遙感技術(shù)在工程監(jiān)測中的應(yīng)用

李雯雯

（上海市建筑科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

工程監(jiān)測與測繪息息相關(guān)，應(yīng)用范圍較廣，主要體現(xiàn)在地上及地下工程的施工監(jiān)測、工程建設(shè)規(guī)劃設(shè)計測量、工程建設(shè)環(huán)境監(jiān)測、變形監(jiān)測、工程安全監(jiān)測、工程災(zāi)害監(jiān)測及預(yù)警等方面[1-4]。近年來，遙感新技術(shù)不斷涌現(xiàn)和應(yīng)用，在傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上極大豐富了工程監(jiān)測的手段，使得監(jiān)測結(jié)果更準(zhǔn)確、更高效、更靈活、更可靠，在環(huán)境監(jiān)測和變形監(jiān)測中尤為突出[5-6]。作為宏觀監(jiān)測的新興技術(shù)手段，遙感技術(shù)在空間性、時間性、數(shù)據(jù)獲取便利性和豐富性、周期性等方面有較好的優(yōu)勢，其中無人機遙感和衛(wèi)星遙感在工程監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用[7]。利用遙感技術(shù)，便于對工程場地及周邊環(huán)境進行宏觀監(jiān)測，快速獲取信息，豐富數(shù)據(jù)種類，可根據(jù)需求選取不同分辨率的數(shù)據(jù)進行分析，對工程原有資料的更新、場地動態(tài)觀測和長期觀測十分有效。

1 遙感技術(shù)的原理與發(fā)展

遙感技術(shù)于20 世紀(jì)60 年代興起，是一門綜合性的新興探測技術(shù)，可無接觸遠距離探測目標(biāo)以獲取電磁波信息，感知遙遠距離的事物所傳達出的信號來探測并識別數(shù)據(jù)信息，通過與計算機技術(shù)、數(shù)學(xué)方法、空間技術(shù)等結(jié)合來揭示目標(biāo)物的幾何、性質(zhì)、變化規(guī)律等特征[8]。遙感分為廣義的遙感和狹義的遙感，前者指不直接接觸物體本身，采用探測儀器接收來自目標(biāo)物的信息進行傳輸和處理來識別目標(biāo)物屬性和特征，即遠距離探測來獲取目標(biāo)狀態(tài)信息；后者指依托安裝于遙感平臺上的傳感器，通過攝影、掃描等方式獲取地物信息，進而加工處理來識別地物的特性。

作為一門綜合性的對地觀測技術(shù)，遙感技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在空間覆蓋范圍廣，可實現(xiàn)大面積同步觀測，不受目標(biāo)地物周圍地形影響；探測波段范圍廣，可實現(xiàn)全天候監(jiān)測，獲取的信息量大，遠超常規(guī)方法；可動態(tài)反映地面事物的變化，獲取信息速度快、短時間內(nèi)可對同一地區(qū)進行重復(fù)性、周期性探測，時效性強；具有高空間、高時間、高光譜分辨率的特點[9]。

從地面遙感發(fā)展到航空遙感和航天遙感，隨著遙感技術(shù)不斷成熟，其獲取的信息越來越豐富，在工程監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來越大，測量數(shù)據(jù)的采集及處理、復(fù)雜條件下的測量、諸多工程的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、工程模型的建立與優(yōu)化、動態(tài)監(jiān)測、地圖測繪等都離不開遙感技術(shù)[10]。目前已有多位學(xué)者對遙感技術(shù)的應(yīng)用進行了研究，如盧霞等[11]利用多源、多時相的遙感影像監(jiān)測工程實施前后的遙感表征信息，對不同工程的應(yīng)用效果進行評價，總結(jié)出遙感技術(shù)在工程治理與管理中的優(yōu)勢。王海龍[12]介紹了無人機遙感技術(shù)應(yīng)用在工程測量中的優(yōu)勢，從不同方面分析了遙感技術(shù)的應(yīng)用。高莉[13]利用ALOS 數(shù)據(jù)和部分實測數(shù)據(jù)，經(jīng)估計得到了研究區(qū)退耕還林面積，利用建立的不同地物的光譜信息模型對地面異質(zhì)性較強的區(qū)域提取土地利用信息，為研究區(qū)工程區(qū)的管理和規(guī)劃提供了依據(jù)。

