一種建筑物震害分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及地震災(zāi)害評(píng)估領(lǐng)域，尤其涉及一種建筑物震害分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著空間技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，不同類型的遙感數(shù)據(jù)，如光學(xué)影像，雷達(dá)影 像等，被應(yīng)用于建筑物破壞狀況評(píng)估與分析。與傳統(tǒng)震害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查相比，遙感震害評(píng)估具有 快速、高效、安全的特點(diǎn)，但也存在以下不足：（1)傳統(tǒng)遙感影像基于二維平面，只記錄建筑 物頂面和少量側(cè)面的信息，無法真實(shí)反映其破壞狀態(tài)；(2)分析對(duì)象大多不是建筑物，而是 網(wǎng)格或不規(guī)則平面；（3)遙感震害分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查不統(tǒng)一，相互驗(yàn)證和參考程度 低。因此基于傳統(tǒng)遙感手段的建筑物震害評(píng)估分析的準(zhǔn)確性及實(shí)用性往往較低，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查 資料仍是地震烈度確定、地震救援和災(zāi)區(qū)重建工作開展的主要依據(jù)。目前震區(qū)建筑物現(xiàn)場(chǎng) 調(diào)查多基于調(diào)查人員專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)水平的定性判斷，數(shù)據(jù)成果以文字、圖片為主，在后續(xù) 科學(xué)研究中利用難度較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種建筑物震害分析方法，從而解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的前 述問題。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所述建筑物震害分析方法，該方法按照以下步驟實(shí) 現(xiàn)：
[0005] S1，點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理
[0006] 設(shè)定等高采樣間隔，提取建筑物不同高度上的點(diǎn)云集合，然后利用凸包算法獲取 等高截面輪廓線，將建筑物的三維點(diǎn)云轉(zhuǎn)化為二維等高多邊形序列；
[0007] S2,提取形狀離散參數(shù)并計(jì)算其標(biāo)準(zhǔn)差
[0008] S21，計(jì)算得到建筑物二維等高多邊形的長(zhǎng)寬比r、傾斜方向Θ、矩形度R、緊致度C 和中心點(diǎn)坐標(biāo)（X，y);判斷建筑物在地震之前形態(tài)是否規(guī)則，如果是，則直接計(jì)算建筑物的 形狀參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差σ〇、〇R、〇c；、〇dis，其中，σ〇、σκ、σ。、〇<^依次表示建筑物 的長(zhǎng)寬比r、傾斜方向θ、矩形度R、緊致度C的離散度，σdis表示中心點(diǎn)位置的標(biāo)準(zhǔn)差，然 后進(jìn)入S3;如果否，則進(jìn)入S22;
[0009] 其中，對(duì)于嚴(yán)重破壞建筑物，無法判斷震前形態(tài)時(shí)，視為規(guī)則建筑物；
[0010] S22,采用聚類算法，將二維等高多邊形序列分割為若干子序；
[0011] S23,計(jì)算每個(gè)子序列的建筑物形狀參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差，然后通過加權(quán)平均計(jì)算建筑物 形狀參數(shù)加權(quán)處理后的標(biāo)準(zhǔn)差σ/、σ〇'、σR'、σc；'、σdis'，然后進(jìn)入S3 ;其中，σ/、σ/、 σκ'、依次表示建筑物的長(zhǎng)寬比r、傾斜方向Θ、矩形度R、緊致度C的加權(quán)處理后的標(biāo) 準(zhǔn)差，〇dls'表示中心點(diǎn)位置的加權(quán)處理后的標(biāo)準(zhǔn)差；
[0012] S3,建筑物震害特征評(píng)估分析
