一种文物建筑震害响应动力学模型构建方法和系统

本发明属于科技文保领域，尤其涉及一种文物建筑震害响应动力学模型构建方法和系统。

背景技术：

1、地震具有破坏性大、影响范围广、成因机理复杂等特点，加之文物建筑历史悠久、结构脆弱等原因，文物建筑震害响应已成为各界关注的全球性问题。针对该问题的系统性研究工作于上世纪80年代已有开展，且一直延续至今。历经长期探索，基于物理的震害危险性分析理论正在逐步替代基于统计的震害危险性分析方法。学术界、联合国教科文组织(united nations educational,scientific,and cultural organization，unesco)、欧盟等已清醒地认识到，解决文物建筑震害响应机制问题的根本出路，是从“地震激振力”→“文物建筑激振响应”的物理力学机制出发，走定量化震害动力学研究之路。

2、近年来，从全球范围看，文物建筑的震害响应机理研究越来越受到关注，基础地震理论与数值模拟研究虽然已取得了诸多进展，但总体而言仍处在起步阶段。文物建筑震害响应机理不明、地震激振力的来源及其作用模式不清、震源参数定量反演精度不高、信息获取维度不全、文物建筑数值模拟的技术方法体系不完善等问题突出。

3、文物建筑受地震影响的灾变机理和规律研究等方面的基础性研究仍较薄弱，致使文物震害的监控与保护一直处于被动局面。

4、传统研究普遍采用的均质模型或线性响应模型虽然能够模拟和复现文物建筑在地震作用下的响应，但由于模型较为简单，无法精细刻画文物建筑震害响应的发生发展过程。当前在文物建筑震害响应机制的研究方面，正在经历着由经验化定性研究向机理化定量研究转变、由均质模型向复杂模型转变、由线性响应模型向非线性响应模型转变的过程。

5、传统观测技术空间上离散、时间上不连续，难以捕捉地震孕育过程与文物建筑震后失稳过程中的形变信息，限制了对该过程形变机制的理解。利用单一技术手段监测地表及文物建筑形变存在诸多困难。考虑星载、地基合成孔径雷达干涉测量(interferometricsynthetic aperture radar，insar)两种技术的特点及互补性，开展星载—地基insar协同测量，能够同时在空间和时间上提升形变监测能力，获取文物建筑本体与活动构造多维度、高精度、高覆盖精准形变时空分布，捕获地震发生、发展及与之对应的文物建筑受力响应的全过程连续时空信息。当前，国际上从物理力学角度将星载、地基insar测量结果利用起来进行文物建筑震害动力学的研究仍属空白。

6、当前研究中依然存在着诸如文物建筑震害响应机理不明、地震激振力的来源及其作用模式不清、震源参数定量反演精度不高、信息获取维度不全、文物建筑数值模拟的技术方法体系不完善等问题，严重制约着文物建筑震害响应动力学研究。局限性主要体现在：1)建立的有限元模型较为简单；2)缺乏充足、客观、真实、准确的地震波实际记录。3)线性弹性分析方法无法满足复杂建筑结构的非线性响应研究需求。4)基础数据源均来自于图纸、档案等历史资料，数据信息的维度、尺度、时效性严重受限。

7、综上，现有技术中存在2个共性缺陷，即：第一，地震作用力的刻画不科学、不客观。第二，文物建筑的数值模型不精细、不准确。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出一种文物建筑震害响应动力学模型构建方法的技术方案，以解决上述技术问题。

