工作，实现了具有三维地形和地物的显示以及鹰眼功能;杨泽（2006）利用3DS MAX制作出平房建筑物在不同等级下的震害模型，进一步利用ArcGIS开发完成了其三维显示;胡长理（2009）通过模拟多层砌体结构的震害情况，根据使用功能的不同，利用3DS MAX建立了多个砌体结构模型，模拟砌体结构及城市级建筑群震害，并采用不同颜色区分破坏情况;赵鹏（2010）采用3DS MAX对信息比较完整的框架结构房屋进行了单体模拟;林旭川和叶列平（2012）通过引入基于结构广义刚度的构建重要性指标，提出了考虑构建重要程度差异的RC框架结构抗震优化设计方法;林旭川（2017）构建了城市建筑群地震灾害数值仿真系统，并对我国东部某大型城区的70多万建筑物进行震害分析，模拟出不同损伤程度面积、非结构构件的损伤程度、建筑地震灾害风险评估指标、城市可恢复性指标等。
综上所述，地震灾害三维仿真模拟技术已趋于成熟，对三维模拟数据的精确度也有了更高的要求。以往研究主要集中于单栋建筑或以传统卫星遥感影像为基础的建筑群，采用卫星遥感影像获取地形地貌及房屋楼面面积时，存在影像分辨率低、时效性差的问题，更重要的是房屋形状和面积的勾画精度难以保证。随着无人机技术的不断发展，影像实时性、高分辨率的特点开始发挥优势，使得利用无人机获取高精度的房屋形状和面积成为可能（段福洲，赵文吉，2010;付箫等，2018;王之等，2018）。
云南省是全国地震灾害频发的省份之一，地震活动具有频度高、强度大、分布范围广等特点，许多县城建立于高原山地上，房屋结构类型复杂，地震灾害风险高（周光全等，2009;卢永坤等，2006），对云南典型的山地县城进行地震灾害三维仿真模拟有利于提升其地震灾害预防和抗震设防能力。本文以云南省红河县城区为研究对象，开展高原山地县城地震灾害三维仿真模拟评估，利用无人机对红河县城區进行全方位航拍提取遥感信息，采用地理信息空间技术把实地调查的房屋数据与无人机航拍遥感信息相融合，再通过城市建筑群地震灾害数值仿真系统（林旭川等，2009）进行地震灾害三维仿真，并与滇南地区历史地震造成的房屋破坏情况（周光全，2011）进行对比分析。
1 研究区概况
红河县位于云南省南部，隶属红河哈尼族彝族自治州，地处红河流域与勐龙河流域之间的迤萨梁子顶端，是云南省典型的高原山地县城之一（张建国等，2008），也是云南省地质灾害高易发区。境内河谷狭窄，地势特点大致为中部高，南北低，山地面积大。县城城区地质构造复杂，地处横断山脉纵谷区的南缘和哀牢山余脉地区，新构造运动强烈，峰峦起伏，沟壑纵横，冲沟发育，岸坡陡峻，软弱岩体发育（李西等，2016），人类活动过程强烈，地质灾害不断孕育。该县人口密度高，房屋建筑结构类型较多，抗震性能有待加强。为打破“城市发展”与“地质灾害”僵持的局面，红河县开展了一系列地震灾害综合防治，效果显著。但地震具有突发性，地震灾害的预防和房屋抗震性能的提升问题依旧严峻，对红河县城区进行地震灾害三维仿真模拟评估，可为该县的规划及防灾减灾工作提供科学依据。
2 研究方法
2.1 技术路线
采用无人机航拍遥感技术、三维仿真模拟技术、地理信息空间技术三者相结合的方法对云南红河县城区房屋地震灾害进行三维（动态）可视化研究。由图1可见，数据收集是基础，主要对红河县城区房屋结构、层数等信息进行实地调查收集，并采用无人机航拍遥感技术，得到红河县城区高清航拍影像图和高精度地形高程图。数据处理主要是采用地理信息空间技术对无人机高清航拍影像图中的建筑物框架进行勾选，并与红河县城区实地调查的房屋数据相融合。地理信息空间基础建模是把房屋结构、楼层、所处地形等主要信息汇集于红河县城区地理信息空间基础模型中，得出基于地理信息空间的红河县城区房屋+地形的三维模型。地震灾害三维仿真模拟系统主要是把房屋建造年代、结构类型、层高、楼层、面积、所处地形等采用一定的算法和公式建立相关性，构建出红河县城区地震灾害三维仿真（动态）模拟系统，输入不同的地震烈度参数，可模拟出红河城区房屋三维破坏（动态）可视化信息。对比分析主要是将红河县城区房屋仿真模拟结果与所属滇南地区历史地震造成的房屋破坏情况进行对比分析，验证模拟评估的准确性和可靠性。
2.2 无人机航拍方法
地震灾害三维仿真模拟评估中基础数据的真实性和精确性尤为重要。由于红河县城区地势起伏较大，因此将固定翼无人机航拍飞行高度统一保持在340～350 m，高度误差范围不超过10 m，最后进行航拍图的拼接和航拍数据的导出。这样既保证数据的真实性，又能得到精准的高程图，优化了建筑物框架勾画（卢永坤等，2011）和GPS校准过程，可提供真实、精确的数据基础。图2为红河县城区无人机航拍线路规划图。
