衛星遙感技術在IDI保險風控中的應用研究

代建林　中國平安財產保險股份有限公司上海分公司

袁勇民　中國平安財產保險股份有限公司

丁連軍　李　偉　李　越　李吉平　北京東方至遠科技股份有限公司

馮永強　衷振興　上海建科工程咨詢有限公司

建筑工程質量潛在缺陷保險（Inherent Defects Insurance,IDI）是一種針對因建筑工程潛在缺陷造成建筑物損壞承擔賠償責任的保險。其中房屋倒塌、不均勻沉降是IDI面臨的重大風險，會造成極其惡劣的社會影響。早期發現房屋倒塌征兆，預警建筑不均勻沉降，有利于提前采取防范措施，減少損失，減輕影響。衛星遙感能實現大面積對地監測，通過合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術探知城市不同建筑物的微小變化，對潛在的形變風險及時防患，用于IDI保險中建筑工程質量沉降、傾斜風險的量化評估。本文以上海市嘉定區某住宅項目為研究對象，利用衛星遙感監測技術為建筑工程質量缺陷監測提供空間數據支持與科學的理論依據，測試衛星遙感技術在IDI保險風險控制中的應用效果，探索IDI保險運營過程風險管控的新技術手段。

一、引言

IDI保險是一種針對建筑工程質量潛在缺陷的保險，起源于法國，已有幾十年發展歷史，在國外已發展成為一種成熟的建筑工程質量風險管理機制。隨著我國城市的高速發展，城市建設與城市治理之間的矛盾日益突出，迫切需要尋求新的風險轉移機制。在此背景下，IDI保險制度被引入中國，2004年開始在上海、北京等城市開展試點和研究，2012年《上海市建設工程質量和安全管理條例》頒布后，在上海大范圍進行推廣，目前正在全國試點和推廣。如何快速對存在質量缺陷的建筑物進行監測，對潛在的風險進行有效的評估，以期預防性介入運營后的建筑物的質量風險管理，是當前IDI保險遇到的困難之一。

IDI保險主要針對建筑物的主體結構安全、滲水、保溫工程、墻面、頂層抹灰層、電氣管線、設備安裝等因潛在質量缺陷造成的損壞進行承保。其中，以承擔主體結構安全（倒塌、不均勻沉降等）的風險最大，承保期限十年。建筑物主體結構問題易引發安全事故，如房屋倒塌、管道破損、電力設施癱瘓等，因此，需引入有效的技術手段，對標的建筑物主體結構進行連續、定期的監測，準確掌握建筑物主體結構的安全狀態。

衛星遙感技術是一種覆蓋范圍廣、監測精度高、時效性強、受天氣影響小的全天候對地觀測技術。衛星遙感具有持續監測能力，能不斷積累數據，對監測的建筑物對象進行歷史回溯，對標的建筑物從規劃設計到施工，再到運營維護，直至拆除為止的整個生命周期進行風險管理。

衛星遙感技術在諸多保險領域已經得到了應用。在農業保險中，衛星遙感技術與地理信息系統（Geographic Information System或 Geo-Information system，GIS）技術結合，構建基于GIS的農業保險系統，為農業災害預估、農業災情監測提供強大的基礎，最大程度減小農業災害損失。在森林保險中，衛星遙感技術能夠快速實現森林資源普查，有助于全面掌握森林災害損失，為保險公司理賠提供科學依據。以衛星遙感影像為基礎，對臺風前后進行模擬評估，在GIS平臺上對臺風過境區域進行淹沒分析、疊置分析等，對受影響區域進行風險區分，能夠快速預警，減少臺風災害造成的損失。在城市區域，結合衛星遙感影像，能夠大面積分析洪水淹沒損失，獲取災損區域的空間分布狀況。在存在巨大差異的農村，衛星遙感技術作為一種大面積監測的空間信息技術，能夠滿足承保到戶、定損到戶、理賠到戶的農房保險要求。此外，包括LiDAR、無人機、GPS等3S技術已經滲透到保險行業的方方面面。

