遙感技術在工程監測中的應用

李雯雯

（上海市建筑科學研究院有限公司，上海 200032）

工程監測與測繪息息相關，應用范圍較廣，主要體現在地上及地下工程的施工監測、工程建設規劃設計測量、工程建設環境監測、變形監測、工程安全監測、工程災害監測及預警等方面[1-4]。近年來，遙感新技術不斷涌現和應用，在傳統監測技術的基礎上極大豐富了工程監測的手段，使得監測結果更準確、更高效、更靈活、更可靠，在環境監測和變形監測中尤為突出[5-6]。作為宏觀監測的新興技術手段，遙感技術在空間性、時間性、數據獲取便利性和豐富性、周期性等方面有較好的優勢，其中無人機遙感和衛星遙感在工程監測中發揮著重要作用[7]。利用遙感技術，便于對工程場地及周邊環境進行宏觀監測，快速獲取信息，豐富數據種類，可根據需求選取不同分辨率的數據進行分析，對工程原有資料的更新、場地動態觀測和長期觀測十分有效。

1 遙感技術的原理與發展

遙感技術于20 世紀60 年代興起，是一門綜合性的新興探測技術，可無接觸遠距離探測目標以獲取電磁波信息，感知遙遠距離的事物所傳達出的信號來探測并識別數據信息，通過與計算機技術、數學方法、空間技術等結合來揭示目標物的幾何、性質、變化規律等特征[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物的信息進行傳輸和處理來識別目標物屬性和特征，即遠距離探測來獲取目標狀態信息；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，遙感技術的優勢主要體現在空間覆蓋范圍廣，可實現大面積同步觀測，不受目標地物周圍地形影響；探測波段范圍廣，可實現全天候監測，獲取的信息量大，遠超常規方法；可動態反映地面事物的變化，獲取信息速度快、短時間內可對同一地區進行重復性、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]。

從地面遙感發展到航空遙感和航天遙感，隨著遙感技術不斷成熟，其獲取的信息越來越豐富，在工程監測領域發揮的作用越來越大，測量數據的采集及處理、復雜條件下的測量、諸多工程的生態環境監測、工程模型的建立與優化、動態監測、地圖測繪等都離不開遙感技術[10]。目前已有多位學者對遙感技術的應用進行了研究，如盧霞等[11]利用多源、多時相的遙感影像監測工程實施前后的遙感表征信息，對不同工程的應用效果進行評價，總結出遙感技術在工程治理與管理中的優勢。王海龍[12]介紹了無人機遙感技術應用在工程測量中的優勢，從不同方面分析了遙感技術的應用。高莉[13]利用ALOS 數據和部分實測數據，經估計得到了研究區退耕還林面積，利用建立的不同地物的光譜信息模型對地面異質性較強的區域提取土地利用信息，為研究區工程區的管理和規劃提供了依據。

2 工程監測的發展及問題

工程監測與生產實踐緊密結合，廣泛服務于國民經濟建設，測繪技術的快速發展為工程監測提供了新的方法與手段，城市化建設進程的快速發展，對工程監測提出了更高的要求，有力推動了監測技術的發展。主要表現在以下方面：監測方法和儀器有進步，電子及物理技術的應用優化了儀器結構性能，提高了精度和穩定性；監測內容不斷增加和完整，數據分析方法不斷提高和完善；工程監測被廣泛應用于施工和環境監測，保證了環境安全和施工質量[14]。

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

3 遙感技術在工程監測中的應用

工程項目中往往存在施工條件復雜、場地空間有限、工程范圍大、環境惡劣等情況，目前，人工監測在眾多項目中仍然發揮著主要作用，主要通過測量特定點來獲取數據，遙感技術的優勢，可克服一定的困難，使得不需要訪問特定的點來采集數據，有利于解決部分監測項目中存在的難題，方便監測過程，提高監測效率，其中，無人機遙感和衛星遙感應用較多。將遙感技術與傳統手段相結合，便于監測工程本身及周邊生態環境的質量和進展。

