光學遙感觀測技術在IDI保險行業的應用

張賀峰 特日根 儀鋒 趙宇恒 劉欣悅

【摘? 要】IDI保險是工程質量類保險的一種，在國內主要應用于住宅項目。IDI保險需要在工程建設的全過程中進行質量管控和風險評估。常規水準檢測、GPS等技術難以滿足IDI保險對風險建筑進行大范圍、快速、長期監測的需要。光學遙感觀測技術是一種可以實現大面積地物監測的遙感觀測技術，該技術可以為IDI保險的監測工作提供數據信息支持。論文整理了近幾年關于光學遙感觀測技術應用于建筑高度監測的文獻，對分類法、邊緣檢測法、閾值法進行介紹和總結，說明光學遙感觀測技術在IDI保險行業中有較高的應用價值和廣闊的應用前景。

【Abstract】IDI insurance is a kind of engineering quality insurance， which is mainly used in residential projects in China. IDI insurance needs to carry out quality control and risk assessment in the whole process of engineering construction. Detection of conventional leveling， GPS and other technologies are difficult to meet the needs of IDI insurance for large-scale， fast and long-term monitoring of risky buildings. Optical remote sensing observation technology is a kind of remote sensing observation technology which can realize large area ground object monitoring. This technology can provide data information support for the monitoring work of IDI insurance. This paper sorts out the literature on the application of optical remote sensing observation technology in building height monitoring in recent years， introduces and summarizes the classification method， edge detection method and threshold method， and indicates that the optical remote sensing observation technology has high application value and broad application prospect in IDI insurance industry.

【關鍵詞】光學遙感觀測技術;IDI保險;建筑高度;建筑陰影

【Keywords】optical remote sensing observation technology; IDI insurance; building height; building shadow

【中圖分類號】P237;F842.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）01-0150-03

1 引言

建筑工程質量潛在缺陷保險（Inherent Defects Insurance，以下簡稱IDI保險）是工程質量類保險的一種，是承包建筑工程在竣工后的保險期限內，針對因勘察設計缺陷、施工缺陷或材料缺陷等竣工時尚未發現的潛在缺陷造成的建筑結構、防水工程或其他約定項目出現影響安全或使用的物質損失保險。

我國于2005年引入IDI保險，先后在北京、上海等城市開展試點運行。目前，IDI保險在國內處于推廣期，主要應用于住宅項目。根據各試點城市制定的IDI保險實施細則，建筑結構安全是IDI保險中風險最大的一項，具體包括建筑整體或局部倒塌、地基不均勻沉降等[1]。因此，建筑物安全隱患排查、研究建筑基礎和主體結構損壞的現象和機理，并實現快速準確的風險預測是IDI保險風險管理的主要任務。

當前，IDI保險關于建筑物的監測和風險管理，主要依靠保險公司工作人員和第三方監測機構。隨著IDI保險的推廣以及投保項目數量和類型的增加，人工的監測效率會大大降低[2]。所以需要一種技術手段，能夠對目標區內所有建筑物進行全覆蓋、長時間、連續和高精度的形變監測與風險分析，協助保險公司進行風險管理[3]。

光學遙感觀測技術是一種監測范圍廣、成本低、效率高，可以長期定點監測的遙感觀測手段[4]。一方面，光學遙感觀測技術在建筑物識別、建筑物高度推算等方面都達到了較高的計算精度，可以對建筑物的主體結構進行大范圍、周期性的監測;另一方面，對比多時相遙感數據，可以掌握建筑的傾斜和沉降情況。光學遙感觀測技術在這兩方面的研究成果均可應用于IDI保險行業的風險評估，為IDI保險行業建立完善的建筑物風險評估體系提供支持。

2 光學遙感觀測技術在建筑高度計算方面應用的研究概況

光學遙感觀測技術是遙感技術的一種，利用可見光、近紅外和短波紅外傳感器對地物進行特定電磁譜段的成像觀測，獲取和分析被觀測對象的光學特征信息。近年來，光學成像、電子學與空間技術的飛速發展，高空間、高光譜和高時間分辨率遙感技術不斷取得突破，光學遙感觀測技術已成為目前對地觀測和空間信息觀測領域中應用最為廣泛的技術手段[5]。

