焦其松， 張景發(fā)， 蔣洪波， 宿淵源， 王旭

(1.中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱　150080； 2.中國地震局地殼應(yīng)力研究所地殼

動力學(xué)重點實驗室，北京　100085)

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基于TLS技術(shù)的典型建筑物震害信息三維建模分析
——以彭州市白鹿中學(xué)為例

焦其松1，2， 張景發(fā)2， 蔣洪波2， 宿淵源2， 王旭2

(1.中國地震局工程力學(xué)研究所，哈爾濱150080； 2.中國地震局地殼應(yīng)力研究所地殼

動力學(xué)重點實驗室，北京100085)

摘要：傳統(tǒng)光學(xué)及雷達(dá)遙感技術(shù)在地震災(zāi)害損失評估中無法獲取建筑物立面破壞信息，對結(jié)構(gòu)已遭破壞，但頂面基本完好的建筑物識別能力較差。三維激光掃描技術(shù)(terrestrial laser scanning,TLS)可以獲取建筑物結(jié)構(gòu)破壞狀況的高精度三維信息。利用2013年10月23日RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀采集到的汶川地震震后彭州市白鹿中學(xué)的精細(xì)點云數(shù)據(jù)，通過不規(guī)則三角網(wǎng)建模和紋理貼圖等處理進(jìn)行三維建模分析，在此基礎(chǔ)上對建筑物的典型破壞特征及地表破裂情況進(jìn)行了詳細(xì)建模研究，真實再現(xiàn)了白鹿中學(xué)破壞場景，實現(xiàn)了震害信息的永久保存。研究結(jié)果表明： 位于斷層上盤的勤學(xué)樓整體無明顯破損； 位于下盤的求知樓損毀相對嚴(yán)重，普遍出現(xiàn)“X”形的共軛剪切裂縫、構(gòu)造柱斷裂及露筋等現(xiàn)象； 地震陡坎沉降量不大，高程剖面顯示現(xiàn)今該陡坎最低高度為205 cm，最高為231 cm，與GPS測量結(jié)果大致吻合。

關(guān)鍵詞：白鹿中學(xué)； 三維激光掃描(TLS)； 震害信息提取； 三維建模

0引言

隨著遙感數(shù)據(jù)多樣化和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，利用遙感技術(shù)探索與地震相關(guān)的信息已經(jīng)逐漸成為地震研究中的一個熱點，覆蓋了地震研究的方方面面[1]。遙感技術(shù)可以大范圍快速獲取地震造成的建筑物破壞信息并進(jìn)行損失評估，對于抗震救災(zāi)快速響應(yīng)、減少震害損失和災(zāi)后重建等具有重要意義，尤其是在2008年汶川地震及后續(xù)多次嚴(yán)重地震災(zāi)害中，多種遙感技術(shù)的應(yīng)用發(fā)揮了重要作用[2-5]。地面三維激光掃描技術(shù)(terrestrial laser scanning,TLS)是繼GPS之后的又一項測繪新技術(shù)，它利用激光測距快速、非接觸、高精度地獲取目標(biāo)對象表面高密度的空間坐標(biāo)，實現(xiàn)目標(biāo)三維信息提取與建模。其應(yīng)用領(lǐng)域早期主要集中于文物保護(hù)及工業(yè)逆向工程檢測。近年來，TLS不斷發(fā)展并日漸成熟，國內(nèi)對該技術(shù)的研究與應(yīng)用已逐漸興起并取得了一定成果，其應(yīng)用已經(jīng)拓展到土木工程、地質(zhì)調(diào)查、數(shù)字城市以及災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域[6-9]。傳統(tǒng)光學(xué)及雷達(dá)遙感技術(shù)獲取的建筑物破壞信息是宏觀的，雖然能較好地識別頂面破壞及完全倒塌的建筑物信息，但無法反映建筑物立面的破壞情況； 對于結(jié)構(gòu)已經(jīng)破壞，但頂面基本完好的建筑的識別能力更低，影響了損失評估精度。TLS則可以獲取建筑物結(jié)構(gòu)破壞的高精度三維信息，實現(xiàn)任意角度建筑物的側(cè)面損毀狀況及地表破裂特征的定量量測。

