基于遙感技術的建筑結構系統分析及信息提取

張軍謀

(浙江安地建筑規劃設計有限公司，浙江 杭州 310012)

隨著我國建筑工程項目越來越多，施工質量受到人們更多的重視，對建筑結構的要求也越來越高。建筑房屋作為人們生活的基本空間，建筑結構設計的可靠性與人們生命和財產的安全緊密相關。

文獻[2]采用了實用鑒定法，應用各種檢測技術對建筑結構本身和周圍環境進行調查分析。文獻[3]中使用概率鑒定法，根據建筑物的結構和環境信息，建立了建筑結構性能到的概率分析模型。

針對上述研究中的情況，通過遙感技術獲取高分辨率的建筑影像實現建筑結構的信息獲取，利用多級模糊綜合分析算法得出可靠性指數完成了對建筑結構的可靠性分析。

1 建筑結構設計的可靠性分析系統設計

本研究可靠性分析系統主要分為2個部分，高分辨率建筑遙感圖像的獲取和處理，建筑結構可靠性分析。利用遙感技術獲取高分辨率的建筑影像，使用ENVI5.3+IDL8.5對遙感影像進行預處理，提取建筑的紋理特征和空間信息。調查建筑各子系統之間的連接部分的特性，測量建筑構件的使用情況。對遙感圖像提取紋理特征了解建筑房屋的內部結構和外部結構。設計多級模糊綜合分析模型，根據子系統的因素集和權重集計算出建筑結構子系統的模糊矩陣的特征向量，從而判定可靠性等級。本研究系統結構如圖1所示。

圖1 建筑結構可靠性分析系統結構圖Fig. 1 Structural diagram of building structure reliability analysis system

對可靠性進行分析前，就遙感技術調查建筑的實際情況和既定結構，對建筑房屋的不同截面進行測量；然后，對輸入的高分辨率遙感影像進行角點檢測，提取建筑區的角點特征。對現有建筑結構進行可靠性分析時，根據當前的建筑結構和構件相應指標和失效標準進行評估，對建筑房屋內部結構做出預測，分析建筑結構的定性變化。表1為建筑結構的極限狀態和可靠性分析指標。

表1 建筑結構極限狀態和可靠性分析指標Tab.1 Limit state and reliability analysis index of building structure

遙感影像中的建筑區因具有豐富的紋理、邊緣等空間信息，使其呈現出不同于背景的顯著的外觀模式。本研究利用遙感技術獲取高分辨率的建筑物影像，提取其中的紋理特征和空間信息。遙感影像建筑物特征提取流程如圖2所示。

圖2 遙感影像建筑物特征提取流程Fig. 2 Process of building feature extraction from remote sensing image

本研究提出建筑區顯著性模型，主要是基于建筑區紋理和結構模式的顯著性來構建的，需要對高分遙感影像建筑區的紋理特征進行提取和表示。

2 關鍵技術設計

2.1 多級模糊綜合分析模型的可靠性分析方法

建筑結構是一個錯綜復雜的整體，建筑整體是由大量不同類型的構件和不同功能的系統共同組成。建筑整體失效和部分失效狀態之間存在串聯和并聯關系，由于建筑構成的因素，建筑從構件到子單元再到整個子系統逐步分層構件，建筑結構的失效狀態也出現同樣的層次關系。本研究的可靠性模型如圖3所示。

圖3 可靠性分析模型圖Fig. 3 Reliability analysis model diagram

(1)

式中：表示各子系統的可靠性。可靠性判定的閾值大多由檢測人員進行劃分，造成評估結果人工因素影響過大，因此加入多級模糊綜合分析模型對建筑結構設計可靠性進行分析。

對建筑結構進行可靠性分析先從最下層開始，對每一個子集評估得到的總評估矩陣，則的模糊綜合分析結果為：

=·=(1,2,3,4)

(2)

式中：表示該建筑結構子系統的的模糊權向量；表示子系統中的單因素可靠性分析結果。將作為一個建筑結構的綜合因素，所有構成了對的總可靠性矩陣可表示為：

=[,,…,]=()×4

(3)

(4)

(5)

得到=[,,…,]為建筑結構子系統或建筑構件的特征向量。計算判斷矩陣中最大特征根為：

(6)

式中：()表示中的第個元素，為：

(7)

運用多級模糊綜合分析模型，對建筑結構的子系統和建筑構件初次向下細化，然后根據建筑構件計算可靠性特征向量評定可靠性等級，逐次向上進行評級，最終根據子系統和建筑構件的可靠性共同決定建筑整個結構的可靠性。

2.2 高分辨率遙感影像建筑物提取

本研究利用遙感技術獲取高分辨率的建筑物影像，提取其中的紋理特征和空間信息。本研究遙感技術指標如表2所示。

表2 遙感技術指標Tab.2 Technical Index of remote sensing

高分影像數據預處理主要分為輻射定標、大氣校正和正射校正等處理環節。輻射定標是將影像傳感器所得的測量值(DN值)變換為絕對亮度為與地表反射率、表面溫度等物理量有關的相對值的處理過程，目的是消除傳感器本身產生的誤差。輻射定標的計算公式：

()=Gain·DN·Offset

(8)