2、本发明第一方面公开了一种文物建筑震害响应动力学模型构建方法，所述方法包括：

3、步骤s1、选择地震震例；在所述地震震例中，获取星载insar数据；对所述星载insar数据进行预处理，得到地理编码后的环境尺度形变场；

4、步骤s2、选择文物建筑实例；以所述文物建筑实例的震后sar图像获取日期为时间起点，对文物建筑实例进行本体形变测量，得到文物建筑本体形变；

5、步骤s3、以所述地理编码后的环境尺度形变场为输入，基于okada矩形位错模型进行震源参数反演，得到震源物理参数；

6、步骤s4、以所述震源物理参数为输入，基于断层几何模型和弹性力学受力分析，得到地震激振力；

7、步骤s5、以所述地震激振力为输入，基于有限元方法，初步建立均匀线性的文物建筑有限元模型；

8、步骤s6、根据所述地震激振力和文物建筑本体形变，对所述均匀线性的文物建筑有限元模型进行优化，得到文物建筑的非均匀各向异性的精细有限元模型。

9、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s1中，所述获取星载insar数据的方法包括：

10、获取震前环境sar图像1幅、震后环境sar图像1幅及与环境sar图像同期的轨道数据；

11、研究区dem数据1景，要求其覆盖范围不小于环境sar图像的覆盖范围；

12、所述对所述星载insar数据进行预处理，得到地理编码后的环境尺度形变场的方法包括：

13、将震后环境sar图像配准到震前环境sar图像的坐标范围内，得到配准后的干涉对；

14、对所述配准后的干涉对进行复数共轭相乘运算，得到干涉图；

15、对所述干涉图进行距离向和方位向多视处理，得到多视后的干涉图；

16、采用所述轨道数据，模拟得到因地球曲率导致的平地相位；

17、采用所述dem数据，模拟得到因地形导致的地形相位；

18、从多视后的干涉图中去除所述平地相位及地形相位，得到差分干涉图；

19、采用goldstein方法对所述差分干涉图进行滤波，得到滤波后的差分干涉图；

20、对所述滤波后的差分干涉图，采用统计费用流法，进行相位解缠计算，得到解缠后的相位图；

21、根据所述解缠后的相位图，计算得到环境尺度地表形变场，具体公式为：

22、

23、其中，d为环境尺度地表形变场，λ为sar图像的波长，为解缠后的相位图；

24、采用世界大地测量系统-84地理坐标系，对所述环境尺度地表形变场进行地理编码，得到地理编码后的环境尺度形变场。

25、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s2中，所述选择文物建筑实例的方法包括：

26、以震中为圆心，半径200km划定研究范围；在所述研究范围内，优先以国家文物系统提供的文物建筑震损情况速报为依据，遴选位于地震烈度5级及以上区域内的文物建筑为文物建筑实例。

27、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s3中，所述震源物理参数包括：

28、震中位置、震源深度、震级、发震断层的长度、宽度、走向、倾向、倾角、滑动角和滑动量。

29、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s4中，所述以所述震源物理参数为输入，基于断层几何模型和弹性力学受力分析，得到地震激振力的方法包括：

30、基于okada弹性位错理论，采用usgs提供的地震应力应变分析工具，以震源物理参数作为输入，构建断层几何模型，再正向推演计算，输出应力场和应变场；

31、基于弹性力学受力分析，将所述应力场和应变场转化为地震激振力。

32、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s6中，所述根据所述地震激振力和文物建筑本体形变，对所述均匀线性的文物建筑有限元模型进行优化的方法包括：

33、根据所述地震激振力，在所述均匀线性的文物建筑有限元模型各个部位上进行受力分析，计算每一个模型微元上的作用力的大小和作用方向，将地震激振力离散化为每一个模型微元上的作用力fi,j，其中i和j表示横纵坐标系下每一个模型微元的位置；

34、将所述文物建筑本体形变离散化，得到每一个模型微元上的节点位移di,j；

35、根据所述作用力fi,j和节点位移di,j，得到模型参数的最优解，进而对每一个模型微元进行参数优化。

36、根据本发明第一方面的方法，在所述步骤s6中，所述根据所述作用力fi,j和节点位移di,j，得到模型参数的最优解的方法包括：

37、对模型微元进行非线性动态响应分析，即通过迭代法，建立差异化的响应方程，求得模拟形变；以节点位移di,j为实际测量所得形变约束条件；将模拟形变与实际测量所得形变约束条件差异最小的模型参数，作为模型参数的最优解。

38、本发明第二方面公开了一种文物建筑震害响应动力学模型构建系统，所述系统包括：

39、第一处理模块，被配置为，选择地震震例；在所述地震震例中，获取星载insar数据；对所述星载insar数据进行预处理，得到地理编码后的环境尺度形变场；

40、第二处理模块，被配置为，选择文物建筑实例；以所述文物建筑实例的震后sar图像获取日期为时间起点，对文物建筑实例进行本体形变测量，得到文物建筑本体形变；

41、第三处理模块，被配置为，以所述地理编码后的环境尺度形变场为输入，基于okada矩形位错模型进行震源参数反演，得到震源物理参数；

42、第四处理模块，被配置为，以所述震源物理参数为输入，基于断层几何模型和弹性力学受力分析，得到地震激振力；

43、第五处理模块，被配置为，以所述地震激振力为输入，基于有限元方法，初步建立均匀线性的文物建筑有限元模型；

44、第六处理模块，被配置为，根据所述地震激振力和文物建筑本体形变，对所述均匀线性的文物建筑有限元模型进行优化，得到文物建筑的非均匀各向异性的精细有限元模型。

45、本发明第三方面公开了一种电子设备。电子设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现本公开第一方面中任一项的一种文物建筑震害响应动力学模型构建方法中的步骤。

46、本发明第四方面公开了一种计算机可读存储介质。计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现本公开第一方面中任一项的一种文物建筑震害响应动力学模型构建方法中的步骤。

47、综上，本发明提出的方案能够提出一种星载-地基协同的文物建筑震害响应规律的定量化研究框架与具体工作范式的技术路径。本发明能够结合我国地震活动频繁、构造活动性较高、许多珍贵的文物建筑位于地震易发区域的国情，填补文物领域“星-地”一体化灾害风险监测评估与应急处置技术空白，助力建设我国文物建筑震害响应模型样本库和全国重点文物保护单位遥感监测数据库。