[0013] 通過Fisher判別分析對(duì)步驟S22或步驟S23中得到的標(biāo)準(zhǔn)差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到建筑 物三種破壞程度所對(duì)應(yīng)的判別函數(shù)，分別為：
[0014] 建筑物輕微破壞，對(duì)應(yīng)的判別函數(shù)為F1= 6. 528σc' +17. 956σdis' -9. 761 ;
[0015] 建筑物中等破壞，對(duì)應(yīng)的判別函數(shù)為F2= 9· 675σe' +27. 530σdis' -20. 560 ;
[0016] 建筑物嚴(yán)重破壞，對(duì)應(yīng)的判別函數(shù)為F3= 16. 961σc' +41. 302σdis' -55. 945。
[0017] 優(yōu)選地，步驟S1，提取建筑物不同高度上的點(diǎn)云集合，然后利用凸包算法獲取等高 截面輪廓線，具體按照下述步驟實(shí)現(xiàn)：
[0018] S11，選擇任意一個(gè)高度上的點(diǎn)云集合A;
[0019] 首先，去除X坐標(biāo)相同且y坐標(biāo)也相同的點(diǎn)，得到新點(diǎn)云集合A;
[0020] 然后，獲取新點(diǎn)云集合A中y坐標(biāo)最小的點(diǎn)數(shù)量，如果數(shù)量為1，則y坐標(biāo)最小的一 點(diǎn)進(jìn)棧；如果數(shù)量大于1，則選取X坐標(biāo)、y坐標(biāo)均最小的一點(diǎn)進(jìn)棧；
[0021] 接著，將y坐標(biāo)最小或X坐標(biāo)、y坐標(biāo)均最小的一點(diǎn)作為基點(diǎn)，將基點(diǎn)與新點(diǎn)云集 合A中剩余點(diǎn)構(gòu)成的向量與X軸之間形成的極角按照逆時(shí)針排序，同時(shí)，將構(gòu)成向量的除基 點(diǎn)外的點(diǎn)按照所述逆時(shí)針排序，得到序列B;
[0022] 在點(diǎn)排序過程中，當(dāng)存在兩個(gè)和兩個(gè)以上的極角相等時(shí)，保留距離基點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)， 其余點(diǎn)刪除。
[0023] S12,序列B中的所有點(diǎn)與基點(diǎn)形成的線段一定在凸包上，故序列B中的第一點(diǎn)進(jìn) 棧，依據(jù)序列B中前三個(gè)點(diǎn)順次形成的邊角的方向，判斷在序列B中第二點(diǎn)處邊角的方向是 否是向左轉(zhuǎn)，如果是，則第二點(diǎn)進(jìn)棧；如果否，則第二點(diǎn)不進(jìn)棧，接著判斷與第一點(diǎn)離得最近 的第三點(diǎn)；
[0024] S13,按照步驟S12中所述判斷方法依次對(duì)序列B中的其他點(diǎn)迭代掃描，保留邊角 方向向左轉(zhuǎn)的點(diǎn)，最終得到所有進(jìn)棧的點(diǎn)，連接形成三維點(diǎn)云凸包多邊形。
[0025] 優(yōu)選地，步驟S2中，所述計(jì)算提取建筑物任意一個(gè)二維等高多邊形的長(zhǎng)寬比r、傾 斜方向Θ、矩形度R、緊致度C，是基于所述二維等高多邊形及其最小外接矩形的平面幾何 計(jì)算，具體按照下述計(jì)算：
[0026] A1，獲取所述二維等高多邊形的周長(zhǎng)P、面積A、中心點(diǎn)坐標(biāo)（X，y);獲取最小外接 矩形的面積AMER、長(zhǎng)軸長(zhǎng)度1、長(zhǎng)軸與X軸方向夾角Θi、短軸長(zhǎng)度w;
[0027] A1，按照下述公式分別計(jì)算長(zhǎng)寬比r、傾斜方向Θ、矩形度R、緊致度C;
[0028] r= 1/w (1)；
[0029] 0 = 0! (2)；
[0030] R=A/Amer (3)；
[0031] C=P2/A (4)〇
[0032] 優(yōu)選地，步驟S2中，采用聚類算法，將二維等高多邊形序列分割為若干子序，具體 按照下述步驟實(shí)現(xiàn)：
[0033] B1，構(gòu)建二維等高多邊形序列樣本矩陣X
[0034] 獲取步驟S1中得到建筑物二維等高多邊形的數(shù)量為N個(gè)。根據(jù)建筑物二維等高 多邊形的長(zhǎng)寬比r、傾斜方向Θ、矩形度R、緊致度C和中心點(diǎn)坐標(biāo)（X，y)，構(gòu)建任意一個(gè)二 維等高多邊形的樣本矩陣Xi=[Xxi2,xi3,xi4,Xi5,Xi6]，其中，Xii=r，Xi2=θ，Xi3=R， Xl4=C，Xl5=x，Xl6=y，則建筑物具有的N個(gè)二維等高多邊形構(gòu)成的二維等高多邊形序列 Y表不為：
[0036]B2,抽取初始聚類中心center