2 工程監(jiān)測的發(fā)展及問題

工程監(jiān)測與生產(chǎn)實踐緊密結(jié)合，廣泛服務(wù)于國民經(jīng)濟建設(shè)，測繪技術(shù)的快速發(fā)展為工程監(jiān)測提供了新的方法與手段，城市化建設(shè)進程的快速發(fā)展，對工程監(jiān)測提出了更高的要求，有力推動了監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。主要表現(xiàn)在以下方面：監(jiān)測方法和儀器有進步，電子及物理技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)化了儀器結(jié)構(gòu)性能，提高了精度和穩(wěn)定性；監(jiān)測內(nèi)容不斷增加和完整，數(shù)據(jù)分析方法不斷提高和完善；工程監(jiān)測被廣泛應(yīng)用于施工和環(huán)境監(jiān)測，保證了環(huán)境安全和施工質(zhì)量[14]。

近年來，計算機技術(shù)不斷進步，使得測量數(shù)據(jù)采集和處理向著實時化、自動化、數(shù)字化發(fā)展，工程監(jiān)測進入自動化時代，越來越多的工程監(jiān)測數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得以開發(fā)和應(yīng)用，其中遙感技術(shù)在工程監(jiān)測中發(fā)揮著重要作用，兩者不斷滲透，形成相互促進的發(fā)展趨勢。但監(jiān)測過程及應(yīng)用方面仍存在一些問題[15]，比如對監(jiān)測獲取的數(shù)據(jù)及信息處理的新方法有待進一步研究，以充分發(fā)掘有用信息；未充分利用采集的地質(zhì)信息，導(dǎo)致應(yīng)用于工程指導(dǎo)和解決問題的信息匱乏；大范圍區(qū)域內(nèi)依靠人工監(jiān)測進行信息管理和數(shù)據(jù)分析，效率低且有滯后性，需應(yīng)用新方法來提高監(jiān)測效率。

3 遙感技術(shù)在工程監(jiān)測中的應(yīng)用

工程項目中往往存在施工條件復(fù)雜、場地空間有限、工程范圍大、環(huán)境惡劣等情況，目前，人工監(jiān)測在眾多項目中仍然發(fā)揮著主要作用，主要通過測量特定點來獲取數(shù)據(jù)，遙感技術(shù)的優(yōu)勢，可克服一定的困難，使得不需要訪問特定的點來采集數(shù)據(jù)，有利于解決部分監(jiān)測項目中存在的難題，方便監(jiān)測過程，提高監(jiān)測效率，其中，無人機遙感和衛(wèi)星遙感應(yīng)用較多。將遙感技術(shù)與傳統(tǒng)手段相結(jié)合，便于監(jiān)測工程本身及周邊生態(tài)環(huán)境的質(zhì)量和進展。

3.1 無人機遙感在工程監(jiān)測中的應(yīng)用

傳統(tǒng)測量手段時效性差、耗費人力物力大、效率較低，無人機遙感技術(shù)可以有效克服上述不足，提高測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，可以不受地域條件限制實時獲取數(shù)據(jù)，且大范圍監(jiān)測的效率大大提高。廣泛應(yīng)用于工程施工前的環(huán)境監(jiān)測和影像資料獲取、工程地形圖的繪制、創(chuàng)建數(shù)字模型、數(shù)字城市建設(shè)及低空測量、工程監(jiān)測中的數(shù)據(jù)采集和處理、例行檢查監(jiān)測區(qū)域的實際情況、建筑工程的傾斜攝影測量等[16-18]。

