基于TLS技术的典型建筑物震害信息三维建模分析——以彭州市白鹿中学为例
焦其松1,2, 张景发2, 蒋洪波2, 宿渊源2, 王旭2
1.中国地震局工程力学研究所,哈尔滨 150080
2.中国地震局地壳应力研究所地壳动力学重点实验室,北京 100085

第一作者简介: 焦其松(1985-),男,博士研究生,主要从事遥感地质方面的研究。Email:1985jqs@163.com

摘要

传统光学及雷达遥感技术在地震灾害损失评估中无法获取建筑物立面破坏信息,对结构已遭破坏,但顶面基本完好的建筑物识别能力较差。三维激光扫描技术(terrestrial laser scanning,TLS)可以获取建筑物结构破坏状况的高精度三维信息。利用2013年10月23日RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪采集到的汶川地震震后彭州市白鹿中学的精细点云数据,通过不规则三角网建模和纹理贴图等处理进行三维建模分析,在此基础上对建筑物的典型破坏特征及地表破裂情况进行了详细建模研究,真实再现了白鹿中学破坏场景,实现了震害信息的永久保存。研究结果表明: 位于断层上盘的勤学楼整体无明显破损; 位于下盘的求知楼损毁相对严重,普遍出现“X”形的共轭剪切裂缝、构造柱断裂及露筋等现象; 地震陡坎沉降量不大,高程剖面显示现今该陡坎最低高度为205 cm,最高为231 cm,与GPS测量结果大致吻合。

关键词: 白鹿中学; 三维激光扫描(TLS); 震害信息提取; 三维建模
文献标志码:A 文章编号:1001-070X(2016)01-0166-06 doi: 10.6046/gtzyyg.2016.01.24
Typical earthquake damage extraction and three-dimensional modeling analysis based on terrestrial laser scanning: A case study of Bailu middle school of Pengzhou city
JIAO Qisong1,2, ZHANG Jingfa2, JIANG Hongbo2, SU Yuanyuan2, WANG Xu2
1. Institute of Engineering Mechanics, CEA, Harbin 150080, China
2. Institute of Crustal Dynamics, CEA, Beijing 100085, China
Abstract

Traditional optical and Radar remote sensing technology fails to acquire the building facade damage in the case of earthquake damage assessment. The capability of identifying the buildings whose structure has been destroyed and whose roof top is basically complete is poor. This reduces the assessment accuracy. However, terrestrial laser scanning could acquire the high precision 3D information of the damaged structure. Using RIEGL VZ-1000 laser scanner, the authors collected laser point clouds data of Bailu middle school on October 23, 2013. The point clouds were used to conduct 3D modeling and analysis through triangular irregular network modeling and texture mapping. On such a basis, a detailed modeling study was carried out on the typical architectural damage characteristics and surface rupture destruction. The authors achieved damaged buildings surface observation at any angle and quantitative measurement of the surface rupture through point clouds 3D modeling. The results truly reproduced the current scene of Bailu middle school after earthquake and permanently preserved the damage information. The results showed that the Qinxue building located on the hanging wall had no significant damage, whereas the Qiuzhi building located on the heading wall was seriously damaged. “X”-shaped conjugate shear fracture, structural column fracture, rebar exposure and other phenomena were widespread. The earthquake scarp settlement was small and the scarp elevation profile showed that the minimum and maximum height was 205cm and 231cm respectively. This was consistent with the GPS measurements.

Keyword: Bailu middle school; terrestrial laser scanning(TLS); earthquake damage extraction; 3D modeling
0 引言

随着遥感数据多样化和数据处理技术的发展, 利用遥感技术探索与地震相关的信息已经逐渐成为地震研究中的一个热点, 覆盖了地震研究的方方面面[1]。遥感技术可以大范围快速获取地震造成的建筑物破坏信息并进行损失评估, 对于抗震救灾快速响应、减少震害损失和灾后重建等具有重要意义, 尤其是在2008年汶川地震及后续多次严重地震灾害中, 多种遥感技术的应用发挥了重要作用[2, 3, 4, 5]。地面三维激光扫描技术(terrestrial laser scanning, TLS)是继GPS之后的又一项测绘新技术, 它利用激光测距快速、非接触、高精度地获取目标对象表面高密度的空间坐标, 实现目标三维信息提取与建模。其应用领域早期主要集中于文物保护及工业逆向工程检测。近年来, TLS不断发展并日渐成熟, 国内对该技术的研究与应用已逐渐兴起并取得了一定成果, 其应用已经拓展到土木工程、地质调查、数字城市以及灾害监测等领域[6, 7, 8, 9]。传统光学及雷达遥感技术获取的建筑物破坏信息是宏观的, 虽然能较好地识别顶面破坏及完全倒塌的建筑物信息, 但无法反映建筑物立面的破坏情况; 对于结构已经破坏, 但顶面基本完好的建筑的识别能力更低, 影响了损失评估精度。TLS则可以获取建筑物结构破坏的高精度三维信息, 实现任意角度建筑物的侧面损毁状况及地表破裂特征的定量量测。