2008年5月12日汶川地震使正好位于龍門山前山斷裂帶上的彭州市白鹿中學(xué)慘遭破壞。該斷裂從學(xué)校中間穿過，斷裂兩側(cè)分別是中學(xué)的初中部求知樓和小學(xué)部勤學(xué)樓，兩樓體均為砌體結(jié)構(gòu)，承重墻體的構(gòu)造特點有別于當(dāng)?shù)氐钠胀ㄆ鲶w結(jié)構(gòu)。其中求知樓破壞嚴(yán)重，勤學(xué)樓基本完好，其破壞程度與普通等剛度砌體結(jié)構(gòu)破壞形式有很大不同，沒有出現(xiàn)底層破壞嚴(yán)重、上層結(jié)構(gòu)破壞較輕的一般形態(tài)，極具研究價值[10]。2013年10月23日筆者利用RIEGL VZ-1000三維激光掃描儀采集了白鹿中學(xué)的精細(xì)點云數(shù)據(jù)，并利用不規(guī)則三角網(wǎng)建模和紋理貼圖等處理進(jìn)行三維建模分析，在此基礎(chǔ)上選取建筑物典型破壞特征及地表破裂情況進(jìn)行了詳細(xì)建模研究。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)采集

1.1研究區(qū)概況

龍門山斷裂帶是汶川8.0級地震的發(fā)震構(gòu)造帶，其中前山斷裂帶穿過彭州市白鹿中學(xué)和湔江支流，并斷錯了河床、河漫灘和階地。地震發(fā)生后，在白鹿中學(xué)兩棟教學(xué)樓之間形成走向NE48°，右旋位移1 m，垂直位移1.8 m的地震陡坎。南東側(cè)的下盤距主斷面18 m處的求知樓地面破裂，教學(xué)樓墻體多處開裂，窗戶玻璃全部破損； 而上盤距離主斷面約7.6 m的勤學(xué)樓框架完好，且窗戶玻璃有部分保存完好，斷層下盤教學(xué)樓損壞大于上盤的教學(xué)樓[11-13]。

1.2數(shù)據(jù)采集

本次數(shù)據(jù)采集采用的儀器為VZ-1000，由奧地利RIEGL公司開發(fā)，整個系統(tǒng)由地面三維掃描儀(VZ-1000)、數(shù)碼相機(jī)(尼康D600)、后處理軟件(RISCAN Pro)、電源以及附屬設(shè)備構(gòu)成，其最大掃描距離為1 200 m，單次掃描精度為5 mm(100 m距離處，一次單點掃描)，激光發(fā)射頻率為300 000點/s，掃描視場范圍為100°×360°(垂直×水平)，為快速、高效及高精度地獲取震害信息提供了保障。掃描重點區(qū)域為白鹿中學(xué)的兩棟教學(xué)樓及樓間的地震陡坎。圖1為白鹿中學(xué)地貌特征及掃描儀站點位置平面圖。

圖1　白鹿中學(xué)地貌特征及掃描站點位置平面圖

在進(jìn)行站點勘查時先確定了站點的視角范圍，相鄰站點間保證有重疊區(qū)域，以利于后續(xù)數(shù)據(jù)拼接處理。根據(jù)現(xiàn)場實際情況合理制定了數(shù)據(jù)采集方案，共設(shè)置10個站點，掃描范圍覆蓋了研究區(qū)內(nèi)各類特征地形及震害建筑物特征。

2數(shù)據(jù)處理及建模

2.1數(shù)據(jù)處理

對三維激光掃描儀采集到的點云數(shù)據(jù)的處理主要包括噪聲剔除、點云匹配、區(qū)域分割裁剪、坐標(biāo)變換及點云抽稀等，其目的是為了將不同站點掃描獲得的點云進(jìn)行正確匹配，統(tǒng)一到特定的相對坐標(biāo)系中，以便對目標(biāo)進(jìn)行建模和定量化分析。