式中：表示轉換后的幅亮度；DN為傳感器接收的觀測值；Gain表示定標增益值；Offset表示定標偏差值。本研究使用ENVI5.3+IDL8.5編程環境編寫ENVI5.3的批量預處理擴展插件，開發接口如表3所示。

表3 ENVI5.3提供的預處理開發接口Tab.3 Pre-processing development interface provided by ENVI5.3

使用ENVI擴展插件的方法實現批量預處理功能。插件主要進行大批量原始高分影像輻射定標、大氣校正和正射校正處理，輸出預處理后的高分影像。預處理后的建筑影像如圖4所示。

圖4 預處理后的遙感建筑影像Fig. 4 Pre-processed remote sensing building image

提取遙感圖像中的建筑特征先計算波段的紋理熵，使用自動閾值分割的方法大致提取建設用地。紋理熵是從單波段影像上計算灰度共生矩陣，提取熵值作為紋理特征測度。灰度共生矩陣反映了影像灰度關于方向、相鄰間隔、變化幅度的綜合信息。紋理熵可表示為：

(9)

式中：(,)表示灰度共生矩陣的(,)位置上的值。3個方向上遙感建筑圖像的問題特征如圖5所示。

圖5 遙感建筑圖像特征Fig. 5 Features of remote sensing building image

高分辨率遙感影像建筑區的紋理不僅細節豐富、結構復雜，還具有多尺度特性。能夠更加直觀清晰地了解建筑區結構和布局，為對建筑結構進行可靠性分析評價提供數據支持。為使采集到的建筑圖像實現高分辨率，本研究設計出高幀頻電荷耦合器件作為可見光組件探測器，其并行輸出端口可達到32個，每個端口模擬視頻像元速率可達到35 MHz。高速高光譜成像儀要實時處理32個通道的高速CCD模擬視頻信號，需選擇針對航天遙感模擬視頻的多通道高速模數專用處理芯片。本研究高速高光譜成像儀電路如圖6所示。

圖6 高速高光譜成像儀電路Fig. 6 Circuit of high speed hyperspectral imager

遙感高速高光譜成像儀中，采用8片4通道高速模數轉換器ADDI7004搭建的大面陣高幀頻高速高光譜成像儀電子學系統，實現了幀頻1 500 fps的指標設計。模數轉換電路的每個通道并行輸入模擬視頻的像元頻率在35 MHz，采用12 bit量化，每片模數轉換芯片的輸出數字數據量高達1.92 Gb/s。圖像數據壓縮電路主備份各采用8片高速串行SerDes傳輸芯片；短波紅外主備各采用4片TLK2711將圖像數據送給壓縮編碼電路。

3 結果及分析

為驗證本研究建筑結構設計可靠性分析方法的性能，分別使用文獻[2]方法、文獻[3]方法和本研究方法對建筑結構進行可靠性分析。表4為對建筑結構分析的硬件實驗環境。

表4 實驗環境Tab.4 Testing environment

實驗環境設定在某建筑用地進行數據采集，通過常規的CCD攝像機和本研究的遙感技術進行數據采集，實驗時間設定4 h，輸出信息數據如表5所示。

表5 實驗樣本數據信息Tab.5 Test sample data

本研究遙感使用遙感技術采集到的建筑區域的信息采集量如表6所示。

表6 建筑區域信息采集量Tab.6 Quantity of building area information collection

通過表6可以看到，本研究的方法在惡劣環境具有較好的穿透能力，采集到的圖形信息比較清楚。再對建筑結構的可靠性能夠進行分析，對建筑結構的承載能力、支撐情況、結構布置、梁與構造柱和最大碳化深度進行綜合分析，得出整體建筑結構的可靠性。本研究使用的多級模糊綜合分析模型基于數據樣本，表7為建筑結構可靠性分析的測試樣本數據。

在以上實驗環境中使用3種可靠性分析方法對表3中5組建筑結構樣本數據進行可靠性分析，得到的可靠性指標如圖7所示。

表7 測試樣本數據Tab.7 Test sample data

圖7 實驗結果Fig. 7 Test results

由圖7可知，本研究對建筑結構進行可靠性分析評價的效果更好，得到的分析結果更加科學客觀。由于第1組建筑結構樣本數據的使用年限最小，建筑結構完整，建筑構件沒有遭到損壞，上部結構承載能力較強，地基基礎和維護結構系統完整，本研究得出的可靠性評價指數為8.725。本研究得出的可靠性指數變化程度不大，對建筑結構可靠性分析考慮到多個評價指標，將整個建筑結構進行分層，對子系統和構件逐層分析，得出的分析結果更加細致、科學、客觀。

文獻[2]和文獻[3]得出的可靠性指數變化起伏較大，對樣本數據做出較高或較低的評價結果，與真實情況存在差距，可靠性分析效果不佳。

4 結語

本研究對建筑結構設計中的可靠性進行了分析，利用遙感技術獲取高分辨率的建筑影像，構建高分影像建筑區的紋理顯著性模型，進行閾值分割獲得建筑區目標。將整個建筑結構分為多個子系統和建筑構件進行分析建立了可靠性分析模型，分析子系統的特征向量，確定可靠性等級，作為輸入共同影響整個建筑結構的可靠性。

建筑結構的類型種類有很多，本研究只是針對個別類型進行研究，對于超高層和特殊結構的建筑可靠性分析方法可能不適用，還需進一步研究完善可靠性分析建筑結構評估對象的種類。