进行划分，共分为5种:基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、毁坏。这些灾害模型为以后相关研究及其实际应用提供了较丰富的资源。

3.2 地震灾害的三维模拟

地震发生后，为了更加详细和直观地查看地震现场受灾状况，可以使用系统中提供的“现场图片自动播放”功能，将现场拍摄的现场灾害照片在系统分类播放。同时，借助系统的“快速灾害评估模拟”和“现场灾害调查模拟”两种方法，可以对现场的灾害状况进行模拟。其中，“快速灾害评估模拟”方法，是根据地震震级和烈度，应用“应急灾害基础数据库”数据，模拟显示灾区的灾情三维模拟影响。“现场灾害调查模拟”方法，是根据现场人员实地灾情调查情况，给出某个地区房屋破坏的百分率(如:60%房屋倒塌)，本系统将对地震灾害情况进行模拟，给出三维灾情模拟图像。

表1 建筑物受损情况分类表

以下以模拟某城市地震灾害为例，给出三维灾害影像图，这些影像均可以拉大、缩小，并进行飞行巡视等。

(1)现场灾害图片播放。现场采集的现场灾害图片按照不同的受灾等级可以分为:轻微破坏、中等破坏、严重破坏和完全倒塌。篇幅所限，这里只给出“完全倒塌”影像图(图2)。

图2 完全倒塌远景

(2)城市区域三维灾害模拟。城市三维灾害模拟试验区建立在北方某城市，使用数据主要包括基础地理矢量数据，城市重要地物。采用“快速灾害评估模拟”和“现场灾害调查模拟”两种方法进行模拟，图3—4为三维模拟影像(篇幅所限，这里只给出部分结果)。其中，图3为“快速灾害评估模拟”方法得到的某城市7～8度烈度的三维灾害影像，图4为“现场灾害调查模拟”方法得到的某城市70～80%建筑物破坏的三维灾害影像。

4 结论与讨论

本文研究结果有如下特点:

(1)三维灾害模拟——形象直观。目前，利用地理信息系统、图形图像处理技术和三维可视化技术，进行三维建模的相关技术主要包括:Google Earth、虚拟现实建模(VRML)、Open GL、ARC GIS(ARC IMS、ARC Globe)等。本研究考虑稳定性、安全性、保密性、通用性以及与现有软件系统的一致性等，选择了ARC GIS作为开发平台，形象化地模拟灾区的受灾状况和受灾程度，此种方法在国内地震研究方法中还不多见，本研究成果起码能起到“抛砖引玉”的作用。

(2)震后灾害模拟——灵活方便。灾害场景显示可包含图片、影像、FLASH、三维立体模型3D等形式。考虑实际应用的可操作性、交互性、动态显示等特点，本研究采用了3D建模方法开发此系统，不仅包括了模型远景图片(卫星和航片)，而且包括了近景模型(单体和群体)等。本研究使用三维模型个体进行场景的建设是目前比较常见的三维场景建立方式，有研究曾用单体建筑物模拟不同震级下建筑物受损情况，但群体建筑物的破坏模拟为首次。

图3 “快速灾害评估模拟”方法得到的某城市7—8度烈度的三维灾害影像

图4“现场灾害调查模拟”方法得到的某城市70—80%建筑物破坏的三维灾害影像

本系统采用“现场灾害调查模拟”和“快速灾害评估模拟”两种方法，模拟地震发生后现场建筑物受灾情况，符合行业内对地震灾害应急的两种主要评估手段，即现场勘查和监测，满足了震后快速建立三维灾害影像场景的需要，为震后地震应急辅助决策提供了直观、形象的现场模拟。

(3)3D 地物模型——分类丰富。对地震前后单个地物破损状况使用3D max软件进行模型模拟，建立了地震灾害模型库，总共包含了200多个单体三维建筑物模型，并可以进行组合。

模型库按照不同地区、不同类型、常见的地物分为:平房、低层、多层和高层建筑模型，总共40套;每一套模型建筑物受损情况按照目前行业内常用的分类方式进行划分，共分为5种:基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏、完全毁坏。这些为以后相关研究及其实际应用提供了较丰富的资源。

(作者电子信箱，陈化然:chenhuaran2008@126. com)

［1］丁香，王晓青，姜立新.地震灾害损失现场评估的计算机辅助系统.地震，1998(3):286--292

［2］张风华，谢礼立.城市防震减灾能力评估研究.自然灾害学报，2001，10(4):57--64

Technical System for 3D Image Map of Earthquake Disaster Affection

Ma Ji1)，Chen Huaran2)，He Yufei2)，Liu Xiaocan2)，Li Jinyao2)，He Tongjiang3)and Qiu Hu3)
1)Earthquake Administration of Beijing Municipality，Beijing 100080，China
2)Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China
3)Earthquake Administration of Tianjin Municipality，Tianjin 300201，China

In this study，computer technology，remote sensing technique，geographic information system and image processing are combined to construct a 3D vector mathematical model. Through 3D visualization technology，disaster affection in earthquake stricken areas can be visually described，and visual management of geospatial information can be realized.Quick search，display，output，statistics and analysis can also be achieved.Thus，a visualization platform has been constructed for geographic information-based decision-making and management and a 3D visual simulation system has been established for relevant departments to take proper measures in earthquake precaution and relief work.

earthquake disaster;emergency response and decision making;3D model;visualization

P316;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.01.009

2008-11-03;

2008-11-20。

“十一五”国家科技支撑计划“三维灾情影像图技术系统研究”(2006BAC13B03-0501)支持。