數(shù)據(jù)在采集過程中易受環(huán)境和系統(tǒng)本身的影響，如空氣中的水汽、儀器旋轉(zhuǎn)引起的抖動以及運(yùn)動物體的干擾等，因這些影響所導(dǎo)致的噪聲點主要包括空中懸浮的點和三維物體附近的孤立點等。儀器在出廠時曾經(jīng)過嚴(yán)格檢校，在非極端環(huán)境下使用時產(chǎn)生的誤差可以忽略不計。本次數(shù)據(jù)采集于秋季，當(dāng)?shù)貧夂虺睗瘢諝庵袣馊苣z含量較高，在點云數(shù)據(jù)中表現(xiàn)為低反射率、成團(tuán)聚集的點簇，對建模影響較大，因此，需進(jìn)行噪聲剔除工作。具體做法是將點云投影到正交平面上，以水平面為基準(zhǔn)，基于高程信息，手動刪除建筑物周圍以及空中飄浮的散點。由于掃描目標(biāo)范圍較大且地形復(fù)雜，激光掃描儀需要從不同位置、多視角進(jìn)行若干幅掃描，而掃描所得到的點云數(shù)據(jù)都是以掃描儀位置為零點的局部坐標(biāo)，因此必須對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配。白鹿中學(xué)測區(qū)范圍較小，點云重疊區(qū)域較大，相鄰站點之間同名點較多，因此采用基于多測站獲取重疊區(qū)域點云數(shù)據(jù)的方法進(jìn)行自動匹配。匹配前先將點云生成多面數(shù)據(jù)(polydata)，以降低匹配的復(fù)雜度和誤差，從而提高拼接效率； 然后在保證不影響曲面重構(gòu)和保持精度的情況下對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑，剔除冗余數(shù)據(jù)，降低原始點云數(shù)據(jù)密度以節(jié)省計算時間。匹配時首先導(dǎo)入一站點云數(shù)據(jù)作為起始匹配站點，再導(dǎo)入與之相鄰的點云數(shù)據(jù)，設(shè)置搜索距離，采用迭代最近點法(iterative closest point)搜索同名點，同名點之間采用最小二乘擬合法進(jìn)行計算直至拼接的誤差最小，完成數(shù)據(jù)拼接。為保證多站拼接的精度，將標(biāo)準(zhǔn)差小于0.005 mm的點視為完全匹配，得到的匹配結(jié)果如圖2(a)所示。最后將經(jīng)過幾何糾正的實景照片與點云數(shù)據(jù)精確配準(zhǔn)，將照片上每個像素點的RGB彩色信息提取出來并賦到相應(yīng)位置的點云上，實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)的真彩色顯示。賦色之后的點云能夠較好地顯示地表信息，如圖2(b)所示。

(a) 點云匹配效果(b) 點云賦色效果

圖2白鹿中學(xué)局部點云

Fig.2Partial point clouds of Bailu middle school

2.2不規(guī)則三角網(wǎng)建模

利用激光三維掃描儀獲取的原始點云是不連續(xù)的離散點，對其進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)建模，變成連續(xù)的曲面可以更加直觀地顯示震害信息。 RISCAN Pro三角網(wǎng)建模方法分為基于平面投影和基于極點投影2種，這2種方法在地形建模上有一定的優(yōu)勢而在建筑物建模上優(yōu)勢不大。因此，本文將建筑物及地震陡坎分割以后分別建模，再通過紋理貼圖得到點云重建的真三維模型，如圖3所示。

圖3　白鹿中學(xué)三維建模效果

3結(jié)果分析

在汶川地震中，白鹿中學(xué)教學(xué)樓破壞嚴(yán)重，其中砌體結(jié)構(gòu)的破壞尤為嚴(yán)重。圖4為求知樓背面墻體的一組“X”形的共軛剪切裂縫三維建模圖，原始點云按0.01 m間距抽稀以后進(jìn)行不規(guī)則三角網(wǎng)建模，然后在保證精度和模型曲率的條件下合并冗余三角形，對三角網(wǎng)模型進(jìn)行簡化(圖4b)。墻體裂縫通過計算模型曲率顯示，最后利用照片對其進(jìn)行紋理貼圖，得到該組裂縫的真三維模型，真實再現(xiàn)了墻體破壞情況。白鹿中學(xué)兩棟教學(xué)樓距斷層最近，位于斷層上盤的勤學(xué)樓隨上盤的逆沖整體上移而相對位置抬高，房屋框架完好，墻面有剝落的痕跡，整體無明顯破損； 位于下盤的求知樓在上盤擠壓作用下，墻體受到剪切破壞，并沿粘結(jié)強(qiáng)度最薄弱、應(yīng)力最集中的地方(窗臺下方)裂開，普遍出現(xiàn)“X”形的共軛剪切裂縫、構(gòu)造柱斷裂及露筋等現(xiàn)象。