在中國，IDI保險處于起步階段，幾乎沒有可以使用的歷史數據。對房屋建筑結構的漸變風險的累積，以及從量變到質變發展到倒塌事故的風險加速，都還沒有很好的識別手段。引入衛星遙感觀測技術，尤其是以雷達衛星影像為基礎的InSAR技術，為標的建筑物的主體結構變化的定量刻畫提供了新的選擇。

二、衛星遙感技術應用

（一）衛星遙感觀測技術

1.光學衛星觀測

光學遙感衛星能夠獲取地表高分辨率（優于1m）衛星影像，對影像進行多尺度分割，獲取構成建筑物空間信息的“圖像對象”，研究“圖像對象”的光譜特征、幾何特征、紋理特征和上下文關系等，提取出地表建筑物空間信息，如標的建筑的輪廓、面積和歸一化建筑指數（NDBI）等。通過多光譜影像的光譜特性差異，可對不同的建筑物材質進行識別，并對不同標的建筑進行分類風險管理。

2.雷達衛星觀測

雷達衛星通過傳感器發射電磁波與地表相互作用，接收地表回波信號獲取雷達影像，目前廣泛使用合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar,SAR）進行測距成像獲取SAR影像。SAR的最新應用是InSAR技術，利用覆蓋同一地區的兩幅SAR影像的相位差得到干涉相位圖（Interferogram），對差分干涉圖進一步處理可得到地表沉降信息。InSAR技術十分廣泛，包含差分干涉測量（D-InSAR）、永久散射體干涉測量（Permanent Scatterer Interferometry）、短基線集（Small Baseline Subset）等方法。

InSAR適合相干性良好的地區的微小、緩慢、連續變形監測。COSMO-SkyMed、TerraSAR-X、ALOS-2、Sentinel-1等不同類型的SAR衛星為InSAR技術廣泛應用提供了更多選擇。隨著SAR衛星越來越多，積累的數據也更加充分，不僅滿足對各類變形場的近實時監測，同時可支撐形變場歷史回溯。

IDI保險主要承保建筑物的主體結構安全問題，如倒塌、不均勻沉降等，承保期限10年，建筑竣工2年后開始承保，承保前的2年為觀察期，能否對建筑主體結構進行有效監測，掌握標的建筑主體結構變化信息，有助于責任界面的劃分。在高精度的監測結果要求下，InSAR技術需要研究區具有較長時間（不低于1～3年）同一類型、同一模式、同一衛星的數據積累。從這個角度出發，IDI承保標的參考指標與時序InSAR技術特征高度契合。因此，InSAR技術的工程化應用有助于IDI保險責任界面的劃分以及保險責任期內重大風險的預測、預防。

?圖1　光學遙感影像用于建筑物分類管理

?圖2　衛星遙感應用于標的建筑物形變風險評估技術路線

（二）建筑物風險評估

人為的地表改造和施工活動，會造成某一地區的光譜特性以及失相干，利用這一特性，可同時結合光學影像和雷達影像對既有建筑物進行監測，定性和定量描述其主體結構變化，圖2是光學影像和雷達影像相結合對標的建筑物進行風險評估的技術路線。

三、建筑物主體結構風險分析方法

（一）PS-InSAR技術

SAR衛星長時間監測標的建筑物主體結構變化主要使用PS-InSAR技術，通過對30期以上的SAR影像進行處理，獲取標的建筑物的時序沉降形變信息及空間差異性。

PS-InSAR以差分干涉為基礎，獲取差分干涉圖。在差分干涉圖中，考慮到各種因素，第i個像元的差分干涉可表示為：

其中，rti為地表形變量，φtopi為地形殘差相位，αi為大氣延遲相位，ni為噪聲相位。假設地表的線性形變速率為常數υ，則：

式（2）中，ti為時間基線，對PS差分干涉相位構建相位模型：

得出（3）式中的Δφ后，根據Ferretti等人提出的算法對（1）式進行迭代求解，即可解算出形變速率υ，也就是標的建筑物的形變速率，獲取建筑形變速率是對建筑物進行風險評估的前提。

（二）建筑物形變風險分析矩陣

PS-InSAR技術的結果是得到大量的描述監測對象形變信息的測量點，這些測量點的形變信息主要體現時序上的曲率變化以及空間上的沉降差異。因此，對建筑物形變風險分析的基本思路是：在PS-InSAR技術形變監測結果的基礎上，從時間域和空間域維度進行形變風險分析和風險預測，構建建筑物形變風險分析矩陣。

