Application of 3D Imaging Technique in Basic Data Investigation of Disaster Bearing Body—A Case of Turpan City, Xinjiang Uygur Autonomous Region
-
摘要: 承灾体基础数据是地震灾害评估的核心数据，是制定防灾减灾政策的基础，具有十分重要的地位。数据获取主要靠野外调查，费时费力，研究承灾体数据的快速获取方法刻不容缓。本文以新疆维吾尔自治区吐鲁番市主城区为例，对三维影像技术在承灾体基础数据调查中的应用进行了研究，以无人机倾斜摄影测量数据为基础，运用三维模型构建、遥感信息提取与地理信息系统空间分析方法，进行区域房屋基础数据信息提取，获取了研究区真实房屋空间分布、结构类型、建筑面积及层数等数据，为该地区地震预测预防、地震应急、震时救灾以及震后恢复等防震减灾工作服务。Abstract: The basic data of disaster bearing body is the core data of earthquake disaster assessment, and is the foundation of the policy-making in disaster prevention and mitigation. In past data acquisition was mainly based on field investigation, which is time-consuming and laborious. So it is important to develop the method of rapid acquisition of disaster bearing body data. Taking Turpan city as an example, we studied the application of 3D imaging technique in the basic data investigation of disaster bearing body. In this paper, based on oblique photogrammetric data of unmanned aerial vehicle (UAV), 3D model construction, RS information extraction and GIS spatial analysis methods are applied to extract the basic information of regional houses. Then the spatial distribution, structure type, building area and number of stories of the buildings are obtained. The above data is essential for the regional earthquake disaster mitigation, such as earthquake prediction and disaster prevention before earthquake, emergency management and disaster relief after earthquake.
-
Key words:
- 3D model /
- UAV /
- Remote sensing /
- Disaster bearing body /
- Turpan
-
1. 引言
随着能源需求的持续快速增长，中国核电建设已经由适度发展进入积极推进、由沿海规划到内陆规划的时期（周伯昌等，2008），关于核电厂的研究工作也正在大量开展。本研究结合目前工程实际，以某高温气冷堆核电厂建筑结构为原形，探讨不同的建筑结构有限元计算模型在核电厂建筑结构模态分析中的影响。
模态分析用于分析结构的自振特性，即结构的自振频率和振型，是承受动态载荷结构设计中的重要参数，同时也可作为其他动力学分析问题的起点，例如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析，模态分析也是进行谱分析、模态叠加法谱响应分析、瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。
有限元模型是进行有限元分析的数学模型，它为计算提供所有原始数据。模型的形式选取直接影响计算精度、计算时间、所需内外存大小及计算过程能否完成。本研究在考虑上述影响因子的基础上，建立2种不同的结构模型，即Solid模型和Shell模型，进行模态分析，并做对比研究，探讨高温气冷堆核电厂建筑结构的振动特性。
2. 高温气冷堆核电厂建筑结构有限元建模及模态分析
2.1 有限元计算模型
模态分析由4个主要步骤组成：（1）建模；（2）加载及求解；（3）扩展模态；（4）结果与处理。在这4个步骤中，最重要的是建模，建模完成后有限元分析软件将自动生成总体质量矩阵M和总体刚度矩阵K。建模主要包括：（1）选择单元类型；（2）定义单元特性（材料特性和截面特性）；（3）根据结构划分单元（傅志方等，2000）。
本文选取的高温气冷堆核电厂建筑结构原型座落在基岩上，采用刚性基底边界条件，即标高-0.1m以下外墙全部固接。核电厂结构平面布局如图 1所示，主要由厂房和安全壳组成，分地下和地上2部分，地下共5层，从下到上层高分别为9.00m、7.50m、2.30m、2.55m、5.95m，地上共6层（包括牛腿顶），从下到上层高分别为5.00m、5.40m、5.70m、7.30m、12.40m、9.40m（周伯昌，2007）。
