用于在风力作用下对遗产建筑进行预防性保护的LCP-GIS方法

《International Journal of Disaster Risk Reduction》：LCP-GIS METHOD FOR PREVENTIVE CONSERVATION OF HERITAGE STRUCTURES UNDER WIND ACTION

本研究提出一种结合LCP分析与GIS技术的新方法，用于快速识别文化遗产结构在风作用下的脆弱区域。通过Baelo Claudia遗址验证，该方法有效整合地形、植被、水体等多环境数据，生成风流路径图，精准定位西、东、南建筑 facade及罗马浴场等高风险区域，为预防性保护提供科学依据。

　　### 一种结合LCP与GIS技术评估历史建筑风灾风险的新方法

本研究提出了一种创新的方法，将最小成本路径（Least-Cost Path, LCP）分析与地理信息系统（Geographic Information System, GIS）技术相结合，以识别在恶劣环境条件下历史建筑的脆弱区域。这一方法不仅为历史遗产的保护和风险评估提供了新的视角，还为建筑结构在风力作用下的脆弱性分析奠定了基础。LCP-GIS方法通过在GIS环境中使用开源软件，实现了对环境数据的转换与管理，简化了数据处理过程，并便于数据的持续更新。通过这种方法，可以直观地展示出受风力影响的区域和结构，为遗产保护提供重要的依据。

#### 方法的背景与意义

在历史建筑和考古研究领域，风力作为一种自然环境因素，对遗产结构的完整性构成了重大威胁。尤其是在沿海地区，极端的风力条件可能对建筑造成严重的损害。传统的评估方法往往难以全面、准确地反映风力作用的复杂性，尤其是在大型遗产遗址中。因此，引入LCP分析与GIS技术的结合方法，为历史建筑风灾风险评估提供了更为精确和高效的方式。

LCP分析基于算法，通过不同的线性路径连接空间点，这些路径的选择取决于移动方向的独立性或依赖性。在实际应用中，LCP分析可以是各向同性或各向异性系统，具体取决于输入数据、分析目的和复杂程度。本研究提出的方法以各向异性分析为主，将地形和环境因素作为LCP过程中的关键变量。通过这种方法，可以更精确地模拟风力流动路径，识别出可能受到风力影响的脆弱区域。

#### 方法的具体实施

本研究的方法实施过程分为多个阶段，从地理数据的收集与管理，到LCP技术的应用，再到结果的分析与验证。首先，地理数据被转换为图形数据层，作为LCP算法的输入参数。这些数据层包括地形、水体、植被、建筑结构以及风速和风向等信息。在地形数据处理中，使用了LiDAR点云数据转换为数字高程模型（DEM）栅格数据的方法，并借助QGIS软件的插件工具进行处理。

其次，对这些数据层进行了重新分类，以统一其对风力分析的影响。通过设定不同的分类等级（1、2、3），可以识别出哪些环境因素对风力作用具有直接或间接的影响。例如，植被和水体通常被认为会减少风力作用，而沿海区域和沙丘则可能增强风力影响。这种重新分类过程确保了数据在后续分析中的统一性和可比性。

接下来，将不同分类后的栅格数据层整合为一个单一的输入数据层，以反映环境变量对风力流动的综合影响。这一整合过程使用了GIS工具，如GRASS GIS的r.series功能，通过设定合适的参数，可以生成包含最大和最小值的综合输入数据层。这些数据层为后续的LCP分析提供了基础。

然后，通过计算累积成本图和移动方向图，进一步细化风力流动路径。累积成本图反映了在不同地理位置上风力流动的成本分布，而移动方向图则展示了风力流动的方向。这些图层的生成依赖于GIS工具的应用，如GRASS GIS的r.cost和r.drain功能，通过设定起始点和输出层，可以生成准确的LCP路径。

最后，将生成的LCP路径与历史建筑和考古遗址的几何信息进行叠加，以识别出最脆弱的区域。这种方法不仅提高了评估的效率，还为遗产保护和风险缓解提供了科学依据。通过这种方法，可以在短时间内完成对复杂建筑结构的脆弱性评估，从而减少在灾害发生前后的响应时间。

#### 研究成果与应用

本研究的主要成果包括以下几个方面：首先，提出了一种新的LCP分析方法，用于评估和模拟风力流动，适用于复杂的历史建筑或遗址。其次，开发了一种新的方法，用于评估环境因素对遗产保护和风险缓解的影响。第三，推动了在大型遗产遗址中快速识别结构脆弱性的方法。第四，实现了将数值数据转化为GIS环境中的图形输入层，为数字技术的应用提供了基础。

通过在西班牙加的斯的Baelo Claudia考古遗址中的应用，该方法得到了验证。Baelo Claudia是一个位于欧洲最风力强劲的沿海区域之一的罗马遗址，其特殊的地理位置使其成为研究风力影响的理想案例。研究结果表明，该方法能够准确识别出受风力影响的脆弱区域，如罗马剧场的西侧立面、罗马浴场、盐业工厂和居住区的南侧立面，以及庙宇、行政和商业建筑的东侧和西侧立面。这些区域的识别为后续的详细评估提供了依据，有助于制定针对性的保护措施。

#### 方法的创新与优势

本研究提出的方法在多个方面具有创新性。首先，它结合了LCP分析和GIS技术，为历史建筑的风力影响评估提供了新的工具。其次，该方法适用于不同规模的遗产遗址，从单个建筑到整个城市区域。通过使用开源软件和插件，确保了方法的可访问性和可扩展性。此外，该方法能够快速生成风力流动路径，为遗产保护和风险评估提供了高效的解决方案。

#### 未来展望

本研究的方法不仅适用于Baelo Claudia这样的历史遗址，还可以推广到其他类似的考古和建筑遗产地。随着数字技术的发展，GIS和LCP分析的应用将变得更加广泛和深入。未来的研究可以进一步优化数据处理流程，提高分析的精度和效率。此外，可以探索该方法在其他环境因素（如洪水、地震）中的应用，以实现更全面的遗产风险评估。

总之，本研究提出的方法为历史建筑的风力影响评估提供了一种新的视角，不仅提高了评估的效率，还为遗产保护和风险缓解提供了科学依据。通过在Baelo Claudia考古遗址中的应用，验证了该方法的有效性，为未来的研究和实践奠定了基础。