2.3 数理统计法
研究区历史上发生地震的次数为n，在相同地震烈度下的房屋面积破坏百分比记为β1，β2，β3，…，βn，则n次地震房屋面积破坏百分比算数平均值为：
式中：β为滇南地震区历史地震房屋面积破坏百分比平均统计结果。
2.4 城市仿真系统模型构建方法
采用城市建筑群地震灾害数值仿真系统（林旭川，2017）进行三维仿真，如图3所示把五层高的楼房模拟为多剪力弹簧模型。城市建筑群地震灾害数值仿真系统分为3个部分，分别是建模模块、计算模块、分析模块。其中建模模块包含三维模型的自动建模，自动建模主要是将地理空间信息中勾选的建筑物框架与建筑物的建造年代、用途、设防等级、房屋结构、楼层、层高、面积、框架信息转化为建筑破坏方式和破坏程度，结合震害防御的经验和抗震设防的要求给出建筑结构物理参数，并建立建筑结构物理参数与非线性计算模型参数的相关性，最终确定计算模型的所有参数。计算模块主要是计算结构模型在给定地震动输入下的时程响应结果，不同位置输入不同的地震动时会对建筑物造成不同的破坏，从而起到预评估的作用。分析模块是对建筑物的地理信息数据与计算结果进行分析，给出整个城市建筑地震响应统计结果，对该区域地震后的破坏和损失进行分析，最后给出整个城市的地震灾害数值仿真。
2.5 仿真影响因子分析
2.5.1 水平地震作用
仿真系统中，输入不同地震动参数产生的水平地震作用力为：
式中：FEk为结构总水平地震作用标准值;α1为相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数值;Geq为结构等效重力载荷;Fi为质点i的水平地震作用标准值;Gi，Gj分别为集中于质点i，j的重力荷载代表值;Hi，Hj分别为质点i，j的计算高度;δn为顶部附加地震作用系数;ΔFn为顶部附加水平作用力。
2.5.2 竖向地震作用
楼层的竖向地震作用效应可按各构件承受的重力载荷代表值的比例分配，并乘以增大系数1.5：
式中：FEvk为结构总竖向地震作用标准值;Fvi为质点i的竖向地震作用标准值;αvmax为竖向地震影响系数的最大值;Geq为结构等效总重力荷载。
2.5.3 房屋建造年限
相同结构类型的房屋建造年限越长，房屋的抗震性能越差。用η来表示三维仿真模拟中房屋年限抗震性能指标：
式中：Y为房屋建造时间;Ymax与Ymin分别为所统计房屋中，建造时间最长和最短的房屋，η越大房屋的抗震性能越好，反之抗震性能越差。
2.5.4 房屋楼层与层高
房屋楼层N和层高L也是影响房屋破坏的重要因素，与所选房屋发生位移时的垂直高度H的关系为：
式中：Li为第i层楼房层高;θi为第i层楼受到地震影响时垂直偏移角度。
2.5.5 房屋结构破坏指标
图4给出了结构系统中构件屈服力与剩余刚度关系。除钢结构房屋外，框架结构、木结构、砖石和石混结构在屈服力不断增大后，都会产生断裂点即房屋破损或倒塌。
如果房屋有n个构件屈服，则其剩余刚度Kstru，0为：
式中：Isi为构件断裂点的指标。
结构断裂点可用切线刚度判断：
式中：βKstru，n为n个构件屈服后的切线刚度;β为屈服后结构刚度与完好结构刚度的比值。若满足式（10），则房屋破损或毁坏。
把（9）式带入（10）式中，可得出房屋破坏或毁坏判断表达式为：
3 数据处理
3.1 基础数据获取与处理
无人机飞行采用航线自主规划飞行（杜浩国等，2018），确保航拍全程飞行高度保持一致，误差高度不超过10 m，以提高后期航拍图片拼接处理的吻合度和房屋三维模型框架勾画的精确度。表1为航拍的数据信息。
采用地理信息空间技术对红河县城區无人机航拍高清影像图（图5a）进行GPS配准和矫正操作，并对航拍图中每一栋建筑物的框架（面积）进行手动勾选，得出如图5b所示红河县城区房屋框架勾选总图，共计7 370栋。
3.2 房屋数据收集与处理
根据红河县城区房屋框架勾选总图对红河县城进行分块，采用实地调查的方式，收集了城区每栋房屋的建筑物名称、建造年代、用途、设防等级、房屋结构、楼层、层高、面积、形状、位置地形等特点，并进行汇总处理，如表2所示。
红河县城区房屋可分为钢结构、框架结构、设防砖混、未设防砖混、砖木结构、土木结构和石混6种，对各类型结构房屋数量和面积占比进行实地调查汇总，如表3所示。