图 1 高温气冷堆核电厂结构平面示意图Figure 1. Structural plan of the high temperature gas-cooled reactor nuclear power plant核电厂抗震Ⅰ类构筑物的安全功能要求混凝土结构在使用过程中不得进入非线性，因此本文假定核电厂建筑结构为线弹性结构。本文采用相同的有限元分析软件和分析方法，在保证计算结果精度和控制模型规模的前提下，对上述核电厂建筑结构采用2种不同的计算模型进行模拟。
第1种模型采用可以承受单向拉伸、压缩、扭转和弯曲的单轴受力三维梁单元模拟柱，该单元在每个节点上有6个自由度（x、y、z方向的线位移和绕x、y、z轴的角位移），材料密度为1.0kg/m3，弹性模量为3.0×1010N/m2，泊松比为0.2；采用可以灵活定义不同质量或转动惯量的质量点单元模拟搁置在安全壳中的2个压力舱室，点单元具有x，y，z三个方向的位移及旋转，共有6个自由度，不同质量或转动惯量可分别定义于每个坐标系方向；采用同时具有弯曲能力和膜力，可以承受平面内荷载和法向荷载的弹性壳单元模拟楼板、墙、钢网格板，该单元每个节点具有6个自由度（沿节点坐标系x、y、z方向的平动和沿节点坐标系x、y、z轴的转动），材料密度为2.5× 103kg/m3，弹性模量为3.15×1010N/m2，泊松比为0.2；采用可以进行塑性、蠕变、应力硬化、大变形及大应变分析的三维固体单元模拟安全壳，该单元由8个节点结合而成，每个节点有x、y、z 3个方向的自由度。安全壳为C40混凝土（其它构件均为C35混凝土），材料密度为2.5×103kg/m3，弹性模量为3.25×1010N/m2，泊松比为0.2。由这4种单元组成的模型称为实体结构模型，简称Solid模型，模型分网及剖面图如图 2所示，共29394个节点，34622个单元（王勖成等，1997；周伯昌，2007；贺秋梅等, 2014, 2015）。
另1种模型的描述如下：柱和搁置在安全壳中的2个压力舱室的模拟同Solid模型；楼板、墙、钢网格板采用具有塑性、蠕变、应力刚化、大变形和大应变特性，且适合模拟线性、弯曲及适当厚度的壳体结构进行模拟，该单元为4节点塑性大应变单元，每个节点具有6个自由度（沿x、y、z方向的平动以及绕x、y、z轴的转动），材料密度为2.5×103kg/m3，弹性模量为3.15×1010N/m2，泊松比为0.2；采用具有塑性、应力刚化、大变形以及大应变能力，且适合于曲壳模型的结构壳单元模拟安全壳，该单元有8个节点，每个节点具有6个自由度（沿节点坐标系x、y、z方向的平动和沿节点坐标系x、y、z轴的转动）。安全壳为C40混凝土（其它构件均为C35混凝土），材料密度为2.5×103kg/m3，弹性模量为3.25×1010N/m2，泊松比为0.2。由这4种单元组成的结构模型称为壳单元结构模型，简称Shell模型，模型分网及剖面图如图 3所示，共7780个节点，7940个单元（王勖成等，1997；周伯昌，2007；贺秋梅等, 2014, 2015）。
2.2 模态分析方法
本文采用无阻尼模态分析方法。典型的无阻尼模态分析求解方程如下：
$$[K]\left\{\phi_{i}\right\}=\varpi_{i}^{2}[M]\left\{\phi_{i}\right\} $$ (1) 式中，[K]为刚度矩阵，{$ \phi_{i}$}为第i阶模态的振型向量（特征向量），$\varpi_{i}$为第I阶模态的自振频率（$\varpi_{i}^2$是特征值），[M]为质量矩阵。
可通过多种数值方法求解式（1），得到结构的自振频率及对应振型。本文采用子空间迭代技术和广义的Jacobi迭代算法进行求解（傅志方等，2000）。
3. 模态分析结果比较、分析
3.1 2种模型自振频率对比
在2种模型的模态分析中均计算、提取并扩展了100阶模态。本文对2种模型的分析、计算仅取前30阶结构自振频率。2种模型的频率对比因子采用相对误差R表示。
$$R=\left(f_{\text {Solid }}-f_{\text {Shell }}\right) / f_{\text {Shell }} $$ (2) 式中，fSolid为Solid模型频率，fShell为Shell模型频率。
2种模型的自振频率见表 1。
表 1 2种模型的自振频率对比Table 1. Comparison of natural frequencies of the two models阶数 频率/Hz Solid Shell R 1 3.9598 3.8975 1.60% 2 5.0568 4.9366 2.43% 3 5.2341 5.1234 2.16% 4 6.7163 6.6561 0.90% 5 7.3261 7.2158 1.53% 6 7.3548 7.3548 1.27% 7 7.6120 7.4814 1.75% 8 7.7172 7.5667 1.99% 9 8.3577 8.2456 1.36% 10 8.6534 8.5334 1.41% 11 8.7922 8.6758 1.34% 12 9.8357 9.5777 2.69% 13 10.224 10.093 1.30% 14 10.849 10.682 1.56% 15 11.242 10.991 2.28% 16 11.354 11.085 2.43% 17 11.722 11.579 1.23% 18 12.001 11.606 3.40% 