2008年5月12日汶川地震使正好位于龙门山前山断裂带上的彭州市白鹿中学惨遭破坏。该断裂从学校中间穿过, 断裂两侧分别是中学的初中部求知楼和小学部勤学楼, 两楼体均为砌体结构, 承重墙体的构造特点有别于当地的普通砌体结构。其中求知楼破坏严重, 勤学楼基本完好, 其破坏程度与普通等刚度砌体结构破坏形式有很大不同, 没有出现底层破坏严重、上层结构破坏较轻的一般形态, 极具研究价值[10]。2013年10月23日笔者利用RIEGL VZ-1000三维激光扫描仪采集了白鹿中学的精细点云数据, 并利用不规则三角网建模和纹理贴图等处理进行三维建模分析, 在此基础上选取建筑物典型破坏特征及地表破裂情况进行了详细建模研究。

1 研究区概况及数据采集
1.1 研究区概况

龙门山断裂带是汶川8.0级地震的发震构造带, 其中前山断裂带穿过彭州市白鹿中学和湔江支流, 并断错了河床、河漫滩和阶地。地震发生后, 在白鹿中学两栋教学楼之间形成走向NE48° , 右旋位移1 m, 垂直位移1.8 m的地震陡坎。南东侧的下盘距主断面18 m处的求知楼地面破裂, 教学楼墙体多处开裂, 窗户玻璃全部破损; 而上盘距离主断面约7.6 m的勤学楼框架完好, 且窗户玻璃有部分保存完好, 断层下盘教学楼损坏大于上盘的教学楼[11, 12, 13]

1.2 数据采集

本次数据采集采用的仪器为VZ-1000, 由奥地利RIEGL公司开发, 整个系统由地面三维扫描仪(VZ-1000)、数码相机(尼康D600)、后处理软件(RISCAN Pro)、电源以及附属设备构成, 其最大扫描距离为1 200 m, 单次扫描精度为5 mm(100 m距离处, 一次单点扫描), 激光发射频率为300 000点/s, 扫描视场范围为100° × 360° (垂直× 水平), 为快速、高效及高精度地获取震害信息提供了保障。扫描重点区域为白鹿中学的两栋教学楼及楼间的地震陡坎。图1为白鹿中学地貌特征及扫描仪站点位置平面图。

图1 白鹿中学地貌特征及扫描站点位置平面图(据任俊杰[11]等修改, 2008)Fig.1 Geomorphic feature and scanner position map of Bailu middle school

在进行站点勘查时先确定了站点的视角范围, 相邻站点间保证有重叠区域, 以利于后续数据拼接处理。根据现场实际情况合理制定了数据采集方案, 共设置10个站点, 扫描范围覆盖了研究区内各类特征地形及震害建筑物特征。

2 数据处理及建模
2.1 数据处理

对三维激光扫描仪采集到的点云数据的处理主要包括噪声剔除、点云匹配、区域分割裁剪、坐标变换及点云抽稀等, 其目的是为了将不同站点扫描获得的点云进行正确匹配, 统一到特定的相对坐标系中, 以便对目标进行建模和定量化分析。

数据在采集过程中易受环境和系统本身的影响, 如空气中的水汽、仪器旋转引起的抖动以及运动物体的干扰等, 因这些影响所导致的噪声点主要包括空中悬浮的点和三维物体附近的孤立点等。仪器在出厂时曾经过严格检校, 在非极端环境下使用时产生的误差可以忽略不计。本次数据采集于秋季, 当地气候潮湿, 空气中气溶胶含量较高, 在点云数据中表现为低反射率、成团聚集的点簇, 对建模影响较大, 因此, 需进行噪声剔除工作。具体做法是将点云投影到正交平面上, 以水平面为基准, 基于高程信息, 手动删除建筑物周围以及空中飘浮的散点。由于扫描目标范围较大且地形复杂, 激光扫描仪需要从不同位置、多视角进行若干幅扫描, 而扫描所得到的点云数据都是以扫描仪位置为零点的局部坐标, 因此必须对点云数据进行匹配。白鹿中学测区范围较小, 点云重叠区域较大, 相邻站点之间同名点较多, 因此采用基于多测站获取重叠区域点云数据的方法进行自动匹配。匹配前先将点云生成多面数据(polydata), 以降低匹配的复杂度和误差, 从而提高拼接效率; 然后在保证不影响曲面重构和保持精度的情况下对点云数据进行平滑, 剔除冗余数据, 降低原始点云数据密度以节省计算时间。匹配时首先导入一站点云数据作为起始匹配站点, 再导入与之相邻的点云数据, 设置搜索距离, 采用迭代最近点法(iterative closest point)搜索同名点, 同名点之间采用最小二乘拟合法进行计算直至拼接的误差最小, 完成数据拼接。为保证多站拼接的精度, 将标准差小于0.005 mm的点视为完全匹配, 得到的匹配结果如图2(a)所示。最后将经过几何纠正的实景照片与点云数据精确配准, 将照片上每个像素点的RGB彩色信息提取出来并赋到相应位置的点云上, 实现点云数据的真彩色显示。赋色之后的点云能够较好地显示地表信息, 如图2(b)所示。