[0037] 根據(jù)技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查對(duì)建筑物地震之前形狀規(guī)則程度的判斷，將其劃分為垂直 方向上結(jié)構(gòu)一致、形態(tài)規(guī)則的K個(gè)部分，即聚類數(shù)目為K;若建筑物震前形態(tài)規(guī)則或震后雜 亂堆積、難以區(qū)分，則K= 1 ;
[0038] 在步驟S1獲取的Ν個(gè)二維等高多邊形序列Υ中隨機(jī)抽取Κ個(gè)樣本作為初始聚類 中心center，用公式（6)表示：
[0040] B3,劃分二維等高多邊形類別
[0041] 根據(jù)公式（7)，依次計(jì)算Y中各個(gè)二維等高多邊形樣本Xjljcenter中的各中心點(diǎn) 樣本centerk的歐式距離dk，其中k= 1，2…K;將X;劃分至dk取值最小的一類中；
[0043]B4,計(jì)算更新聚類中心center'
[0044] 假設(shè)第k類中包含叫個(gè)二維等高多邊形樣本，其中k= 1，2…K，則建筑物二維等 高多邊形總數(shù)N為（8):
[0048]按照公式（10)，通過計(jì)算\中各二維等高多邊形樣本形狀參數(shù)的均值，得出 聚類中心，記為Yk' = [Xkl'Xk2'Xk3'Xk4'Xk5'Xk6']，
[0050] 其中，Xk/表示Yk中第j個(gè)形狀參數(shù)的均值；
[0051] 每個(gè)k類中各樣本特征參數(shù)的均值構(gòu)成更新后的建筑物聚類中心Center'，如公 式（11)所示；
[0053]B5,判斷Center'是否與Center相等，若相等輸出聚類結(jié)果并退出迭代；反之令 Center=Center'，重新下一次聚類，直至兩者相等輸出聚類結(jié)果為止；
[0054] 所述聚類結(jié)果中包括將二維等高多邊形序列分割為K個(gè)子序列。
[0055] 優(yōu)選地，步驟S23中，計(jì)算建筑物二維等高多邊形序列Y的形狀離散參數(shù)σ/、 〇e '、〇 R'、〇 c'、〇dis'，具體按照下述步驟實(shí)現(xiàn)：
[0056]S231，計(jì)算每個(gè)子序列Yk各形狀參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差σρσe、σR、σ。、σdis，按照公式 (13)和公式（14)計(jì)算Yk中各二維等高多邊形形狀參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差〇 k]，
[0059] 其中，〇kdls表示Yk中二維等高多邊形樣本到其聚類中心點(diǎn)距離的標(biāo)準(zhǔn)差；根據(jù) 二維等高多邊形樣本矩陣中各分量的含義，得到Y(jié)k各形狀參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差σσkl、〇 〇 = 0k2、0R= 0k3、0c= 0k4、0dis= 0kdis;
[0060] S232,按照公式（15)~（19)加權(quán)平均計(jì)算建筑物形狀離散參數(shù)〇 〇 e'、〇 R'、 0C' 、 0dis' ；
[0066] 優(yōu)選地，步驟S21中，所述如果建筑物規(guī)則，則直接計(jì)算建筑物的形狀參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn) 差σe、〇R、〇e、〇dis，按照公式（20)和（21)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)計(jì)算二維等高多邊形序列中各 形狀參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差σ^σe、σR、σ。、σdis;

[0069] 其中，σkdls表示二維等高多邊形序列標(biāo)準(zhǔn)差；根據(jù)二維等高多邊形樣本矩陣中各 分量的含義，得到Y(jié)k各形狀參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差σr=σki、σe=σΙ?、σ?=σμ、σk4、 ^dis= ^kdis°
[0070] 優(yōu)選地，步驟S1中利用三維激光掃描儀獲取的震區(qū)建筑物三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。
[0071] 優(yōu)選地，步驟S2中，當(dāng)建筑物是規(guī)則建筑物時(shí)，σ/ =σ^σθ' =σθ、σR' = 0R、0C= 0C、0dis= 0dis。
[0072] 本發(fā)明