地震發(fā)生時，求知樓與勤學(xué)樓之間的水泥地面經(jīng)歷了瞬時性的逆沖和構(gòu)造縮短形變過程，形成長度約65 m的地震陡坎。任俊杰等[11]震后地表調(diào)查發(fā)現(xiàn)白鹿中學(xué)坐落于T2階地面老陡坎坡面上(圖1)，GPS測量結(jié)果表明穿過白鹿中學(xué)水泥地面陡坎測線的垂直位錯量為(196±20) cm[13]。

(a) 點云渲染(b) 不規(guī)則三角網(wǎng)建模

(c) 模型曲率 (d) 真實紋理貼

圖4求知樓“X”形共軛剪切裂縫三維建模

Fig.43D model of “X”-shaped conjugate shear fracture in Qiuzhi building

圖5為三維激光掃描儀采集的點云數(shù)據(jù)不規(guī)則三角網(wǎng)建模結(jié)果。

圖5　地震陡坎不規(guī)則三角網(wǎng)建模及剖面圖

由于白鹿中學(xué)現(xiàn)今已劃為地震遺址進(jìn)行保護(hù)，人為破壞較小，而且在震后遺留的水泥地板支撐保護(hù)下，陡坎沉降量不大，高程剖面顯示現(xiàn)今該陡坎最低高度為205 cm，最高為231 cm，與GPS測量結(jié)果大致吻合。

4結(jié)論

1)本文利用RIEGL VZ-1000 TLS采集了震后彭州市白鹿中學(xué)教學(xué)樓及地震陡坎的高精度點云數(shù)據(jù)，并利用不規(guī)則三角網(wǎng)建模和紋理貼圖等處理進(jìn)行三維建模分析; 在此基礎(chǔ)上選取建筑物典型破壞特征及地表破裂的產(chǎn)狀信息進(jìn)行了詳細(xì)建模研究，實現(xiàn)了任意角度建筑物的表面損毀狀況及地表破裂特征的定量量測，真實再現(xiàn)了現(xiàn)今白鹿中學(xué)遭受破壞的場景，實現(xiàn)了震害信息的永久保存，為科研人員進(jìn)行進(jìn)一步研究分析提供了可能。本次數(shù)據(jù)采集及建模精度可以達(dá)到mm級。

2)與傳統(tǒng)GPS基于單點的測量方法相比，TLS數(shù)據(jù)采集速度快、分辨率和精度高且屬于非接觸式測量，可以在很多復(fù)雜環(huán)境下應(yīng)用，未來必將成為傳統(tǒng)的地震地質(zhì)調(diào)查、房屋結(jié)構(gòu)調(diào)查及分析的重要手段。

3)本文只對損壞程度較小且外形基本完整的房屋進(jìn)行了模型重建。因此在后續(xù)工作中還要進(jìn)一步研究多種復(fù)雜形狀與受損程度的建筑物，以及地表破裂的三維模擬重建技術(shù)，以實現(xiàn)對地震災(zāi)害更為有效的評估。

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(責(zé)任編輯： 刁淑娟)

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.InstituteofEngineeringMechanics,CEA,Harbin150080,China; 2.InstituteofCrustalDynamics,CEA,Beijing100085,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.

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

作者簡介：第一 焦其松(1985-)，男，博士研究生，主要從事遙感地質(zhì)方面的研究。Email： 1985jqs@163.com。

中圖法分類號：TP 79

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-070X(2016)01-0166-06

基金項目：中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)專項(編號： J2213802)和國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(編號： 2012AA121304)共同資助。

收稿日期：2014-09-09；

修訂日期：2014-11-02

doi:10.6046/gtzyyg.2016.01.24

引用格式： 焦其松,張景發(fā),蔣洪波,等.基于TLS技術(shù)的典型建筑物震害信息三維建模分析——以彭州市白鹿中學(xué)為例[J].國土資源遙感，2016，28(1)：166-171.(Jiao Q S,Zhang J F,Jiang H B,et al.Typical earthquake damage extraction and three-dimensional modeling analysis based on terrestrial laser scanning:A case study of Bailu middle school of Pengzhou City[J].Remote Sensing for Land and Resources,2016,28(1)：166-171.)