在光學遙感觀測技術中，獲取建筑物高度的主要方法為陰影側高法，該方法根據遙感圖像中建筑陰影長度推算建筑高度，然后進一步分析建筑變化。

2.1 陰影測高法原理介紹

陰影與建筑物高度關系如圖1所示。

其中，H為建筑物高度;L為陰影長度;α、β分別為衛星和太陽的高度角;δ為太陽和衛星方位角的交角。建筑物高度計算方法為：

當太陽和衛星在建筑物兩側時，建筑物高度H的計算方法可簡化為[6]：

陰影測高法首先在遙感圖像中識別和提取目標建筑的陰影，然后根據陰影長度、衛星方位角、太陽高度角計算建筑高度。該方法只需要單張高分辨率遙感影像就可建立建筑物與陰影的成像集合模型。常用的陰影側高法主要有分類法、邊緣檢測法、閾值法[7]。

2.2 分類法

分類法首先對遙感圖像進行分割，然后使用同質像素組成大小不同的對象，最后根據對象的形狀、大小、紋理、空間關系等特征提取建筑物及其陰影。如田峰等[8]提出利用多尺度分割將遙感圖像分割成若干對象，結合光譜、形狀、形態學陰影指數等特征面向對象分類，相對準確提取出建筑物的陰影并計算陰影的長度，進行城市建筑物高度估計。結果顯示，90%的估計結果絕對誤差小于1m。分類法是當前應用最廣泛的利用陰影計算建筑物高度的方法。該方法可以有效對遙感圖像進行分割，準確地提取建筑物和建筑陰影，具有較高的計算準確度。

近年來，隨著深度學習算法在圖像分割領域的快速發展，利用卷積神經網絡模型對遙感圖像進行特征提取、語義分割同樣取得了較好的效果。如徐昭洪等[9]提出利用改進的U-net模型對建筑物區域進行像素級分割，獲取其輪廓和尺寸信息，實驗結果表明改進的U-net模型對遙感圖像中建筑物的分割提取具有更高的精度，且對建筑密集區的小間隔建筑物的區分能力更強。

2.3 邊緣檢測法

邊緣檢測方法通過檢測遙感圖像中不同區域的邊界灰度變化實現區域分割。如張祚等[10]提出基于建筑陰影形成的原理，提出綜合利用邊緣密度和HSV（hue-saturation-value，色調-飽和度-明度模型）顏色模型識別Google Earth二維影像中的高層建筑陰影，利用在線計算太陽高度角的工具，快速完成建筑高度和陰影長度的估算。龍恩等[11]提出基于同名特征的思想，實現平頂直邊型建筑高度提取。在對同名直邊檢測與精確定位過程中，將其轉化為陰影邊界檢測，主要采用基于邊緣的圖像分割和專家知識相結合的建筑物陰影提取技術。

邊緣檢測方法可以保留圖像重要的結構信息，適合遮蔽少、房屋形體簡單且較為獨立的情況，當影像空間分辨率不夠高、房屋類型多樣，或者樓房間相互遮擋時，會降低建筑物提取的精度，無法保證高精度的建筑物提取結果[12]。

2.4 閾值法

閾值分割是一種簡單有效的基于像素的圖像分割技術，該方法根據每個像素點的特征值和閾值的大小關系，將像素點劃分為不同類別[13]。如Xin Huang等[14，15]提出的形態學建筑指數（MBI）和形態學陰影指數（MSI）就是閾值分割方法中常用的特征依據。首先利用MBI和MSI構建特征圖像，然后根據設定閾值將圖像劃分為建筑、陰影和其他地物，最后利用其他方法對目標區域進行細化處理。

閾值法主要優點在于實現簡單、運算效率高。但遙感圖像顏色復雜，包含圖像元素較多，要達到較高的圖像分割精度，需要在設計閾值計算方法時，結合圖像本身的顏色特征以及空間特征。