?圖3　建筑物形變風險分析矩陣

四、案例研究

（一）研究區概況

本文以上海市嘉定區某住宅項目作為研究區，該區內有23棟主要的居民住宅樓，總占地面積約為200000平方米，以光學衛星影像特征提取與InSAR雷達衛星形變監測相結合，分析不同標的建筑物在時間域和空間域的形變差異性。

（二）衛星遙感數據選擇與處理

以光學衛星影像作為底圖，提取各住宅樓基底并逐一編號（從1號樓至23號樓）。通過光學影像可知，研究區內住宅樓的開工時間為2011年11月21日前，竣工時間為2013年12月29日。SAR影像選取處理需在建筑物竣工后，以及2014年4月至2017年2月間的34期同頻率、同入射角、同一成像方式的COSMO-SkyMed雷達衛星數據，時間跨度近三年，滿足IDI保險的2年觀察期。主影像為2014年7月21日，通過PS-InSAR技術處理34期COSMO-SkyMed影像，共獲取研究區內4910個測量點的形變信息及三維位置信息。

（三）標的建筑物風險分析

1.空間域形變分析

研究區內測量點的空間分布如圖6所示，由圖可知，研究區內北側的沉降形變明顯高于南側，整體沉降程度呈“南低北高”狀態，總體比較穩定，部分住宅樓存在明顯的非均勻沉降（圖6虛線框內）。

2.時間域形變分析

選取存在不均勻沉降的18號樓，分析其在時序上的沉降變化。如圖7，18號樓西側呈“L”形，2014年7月22日至2014年11月28日有一個陡降過程，最大沉降量超過15mm；18號樓東側呈不斷下沉趨勢，在2014年8月22日至2016年8月27日內，沉降曲線呈“W”形，可能與季節性溫度差異導致的“熱脹冷縮”效應有關，最大沉降量接近40mm。18號樓東西兩側最大沉降差異超過20mm，需要在后期監測中重點關注。

?圖4　光學衛星影像獲取研究區的位置、范圍

?圖5　COSMO-SkyMed雷達衛星影像獲取建筑物測量點形變信息及三維位置信息

?圖6　研究區內各棟建筑物的沉降形變空間分布狀況

?圖7　18號樓東西兩側沉降差異對比

?表研究區內23棟住宅樓形變風險區劃

?圖8　研究區內23棟建筑物形變風險區劃

3.住宅樓形變風險評估

參考《建筑變形測量規范》（JGJ 8-2007）對建筑變形測量的級別、精度指標及其適用范圍的規定，結合InSAR行業應用標準，對研究區內的住宅樓進行形變風險預測和形變風險區劃，如左表。

對存在非均勻性沉降的住宅樓，在后續的形變監測中，需要重點關注。一旦進行IDI保險承保，在10年的承保期內，需要進行連續、定期監測，時刻掌握其主體結構變化情況，并對研究區的住宅樓進行實地排查，確認是否有主體結構變化導致的裂縫，以采取及時的風險防范措施。再結合GIS空間分析，將23棟居民住宅樓形變風險大小進行分級顯示，便于IDI保險風險管理。

五、總結

本文以上海市嘉定某住宅建筑為研究對象，探索衛星遙感技術，尤其是InSAR技術在IDI保險風險管控中的應用。通過試驗，獲取了研究區內23棟居民住宅樓的形變變化信息。以建筑物形變風險分析矩陣為依據，分析了住宅樓在時間域和空間域的形變差異。在此基礎上，對23棟住宅樓進行形變風險評估，并按“高、中、低”的方式對23棟住宅樓進行風險分級，以便服務于IDI保險的標的建筑物風險管理。

衛星遙感技術目前已經日漸發展成熟。以IDI保險為中心，以衛星遙感技術為手段，有助于保險風險控制技術多元化、全面化，有助于推動行業技術創新，促進建筑工程質量風險控制技術的發展，助力行業發展，有助于實現保險在建筑工程質量領域的社會風險管理職能，促進風險控制技術和保險保障的更好結合，有助于分散城市建筑物潛在風險，協調城市發展與城市治理之間的矛盾。