受外界因素影響及工程環(huán)境條件較差時，影響人工測量結(jié)果的準(zhǔn)確性或無法進行人工測量，無人機遙感技術(shù)可以實時準(zhǔn)確地測量，保證監(jiān)測工作完成和及時發(fā)現(xiàn)異常情況[19]。利用該技術(shù)所獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果較準(zhǔn)確，對數(shù)據(jù)結(jié)果的分析有效且便捷，可進一步提高工作效率，控制測量問題，對于工程監(jiān)測及測繪都有重要作用。

此外，利用無人機進行攝影測量可以實現(xiàn)數(shù)字化地面建模，顯示出各地的坐標(biāo)、高程、坡度、坡向等重要信息，為地鐵、公路等長線路工程的路線選擇和設(shè)計提供有效幫助，在工程前期的測量中是十分有效的。

3.2 衛(wèi)星遙感在工程監(jiān)測中的應(yīng)用

衛(wèi)星遙感包括光學(xué)遙感和雷達遙感，其中光學(xué)遙感具有高空間、高時間、高光譜分辨率的特點，雷達遙感的顯著特點是主動發(fā)射電磁波，不依賴光照條件和氣候條件，可全天時、全天候?qū)Φ赜^測，有效探測目標(biāo)地物的空間形態(tài)特征[20-21]。隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星遙感被越來越多地應(yīng)用到工程監(jiān)測中，主要表現(xiàn)在以下方面。

工程建設(shè)前期勘測環(huán)節(jié)，利用遙感監(jiān)測可獲取大面積的重要信息，短時間內(nèi)得到監(jiān)測結(jié)論，以滿足施工要求，將遙感監(jiān)測結(jié)果與實測結(jié)果進行對比，驗證遙感監(jiān)測的準(zhǔn)確性，總結(jié)相關(guān)監(jiān)測規(guī)律與方法，豐富監(jiān)測手段，強化監(jiān)測力度。地質(zhì)工程的探測是工程建設(shè)過程中必不可少的環(huán)節(jié)，利用影像中不同波段的特性來監(jiān)測地下水、巖石、土壤等信息，結(jié)合實地考察進行復(fù)判，可了解工程建設(shè)區(qū)地質(zhì)容易出現(xiàn)的問題[22]。工程建設(shè)時為避免土地資源浪費，需對土地進行測量，可將攝像機安裝到衛(wèi)星或飛機上，實時拍攝工程場地土地情況，利用不同目標(biāo)物具有不同反射特性的特點來動態(tài)監(jiān)測場地土地資源使用情況[23]，準(zhǔn)確掌握土地使用數(shù)據(jù)。

工程建設(shè)過程中，極易對周邊環(huán)境造成破壞，因此在建設(shè)時，需重視環(huán)境的監(jiān)測，遙感手段是十分方便和有效的，如地鐵的開挖、煤礦開采等大型地下工程的建設(shè)，對于地表環(huán)境影響很大，包括植被、土壤、地表沉降及形變引發(fā)的一系列災(zāi)害，可利用遙感影像進行宏觀監(jiān)測，劃定研究區(qū)域用影像提取數(shù)據(jù)進行分析，亦可根據(jù)長時序影像對環(huán)境因子進行反演，分析工程建設(shè)對周邊環(huán)境時序影響以及地表高程的變化[24]。此外，利用遙感圖像獲取地理信息，可對大型工程實現(xiàn)地形圖測繪，編制所需的遙感圖，便于后續(xù)測量。

工程建設(shè)完成后，對于工程周邊環(huán)境的監(jiān)測仍然十分重要，有利于工程本身的安全和保護環(huán)境?？赏ㄟ^影像監(jiān)測工程施工結(jié)束后周邊環(huán)境的變化，總結(jié)變化規(guī)律，如評估礦山開采對周邊環(huán)境的損害[25]。對于長線性交通基礎(chǔ)設(shè)施形變地面沉降的動態(tài)監(jiān)測、礦區(qū)開采工程引發(fā)的地面沉陷，可通過雷達遙感探測，利用覆蓋研究區(qū)的多景SAR 影像求取相位信息，最終進行差分干涉得到區(qū)域性沉降整體趨勢和沉降分布特征，揭示形變的演變特征[26]。