3.3 基于地理信息空间技术的房屋+地形三维模型构建 由于红河县城区为典型的高原山地县城，整个县城地形峰峦起伏、沟壑纵横，地形成为其地震灾害三维仿真模拟评估的重要因素之一。通过无人机航拍遥感技术得到红河县城区高程图，采用地理信息空间技术进行县城地形地貌GPS配准和矫正操作，得到图6。并与红河县城区房屋框架勾选总图进行融合，把实地调研的房屋信息，如房屋建造年代、设防等级、房屋结构、楼层、
4 地震灾害三维仿真模拟系统构建
将所有收集到的房屋和地形信息进行地震灾害三维仿真模拟，再将不同的房屋结构对应不同的弹簧剪切力模型，地震灾害三维仿真模拟系统对输入的数据进行自动修正、快速建模和地震响应计算，最后给出红河县城区地震灾害三维仿真模拟动态结果。由于选取的红河县城区范围小，房屋总数只有7 370栋，采用一般的移动工作站就能快速计算出结果。图8为红河县房屋城区在烈度为Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度、Ⅸ度破坏情况下的三维仿真（动态可视化）结果。模型的可视化信息包括不同视角的红河县城区房屋变形和位移过程，系统可实现红河县城区每栋建筑、不同时间、不同烈度下的地震响应。表4为抗震设防烈度与设计基本地震加速度值的对应关系。将房屋破坏分为5个等级，用不同的颜色表示，如表5所示。从图8a可看出，烈度为Ⅵ度时整个城区房屋基本受影响，其中房屋中度（绿色）破坏的居多，主要是新建居民房屋，分布在城区周边滑坡上;严重破坏的主要是老旧居民楼和厂房，分布于红河县城区中。随着输入的地震加速度不断增大，烈度不断升高，房屋严重（土黄色）和毁坏（红色）数量不断增加，破坏面积不断扩大。当烈度到达Ⅸ度时（图8d），有一半以上房屋毁坏（红色），其余的房屋基本都是严重（土黄色）破坏和中度（绿色）破坏，没有无损伤的房屋。
对红河县城区在设定地震基本加速度值为50，100，150，200，300，400及600 gal时造成的房屋破坏仿真结果分别进行数据提取分析，结果如表6所示。从表中可看出，当加速度值为50 gal时，房屋主要为轻微和中度破坏，无损伤房屋面积很少，房屋大多是钢结构和框架结构，主要是新建行政楼，这是由于红河县城区约有一半房屋未达到抗 由于红河县区域内无历史地震，因此，笔者利用数理统计法对2000—2018年红河县所属滇南地区的历史地震进行统计分析（表7），得到滇南地区历史地震在烈度为Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度下房屋破坏比。
由式（1）得到滇南地区历史地震房屋面积破坏比平均值，并与红河县城区地震灾害三维仿真系统中房屋面积破坏比进行比较（表8）。其中，红河县城区房屋面积破坏比为红河县城区在不同的烈度下（Ⅵ度、Ⅶ度、Ⅷ度）汇总了所有房屋的破坏情况。
由表8可知，红河县城区三维仿真房屋面积破坏比与滇南地区历史地震房屋面积破坏比相近，尤其是在中等和严重等级。而对于房屋面积轻微破坏比，红河县城区三维仿真结果中只占15.5%，其原因一方面是由于红河县城区位于斜坡上（图9），房屋位置斜坡坡度已超过60°，即使是震级小的地震也有可能会导致大面积的滑坡;另一方面是由于模拟震中位置为城中心，对城中心房屋密集区域破坏更严重。因此，相同震级的地震，对红河县城区房屋的破坏更为严重，即60%以上的房屋面积为中等破坏。
6 结论和讨论
本文采用无人机对云南红河县城区进行航拍、实地收集房屋数据并提取地形高程图，证明了地震灾害三维仿真模拟系统中数据的准确性;并根据房屋建造年代、用途、設防等级、房屋结构、层数、层高、面积、外观形状等综合因素进行研究，采用一定的算法融合于三维仿真技术中;将模拟结果与滇南历史地震房屋面积破坏比进行对比分析，证明了地震灾害三维仿真模拟系统仿真结果的可靠性。与传统的震害预测相比，地震灾害三维仿真系统在房屋破坏动态可视化方面优势明显。但本文的仿真模拟系统主要以房屋破坏为主要方向，如果后期能把整个城市的道路、桥梁、通信、电力以某一种算法或公式加入地震灾害三维仿真模拟系统中，使用优化后的系统再对整个城市进行全面评估，这样不仅对整个城市地震灾害预防和抗震设防能力提升起重要作用，而且对整个城市的规划和发展也有很大的帮助。
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