19 12.518 12.347 1.38% 20 12.800 12.673 1.00% 21 14.606 14.385 1.54% 22 15.490 15.366 0.81% 23 15.738 15.672 0.42% 24 16.601 16.401 1.22% 25 17.306 17.061 1.44% 26 17.421 17.320 0.58% 27 17.486 17.400 0.49% 28 17.872 17.827 0.25% 29 18.691 18.410 1.53% 30 18.855 18.792 0.34% 由表 1可知，Solid模型的自振频率总是高于Shell模型的自振频率；2种模型的自振频率相对误差R最小值为0.25%，最大值为3.40%；相对误差R的分布与高低阶自振频率之间没有特定规律；分布在0.00%－0.99%之间的相对误差R有7个，分布在1.00%—1.99%之间的相对误差R有17个，约占相对误差总个数的57%，分布在2.00%—2.99%之间的相对误差R有5个，分布在3.00%—3.99%之间的相对误差R仅有1个。
3.2 2种模型振型图对比
在2种结构模型模态分析中均计算了前100阶振型。图 4为Solid模型在x、y方向上的1、2、3阶振型图，图 5为Shell模型在x、y方向上的1、2、3阶振型图，图 6为Solid模型和Shell模型的扭转振型图。
图 4 Solid模型在x、y方向上的1、2、3阶振型图Figure 4. First, second and third order mode shapes of the Solid model in x and y directions
图 5 Shell模型在x、y方向上的1、2、3阶振型图Figure 5. First, second and third order mode shapes of the Shell model in x and y directions
图 6 Solid模型和Shell模型扭转振型图Figure 6. Torsional mode shapes of the Solid model and Shell model由图 4、图 5、图 6可知，Solid模型和Shell模型的1、2、3阶振型及扭转振型都在前10阶振型中：2种模型竖向振型都在第1阶自振频率处，对应的自振频率分别为3.9598Hz、3.8975Hz；2种模型x轴方向的1阶振型都在第2阶自振频率处，对应的自振频率分别为5.057Hz、4.937Hz；2种模型y轴方向的1阶振型都在第3阶自振频率处，对应的自振频率分别为5.234Hz、5.123Hz；2种模型x轴方向的2阶振型都在第7阶自振频率处，对应的自振频率分别为7.612Hz、7.481Hz；2种模型y轴方向的2阶振型分别在第6阶和第5阶自振频率处，对应的自振频率分别为7.355Hz、7.216Hz；2种模型x轴方向的3阶振型都在第9阶自振频率处，对应的自振频率分别为8.358Hz、8.246Hz；2种模型y轴方向的3阶振型都在第10阶自振频率处，对应的自振频率分别为8.653Hz、8.533Hz；2种模型的扭转振型都在第8阶自振频率处，对应的自振频率分别为7.717Hz、7.567Hz。从振型可以看出，2种模型的振型基本一致。
4. 结论
从Solid模型和Shell模型模态分析计算得到的自振频率和振型的计算，对比可以看出Solid模型的自振频率总是比Shell模型的自振频率高，但2种模型的自振频率相对误差较小；2种模型的振型结果基本相似。这说明在进行结构动力分析时2种模型都是基本正确可取的，均可作为进一步力学分析的模型。上述计算数据、分析结论亦可为高温气冷堆核电厂建筑结构实际工程设计和相关动力分析及破环机理研究提供参考。
-
图 4 面向对象房屋建筑物提取结果及精度评价区域图
Figure 4. Building image extracted by object oriented method and accuracy evaluation distribution in space
图 6 研究区建筑物结构类型分布图
Figure 6. Distribution of structure type of buildings in the study area
图 7 研究区建筑物层数分布图
Figure 7. Distribution of buildings in different stories in the study area
图 8 典型的三维建筑物模型与现场调查对比图
Figure 8. Comparison of 3D images from building models with photos from field surveys
图 9 现场调查与遥感解译结果对比图
Figure 9. Comparison between field investigation and model interpretation
图 10 现场调查校正后房屋结构类型空间分布图
Figure 10. Spatial distribution of house structure type after correction from field investigation
表 1 本研究方法获取房屋数据的优点
Table 1. The advantages of our approach in obtaining housing data