3.3 遙感技術(shù)結(jié)合GIS 和GPS 技術(shù)在工程監(jiān)測中的應(yīng)用

遙感技術(shù)（RS）、全球定位系統(tǒng)（GPS）、地理信息系統(tǒng)（GⅠS）統(tǒng)稱為3S 技術(shù)，其中GPS 可實時提供目標(biāo)點的坐標(biāo)信息，野外操作簡單，測量成果精度較高，自動化程度高；GⅠS 集地理數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、管理、成果顯示與輸出于一體，是一種可應(yīng)用于各領(lǐng)域基礎(chǔ)平臺信息顯示的手段[27]。現(xiàn)階段，工程監(jiān)測中對3S 技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，不僅可以大大提高測量的效率，也創(chuàng)造了測量新模式。

在工程監(jiān)測中將遙感與地理信息系統(tǒng)（GⅠS）相結(jié)合，可基于GⅠS 提取更多的地物要素，有助于數(shù)據(jù)更新和進一步分析；在制圖方面，有效發(fā)揮遙感與GⅠS的優(yōu)勢，制作滿足不同比例尺和精度要求的圖，遙感數(shù)據(jù)中提供的高程數(shù)據(jù)，應(yīng)用于GⅠS 中可提高數(shù)字化地圖的處理效率，方便編輯得到較為全面的數(shù)字地圖，使得地圖表達更準(zhǔn)確[28]。工程建設(shè)中準(zhǔn)確的定位需全球定位系統(tǒng)（GPS）提供，遙感與GPS 技術(shù)相結(jié)合，可有效應(yīng)用于大比例尺數(shù)字測圖、鐵路與高速公路線路測量、地表形變監(jiān)測、高層建筑變形監(jiān)測等。

遙感技術(shù)的廣泛應(yīng)用離不開GⅠS 與GPS 的幫助，將三者結(jié)合運用于工程監(jiān)測中，可同時實現(xiàn)空間定位和信息處理，豐富數(shù)字地圖，構(gòu)建綜合分析模型，保證工程監(jiān)測的質(zhì)量和效率，為工程監(jiān)測提供新方法。

4 結(jié)語

工程建設(shè)的規(guī)模不斷擴大，測量變得尤為重要，由于地形、工期、天氣等因素的影響，給工程監(jiān)測工作帶來的困難也不盡相同，遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用能有效解決部分困難，提高監(jiān)測質(zhì)量和效率。衛(wèi)星遙感和無人機遙感應(yīng)用相對廣泛，主要包括工程建設(shè)過程中的地表形變監(jiān)測、周邊環(huán)境因子的宏觀觀測、監(jiān)測數(shù)據(jù)快速采集，施工前的監(jiān)測及規(guī)劃設(shè)計、土地利用狀況監(jiān)測、數(shù)字建模工作的完成等。遙感技術(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確、獲取信息量大、監(jiān)測范圍大、效率高、受地面限制少的特點，可為工程建設(shè)提供有效信息，對工程本身及周邊環(huán)境產(chǎn)生的變化及時進行預(yù)判和處理，確保工程建設(shè)的質(zhì)量。

遙感技術(shù)與人工智能研究方向存在密切關(guān)聯(lián)，如今人工智能迅猛發(fā)展，帶動了遙感技術(shù)的更新和創(chuàng)新。如智能機器人的廣泛應(yīng)用將對危險和困難地區(qū)的工程監(jiān)測有很多幫助，無人機航攝技術(shù)的發(fā)展將使得監(jiān)測的效率大大提高[29]。高分辨率遙感影像的先進監(jiān)測手段的不斷探索將會對現(xiàn)場監(jiān)測有很大幫助，進一步提高監(jiān)測精度。遙感技術(shù)的發(fā)展在機器視覺、機器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域?qū)⒚媾R新的機遇與挑戰(zhàn)。