图2 白鹿中学局部点云Fig.2 Partial point clouds of Bailu middle school

2.2 不规则三角网建模

利用激光三维扫描仪获取的原始点云是不连续的离散点, 对其进行不规则三角网建模, 变成连续的曲面可以更加直观地显示震害信息。 RISCAN Pro三角网建模方法分为基于平面投影和基于极点投影2种, 这2种方法在地形建模上有一定的优势而在建筑物建模上优势不大。因此, 本文将建筑物及地震陡坎分割以后分别建模, 再通过纹理贴图得到点云重建的真三维模型, 如图3所示。

图3 白鹿中学三维建模效果Fig.3 3D model of Bailu middle school

3 结果分析

在汶川地震中, 白鹿中学教学楼破坏严重, 其中砌体结构的破坏尤为严重。图4为求知楼背面墙体的一组“ X” 形的共轭剪切裂缝三维建模图, 原始点云按0.01 m间距抽稀以后进行不规则三角网建模, 然后在保证精度和模型曲率的条件下合并冗余三角形, 对三角网模型进行简化(图4b)。墙体裂缝通过计算模型曲率显示, 最后利用照片对其进行纹理贴图, 得到该组裂缝的真三维模型, 真实再现了墙体破坏情况。白鹿中学两栋教学楼距断层最近, 位于断层上盘的勤学楼随上盘的逆冲整体上移而相对位置抬高, 房屋框架完好, 墙面有剥落的痕迹, 整体无明显破损; 位于下盘的求知楼在上盘挤压作用下, 墙体受到剪切破坏, 并沿粘结强度最薄弱、应力最集中的地方(窗台下方)裂开, 普遍出现“ X” 形的共轭剪切裂缝、构造柱断裂及露筋等现象。

地震发生时, 求知楼与勤学楼之间的水泥地面经历了瞬时性的逆冲和构造缩短形变过程, 形成长度约65 m的地震陡坎。任俊杰等[11]震后地表调查发现白鹿中学坐落于T2阶地面老陡坎坡面上(图1), GPS测量结果表明穿过白鹿中学水泥地面陡坎测线的垂直位错量为(196± 20) cm[13]

图4 求知楼“ X” 形共轭剪切裂缝三维建模Fig.4 3D model of “ X” -shaped conjugate shear fracture in Qiuzhi building

图5为三维激光扫描仪采集的点云数据不规则三角网建模结果。

图5 地震陡坎不规则三角网建模及剖面图Fig.5 Triangulated irregular network and height profile of the earthquake scarp

由于白鹿中学现今已划为地震遗址进行保护, 人为破坏较小, 而且在震后遗留的水泥地板支撑保护下, 陡坎沉降量不大, 高程剖面显示现今该陡坎最低高度为205 cm, 最高为231 cm, 与GPS测量结果大致吻合。

4 结论

1)本文利用RIEGL VZ-1000 TLS采集了震后彭州市白鹿中学教学楼及地震陡坎的高精度点云数据, 并利用不规则三角网建模和纹理贴图等处理进行三维建模分析; 在此基础上选取建筑物典型破坏特征及地表破裂的产状信息进行了详细建模研究, 实现了任意角度建筑物的表面损毁状况及地表破裂特征的定量量测, 真实再现了现今白鹿中学遭受破坏的场景, 实现了震害信息的永久保存, 为科研人员进行进一步研究分析提供了可能。本次数据采集及建模精度可以达到mm级。

2)与传统GPS基于单点的测量方法相比, TLS数据采集速度快、分辨率和精度高且属于非接触式测量, 可以在很多复杂环境下应用, 未来必将成为传统的地震地质调查、房屋结构调查及分析的重要手段。

3)本文只对损坏程度较小且外形基本完整的房屋进行了模型重建。因此在后续工作中还要进一步研究多种复杂形状与受损程度的建筑物, 以及地表破裂的三维模拟重建技术, 以实现对地震灾害更为有效的评估。

The authors have declared that no competing interests exist.

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