比较项 行业专项方法（野外+统计+算法） 本研究方法（遥感信息提取） 效果 格网图 真实空间信息 精度 估算值 测绘级精度 数据呈现 不能完全展示所有要素 全要素展现 数据类型 估算格网数据 属性+影像 制作周期 效率低、周期长 效率高、周期短 制作成本 成本高 成本相对低 
下载: 导出CSV
表 2 建筑物提取精度评价
Table 2. Accuracy evaluation of buildings
评价区域 Aauto/m2 Amanual/m2 Acommon/m2 TC/% TF/% 1 1213 1128 1081 95.79 11.73 2 1230 1228 1159 94.36 5.81 3 959 938 889 94.77 7.43 4 922 790 774 98.02 18.70 5 925 873 853 97.71 8.20 6 961 946 903 95.45 6.09 7 1752 1373 1157 84.24 43.34 8 5586 4665 4085 87.57 32.17 9 2086 1673 1379 82.45 42.25 10 5242 4806 3631 75.54 33.52
下载: 导出CSV
表 3 调查区建筑物提取精度评价（单位：幢）
Table 3. Accuracy evaluation of buildings of the investigation area (unit:building)
房屋类型（调查） 房屋类型（解译） A B C D E 合计 A 0 19 0 0 0 19 B 0 479 0 0 0 479 C 0 0 170 0 0 170 D 0 0 0 126 0 126 E 0 0 0 3 4 7 合计 0 498 170 129 4 801
下载: 导出CSV
表 4 研究区各结构类型建筑物面积统计表
Table 4. Statistics of areas of various structure types buildings in the study area
房屋类型 建筑数量 占地总面积/m2 建筑总面积/m2 A 41 9267 9267 B 1396 350982 350982 C 408 115608 213960 D 799 722360 3460573 E 155 166987 414601 F 11 14600 306044 G 42 3407 6813 总计 2852 1383211 4762240
下载: 导出CSV
-
曹彦波, 李永强, 曹刻等, 2007.云南数字等震线模型在2007年宁洱6.4级地震预评估中的应用研究.地震研究, 30(4):389-394. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=dzyj200704014 常想德, 孙静, 谭明等, 2017.2016年新疆呼图壁6.2级地震房屋震害及成因浅析.震灾防御技术, 12(1):1-13. doi: 10.11899/zzfy20170101 陈有顺, 李文巧, 哈辉, 2009.青海省海西州大柴旦6.3级地震房屋震害调查与分析.震灾防御技术, 4(1):117-121. doi: 10.11899/zzfy20090112 崔红霞, 林宗坚, 孙杰, 2005.大重叠度无人机遥感影像的三维建模方法研究.测绘科学, 30(2):36-38. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-CHKD200502009.htm 丁文秀, 李志强, 卓力格图等, 2015.四川省房屋数据空间化及在芦山7.0级地震灾情快速评估中的应用.灾害学, 30(2):128-132. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zhx201502025 董小姣, 张东水, 李朝奎, 2013.面向对象的泰安市高分辨率影像住宅建筑物提取.地理空间信息, 11(1):67-69. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DXKJ201301024.htm 甘承钊, 汪振华, 沈业龙, 2000.合肥市房屋基础资料调查与数据库建立.中国减灾, 10(1):39-42. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DQHX200606008.htm 高兴和, 2002.地质灾害承灾体易损性探究.中国地质矿产经济, 15(4):28-31. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zgdzkcjj200204010 韩贞辉, 2013. 基于震害分类的房屋数据格网化研究. 北京: 中国地震局地质研究所. 康薇薇, 顾志强, 李斌, 2011.房屋调查在特高压项目中的应用初探.中国科技信息, (21):49-50. http://mall.cnki.net/magazine/Article/HBSL201403017.htm 李慧明, 崔杰, 朱勇, 2010.陇南地区房屋震害调查与易损性矩阵的建立.震灾防御技术, 5(1):137-143. doi: 10.11899/zzfy20100116 李金香, 李亚芳, 李帅等, 2017.无人机遥感技术在新疆皮山地震灾情获取中的应用.震灾防御技术, 12(3):690-699. doi: 10.11899/zzfy20170324 李政国, 张茂省, 李林, 2011.面向对象的遥感影像承灾体边缘提取方法.水文地质工程地质, 38(1):128-132. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=swdzgcdz201101024 乔程, 骆剑承, 吴泉源等, 2008.面向对象的高分辨率影像城市建筑物提取.地理与地理信息科学, 24(5):36-39. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DLGT200805008.htm 陶超, 谭毅华, 蔡华杰等, 2010.面向对象的高分辨率遥感影像城区建筑物分级提取方法.测绘学报, 39(1):39-45. http://mall.cnki.net/magazine/Article/CHXB201001011.htm 田野, 向宇, 高峰等, 2013.利用Pictometry倾斜摄影技术进行全自动快速三维实景城市生产——以常州市三维实景城市生产为例.测绘通报, 42(2):59-62, 66. http://mall.cnki.net/magazine/Article/CHTB201302020.htm 王锋, 1991.要重视承灾体的考察研究.灾害学, 6(3):86-88. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-JJSL201602017.htm 王伟, 黄雯雯, 镇姣, 2011.Pictometry倾斜摄影技术及其在3维城市建模中的应用.测绘与空间信息, 34(3):181-183. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DBCH201103061.htm 王岩, 王晓青, 窦爱霞, 2009.面向对象遥感分类方法在汶川地震震害提取中的应用.地震, 29(3):54-60. http://www.cqvip.com/QK/92280X/200903/31077162.html 王瑛, 王阳, 2009.城乡承灾体差异对地震灾情的影响——以包头地震和姚安地震为例.灾害学, 24(1):122-126. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zhx200901025 徐昌荣, 葛山运, 2011.基于面向对象的高分辨率遥感影像建筑物提取研究.城市勘测, (1):84-86. http://mall.cnki.net/magazine/Article/XXDL201520015.htm 杨耀中, 刘明, 黄祖英等, 2014.江苏省海洋灾害承灾体调查研究.科技资讯, 12(5):199-200. http://www.cqvip.com/QK/87241X/201405/49369134.html 殷杰, 尹占娥, 于大鹏等, 2012.风暴洪水主要承灾体脆弱性分析——黄浦江案例.地理科学, 32(9):1155-1160. http://geoscien.neigae.ac.cn/article/2012/1000-0690/17605 曾涛, 杨武年, 简季, 2009.无人机低空遥感影像处理在汶川地震地质灾害信息快速勘测中的应用.测绘科学, 34(S1):64-65, 55. http://mall.cnki.net/magazine/article/CHKD2009S2023.htm 曾涛, 杨武年, 黎小东等, 2010.面向对象的高空间分辨率遥感影像信息提取——汶川地震城市震害房屋案例研究.自然灾害学报, 19(5):81-87. http://www.oalib.com/paper/4488785 张继文, 祁冰, 夏树威, 2009.江油地区汶川震害房屋调查与分析.河南科学, 27(12):1579-1582. doi: 10.3969/j.issn.1004-3918.2009.12.027 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 中国国家标准化管理委员会, 2005. GB/T 18208. 4-2005地震现场工作第4部分: 灾害直接损失评估. 北京: 中国标准出版社. 中华人民共和国住房和城乡建设部, 2010. JGJ 3-2010高层建筑混凝土结构技术规程. 北京: 中国建筑工业出版社. Jin X. Y., Davis C. H., 2005. Automated building extraction from high-resolution satellite imagery in urban areas using structural, contextual, and spectral information. EURASIP Journal on Applied Signal Processing, 2005(14):2196-2206. http://cn.bing.com/academic/profile?id=b22139f62043718d6cb80d173ef0cfc6&encoded=0&v=paper_preview&mkt=zh-cn 期刊类型引用(2)
1. 谭金娥. 现浇混凝土建筑结构多尺度三维BIM建模方法研究. 太原学院学报(自然科学版). 2023(02): 8-14 . 
百度学术2. 王蕾，赵俭斌. 装配式建筑预制混凝土垂直受力点监测仿真. 计算机仿真. 2023(07): 320-324 . 百度学术其他类型引用(0)
-
下载:
点击查看大图
计量
- 文章访问数: 101
- HTML全文浏览量: 28
- PDF下载量: 2
- 被引次数: 2