3.1 無人機遙感在工程監測中的應用

傳統測量手段時效性差、耗費人力物力大、效率較低，無人機遙感技術可以有效克服上述不足，提高測量結果的準確性，可以不受地域條件限制實時獲取數據，且大范圍監測的效率大大提高。廣泛應用于工程施工前的環境監測和影像資料獲取、工程地形圖的繪制、創建數字模型、數字城市建設及低空測量、工程監測中的數據采集和處理、例行檢查監測區域的實際情況、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境條件較差時，影響人工測量結果的準確性或無法進行人工測量，無人機遙感技術可以實時準確地測量，保證監測工作完成和及時發現異常情況[19]。利用該技術所獲得的數據結果較準確，對數據結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數字化地面建模，顯示出各地的坐標、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 衛星遙感在工程監測中的應用

衛星遙感包括光學遙感和雷達遙感，其中光學遙感具有高空間、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射電磁波，不依賴光照條件和氣候條件，可全天時、全天候對地觀測，有效探測目標地物的空間形態特征[20-21]。隨著遙感技術的不斷發展，衛星遙感被越來越多地應用到工程監測中，主要表現在以下方面。

工程建設前期勘測環節，利用遙感監測可獲取大面積的重要信息，短時間內得到監測結論，以滿足施工要求，將遙感監測結果與實測結果進行對比，驗證遙感監測的準確性，總結相關監測規律與方法，豐富監測手段，強化監測力度。地質工程的探測是工程建設過程中必不可少的環節，利用影像中不同波段的特性來監測地下水、巖石、土壤等信息，結合實地考察進行復判，可了解工程建設區地質容易出現的問題[22]。工程建設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星或飛機上，實時拍攝工程場地土地情況，利用不同目標物具有不同反射特性的特點來動態監測場地土地資源使用情況[23]，準確掌握土地使用數據。

工程建設過程中，極易對周邊環境造成破壞，因此在建設時，需重視環境的監測，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，對于地表環境影響很大，包括植被、土壤、地表沉降及形變引發的一系列災害，可利用遙感影像進行宏觀監測，劃定研究區域用影像提取數據進行分析，亦可根據長時序影像對環境因子進行反演，分析工程建設對周邊環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，可對大型工程實現地形圖測繪，編制所需的遙感圖，便于后續測量。

工程建設完成后，對于工程周邊環境的監測仍然十分重要，有利于工程本身的安全和保護環境。可通過影像監測工程施工結束后周邊環境的變化，總結變化規律，如評估礦山開采對周邊環境的損害[25]。對于長線性交通基礎設施形變地面沉降的動態監測、礦區開采工程引發的地面沉陷，可通過雷達遙感探測，利用覆蓋研究區的多景SAR 影像求取相位信息，最終進行差分干涉得到區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 遙感技術結合GIS 和GPS 技術在工程監測中的應用

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

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

遙感技術的廣泛應用離不開GⅠS 與GPS 的幫助，將三者結合運用于工程監測中，可同時實現空間定位和信息處理，豐富數字地圖，構建綜合分析模型，保證工程監測的質量和效率，為工程監測提供新方法。

4 結語

工程建設的規模不斷擴大，測量變得尤為重要，由于地形、工期、天氣等因素的影響，給工程監測工作帶來的困難也不盡相同，遙感技術的發展和應用能有效解決部分困難，提高監測質量和效率。衛星遙感和無人機遙感應用相對廣泛，主要包括工程建設過程中的地表形變監測、周邊環境因子的宏觀觀測、監測數據快速采集，施工前的監測及規劃設計、土地利用狀況監測、數字建模工作的完成等。遙感技術監測數據較準確、獲取信息量大、監測范圍大、效率高、受地面限制少的特點，可為工程建設提供有效信息，對工程本身及周邊環境產生的變化及時進行預判和處理，確保工程建設的質量。

遙感技術與人工智能研究方向存在密切關聯，如今人工智能迅猛發展，帶動了遙感技術的更新和創新。如智能機器人的廣泛應用將對危險和困難地區的工程監測有很多幫助，無人機航攝技術的發展將使得監測的效率大大提高[29]。高分辨率遙感影像的先進監測手段的不斷探索將會對現場監測有很大幫助，進一步提高監測精度。遙感技術的發展在機器視覺、機器學習等領域將面臨新的機遇與挑戰。