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基于三维GIS技术的地震灾情模拟系统研究

作　者: 谷国梁
导　师: 姜立新
学　校: 中国地震局地震预测研究所
专　业: 固体地球物理
关键词: Google SketchUp 三维GIS 震害可视化震害损失分析三维震害模拟系统
分类号: P315.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

我国是受地震灾害最为严重的国家之一，其地震活动具有频度高、强度大、震源浅，分布广的特点。地震的突发性和破坏性（尤其是特大地震）对人民的生命和财产造成巨大的损失，在财产和人口高度集中的城市地区更是严重，在地震还不能准确预报的今天，地震灾害损失分析工作在减轻地震带来的经济损失和人员伤亡方面十分重要。GIS技术近年来发展迅速，已经应用在地震数据库建设、地震灾害预测和损失评估、地震区划工作等领域，并且取得了一些成果，但是这些成果大多是以二维图表形式表示结果，不能够直观的显示建筑物空间特征，三维建模技术的不断发展和人们对三维空间信息需求的增加为三维地震灾害研究工作提供了支持和时机。科学的地震救援工作要求保障幸存人员和救援人员两方面的安全，研究表明如果救援人员对灾害现场环境和建筑物破坏情况有充分的了解，可以提高地震应急救援工作的效率，减少救援过程中的人员伤亡，因此，三维地震灾情模拟系统的研究具有现实意义。本文研究了三维GIS技术和建筑物的震害可视化相结合的方法，完成了三维地震灾情模拟系统的原型设计和初步实现，旨在为震后应急救援、虚拟救援训练和地震科普教学等方面提供帮助。地震中的经济损失和人员伤亡大多是由于建筑物的破坏造成的，其中砌体结构建筑物在我国应用范围广、数量多，因此，对砌体结构建筑震害特征的研究就有其重要意义。本文通过查阅历史地震中砌体结构建筑物的震害资料，结合收集到的建筑物震害图片对砌体结构建筑物的典型震害位置、震害特征规律进行了总结归纳。本文对目前主流的三维建模方法和三维建模软件进行了总结，并分析了方法和软件的优缺点、适用性。考虑到GIS软件制作的三维模型真实感不足，而三维建模软件又缺乏GIS分析功能，因此，本研究将两者相结合进行三维建模，把地物分为点、线、面三类，利用Google SketchUp分别进行三维模型制作，重点介绍了建筑物建模，普通建筑物采用依据高度属性拉伸形成盒子状模型的方法建模，重点建筑物在Google SketchUp中建模，然后将模型转换为GIS支持的MultiPatch格式导入到GIS环境中进行显示分析。本文还研究了利用Photoshop将建筑物纹理和震害特征结合用于建筑物震害模型制作的方法，验证了利用贴图法表达震害特征的可行性。此外，利用ArcGIS Engine组件进行开发，完成了三维地震灾情模拟系统。系统由二维模块和三维模块两部分组成，实现了地震发生后，地震烈度影响场生成、建筑物震害预测、三维震害场景建立、浏览以及查询等功能。最后本文对工作中发现的一些问题进行了讨论，例如贴图法对建筑物上酥裂和墙体变形现象、穿透墙体大而深的裂缝的表达效果不理想。在文章的最后提出了对这些问题思考和下一步工作的展望。

全文目录

目录  4-7
摘要  7-9
Abstract  9-11
第一章绪论  11-25
  1.1 引言  11-14
  1.2 国内外研究现状  14-20
    1.2.1 震害损失分析、震害模拟的国内外研究现状  14-17
    1.2.2 GIS 在地震领域的应用现状  17-20
  1.3 选题依据及意义  20-21
  1.4 本文的研究思路  21-25
    1.4.1 研究思路  21-22
    1.4.2 各章的安排  22-25
第二章建筑物的震害等级、震害特征总结及分析  25-39
  2.1 房屋的破坏等级划分  25-27
  2.2 砌体结构破坏等级标准和参考  27-28
  2.3 砌体结构的典型震害  28-34
    2.3.1 倒塌  28-30
    2.3.2 墙体破坏  30-32
    2.3.3 构造柱、砖柱以及圈梁破坏  32-33
    2.3.4 附属物破坏  33-34
  2.4 砌体结构的震害总结分析  34-39
第三章城市三维建模技术  39-57
  3.1 建模方法和建模软件的介绍  39-45
    3.1.1 底层开发  39-40
    3.1.2 GIS 平台二次开发三维建模  40-42
    3.1.3 三维软件三维建模  42-44
    3.1.4 建模方法和建模软件的比较  44-45
  3.2 地物建模  45-48
    3.2.1 点状要素建模  45
    3.2.2 线状要素建模  45-46
    3.2.3 面状要素建模  46-48
  3.3 建筑物震害模型  48-53
    3.3.1 震害信息提取和震害表示  49-51
    3.3.2 震害模型及数据转换  51-53
  3.4 地震影响场和建筑物震害方法调用  53-57
第四章地震现场灾情三维模拟的技术实现  57-69
  4.1 系统总设计  57-63
    4.1.1 系统总设计思路  57-58
    4.1.2 ArcGIS Engine 概念  58-61
    4.1.3 系统功能设计  61-62
    4.1.4 系统数据库  62-63
  4.2 部分功能实现  63-67
    4.2.1 烈度影响场生成  63
    4.2.2 震害预测方法实现  63-64
    4.2.3 三维场景生成  64
    4.2.4 普通建筑物建模和震害表示  64-65
    4.2.5 重点建筑物加载模型和震害模型替换  65-66
    4.2.6 场景浏览  66-67
  4.3 震前震后场景展示  67-69
第五章讨论及展望  69-71
  5.1 讨论  69-70
  5.2 展望  70-71
参考文献  71-75
致谢  75
作者简介  75

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