3 其他應用場景

隨著IDI保險行業的發展與推廣，其承保項目會從住宅項目逐漸擴展到包括市政項目在內的各類工程，例如，高速公路建造工程、地鐵建設工程、旅游區建設、橋梁、水壩等。光學遙感觀測技術憑借其長期大面積捕獲影像信息的優勢可以在多個方面提供數據和技術支持。例如，高速公路建造工程中，選址期間可結合多期歷史遙感影像數據分析選址沿線的地址環境，以及發生自然災害的可能性。同時，還可以對工程進度進行監測。地鐵建設項目中，利用光學遙感觀測技術可以對沿線的地面沉降進行監測分析。旅游區建設中，可以利用該技術對地質景觀元素特征進行解譯以及進行地質景觀特征值的三維量測與統計。

4 結語

本文首先介紹了IDI保險以及IDI保險在國內的發展情況。其次以住宅工程為例，列舉近幾年光學遙感觀測技術在建筑高度測量、建筑變化監測方面的發展和應用。充分說明該技術在IDI保險行業具有一定的應用前景。最后分析了光學遙感觀測技術在IDI保險未來發展中的應用場景。

總的來看，利用光學遙感觀測技術，可對承保項目建設前、建設中、建設后各個階段進行監測，不僅可以對項目建設過程中出現的問題進行預警，也可以為保險公司的風險管理以及后期理賠提供數據支持。隨著IDI保險行業的推廣與制度的完善，光學遙感觀測技術的應用場景會更加廣泛。

【參考文獻】

【1】鞏劍.工程質量潛在缺陷保險探析——以上海市為例[J].保險理論與實踐，2018（12）：101-112.

【2】代建林，袁勇民，丁連軍，等.衛星遙感技術在IDI保險風控中的應用研究[J].上海保險，2018（03）：28-31.

【3】沈體雁，何飛，史雪靜，等.IDI風險管理新技術探索——基于InSAR技術的建筑形變風險評估[J].上海保險，2019（7）：47-51.

【4】中建協工程保險與擔保分會.上海：建設工程質量缺陷保險為行業保駕護航[J].建筑，2017（11）：22-24.

【5】張兵.光學遙感信息技術與應用研究綜述[J].南京信息工程大學學報，2018，10（1）：1-5.

【6】趙強，楊志，蘇紅超，等.基于高分二號衛星遙感數據的建筑物高度提取[J].大氣與環境光學學報，2019，14（6）：455-462.

【7】劉同華.基于全色遙感影像的建筑物高度提取方法研究[D].長春：長春理工大學，2017.

【8】田峰，陳冬花，黃新利，等.基于形態學陰影指數的高分二號影像建筑物高度估計[J].遙感技術與應用，2017，32（5）：844-850.

【9】徐昭洪，劉宇，全吉成，等.基于VGG16預編碼的遙感圖像建筑物語義分割[J].科學技術與工程，2019，19（17）：250-255.

【10】張祚，李泳佳，胡學敏，等.基于Google Earth的高層建筑快速高度估計與三維可視化——以武漢市為例[J].湖北大學學報（自然科學版），2017，39（2）：188-194.

【11】龍恩，汪源，孟鋼，等.基于同名特征的建筑物高度高分影像提取方法[J].遙感技術與應用，2019，34（1）：107-114.

【12】張慶云，趙冬.高空間分辨率遙感影像建筑物提取方法綜述[J].測繪與空間地理信息，2015（4）：78-82.

【13】馬川，馮德俊，張麗.結合閾值分割和數學形態學的建筑物陰影檢測[J].測繪，2012（4）：151-154.

【14】Huang X，Zhang L.A Multidirectional and Multiscale Morphological Index for Automatic Building Extraction from Multispectral GeoEye-1 Imagery[J].Photogrammetric Engineering & Remote Sensing，2011，77（7）：721-732.

【15】Huang X，Zhang L.Morphological Building/Shadow Index for Building Extraction From High-Resolution Imagery Over Urban Areas[J].Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing， IEEE Journal of，2012，5（1）：161-172.