基于攝影測量與遙感技術(shù)的建筑工程測量研究

蔡 尉

廣東科能工程管理有限公司 廣東 廣州 510507

1 引言

隨著城市化進程的不斷推進，建筑工程在現(xiàn)代社會中扮演著舉足輕重的角色。然而，在建筑工程的規(guī)劃、設(shè)計、施工及監(jiān)管過程中，常常會遇到諸多問題（例如，結(jié)構(gòu)變形、土壤穩(wěn)定性等），這些問題可能會對工程的質(zhì)量和安全產(chǎn)生嚴重影響。傳統(tǒng)的測量方法往往耗時費力，且精度受限，因此，尋找一種精確、高效的測量方法變得尤為重要。攝影測量與遙感技術(shù)憑借其高分辨率、廣覆蓋區(qū)域和快速獲取數(shù)據(jù)的特點，逐漸成為了解決相應(yīng)問題的有力工具。

2 攝影測量與遙感技術(shù)概述

2.1 攝影測量原理與方法

攝影測量是一種基于影像信息的測量方法，通過獲取相機拍攝的影像數(shù)據(jù)并運用幾何學原理，實現(xiàn)對地物位置、形狀和尺寸等信息的測量與分析。攝影測量的基本原理是通過對同一目標在不同位置拍攝的影像進行幾何分析，推導出地面目標的空間坐標。其核心方法包括像對法、立體模型構(gòu)建、空間定向與攝影測量精度評定等。

在攝影測量過程中，首先需要獲取具有重疊區(qū)域的影像對，即通過不同位置或角度拍攝同一區(qū)域的影像。接著，根據(jù)影像的內(nèi)外參數(shù)，通過三角測量、立體線和立體角分析等技術(shù)手段，確定地面上各點的空間位置。攝影測量技術(shù)廣泛應(yīng)用于地圖制作、工程測量、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，其非接觸式的特點使其在遙遠或危險區(qū)域的測量中具有顯著優(yōu)勢。如圖1所示。

圖1 攝影測量原理

2.2 攝影測量與遙感技術(shù)在工程測量中應(yīng)用的主要技術(shù)類型

2.2.1 衛(wèi)星遙感影像技術(shù)

衛(wèi)星遙感影像技術(shù)是利用衛(wèi)星從空間獲取地表信息的一種方法。通過衛(wèi)星遙感影像技術(shù)，可以獲得大范圍、高分辨率的地表信息，包括地形、植被、水體等。這些信息對于工程測量具有重要意義，可以用于城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測、資源管理等方面。

衛(wèi)星遙感影像技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠提供靜態(tài)信息，還可以通過多時相影像進行變化監(jiān)測，識別地表的演變過程。這對于工程項目的進展監(jiān)測以及自然災(zāi)害的評估具有重要價值。此外，衛(wèi)星遙感影像技術(shù)的發(fā)展也使得遙感數(shù)據(jù)成為地理信息系統(tǒng)（GIS）的重要數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)了空間信息的全面集成和分析[1]。

2.2.2 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

在大量遙感數(shù)據(jù)中提取有用信息是一項挑戰(zhàn)性任務(wù)，而數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)可以應(yīng)用于處理和分析這些數(shù)據(jù)，從中發(fā)現(xiàn)隱藏的模式和關(guān)聯(lián)。通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，工程師可以更深入地理解地表特征，預測變化趨勢，并輔助決策。

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)包括聚類、分類、關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘等方法，可以幫助工程測量人員從遙感數(shù)據(jù)中提取出地表特征的分類信息、空間分布以及可能的關(guān)聯(lián)因素。這些信息有助于制定工程方案、評估環(huán)境影響等。

2.2.3 攝影與航測技術(shù)

攝影測量與航測技術(shù)是傳統(tǒng)的工程測量方法，在遙感領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。攝影測量利用攝影測量儀從空中獲取影像數(shù)據(jù)，然后通過測量分析獲取地物的幾何信息。航測技術(shù)則包括飛行器的軌跡測量、姿態(tài)測量等。

這些技術(shù)可以提供高精度的地物空間位置和幾何信息，為工程測量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過攝影測量與航測技術(shù)，可以制作數(shù)字高程模型、三維地圖等，為工程規(guī)劃、設(shè)計和施工提供支持。

2.2.4 航測、遙感與定位技術(shù)

航測、遙感與定位技術(shù)結(jié)合了航測技術(shù)、衛(wèi)星遙感技術(shù)以及全球定位系統(tǒng)（GPS）等定位技術(shù)，實現(xiàn)了對地表信息的全方位獲取和定位。這種綜合應(yīng)用可以提供更加精確的地理空間信息。

這些技術(shù)在工程測量中的應(yīng)用范圍廣泛，涵蓋了道路建設(shè)、土地利用規(guī)劃、資源勘查等多個領(lǐng)域。通過精確定位和高分辨率影像數(shù)據(jù)，工程師能夠更好地分析地表情況，制定科學合理的工程方案[2]。

2.2.5 智能化技術(shù)

智能化技術(shù)如人工智能和機器學習在攝影測量與遙感領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加。這些技術(shù)能夠從大規(guī)模的遙感數(shù)據(jù)中提取特征、識別目標、分析變化趨勢等。

智能化技術(shù)可以加速遙感數(shù)據(jù)的處理和分析過程，提高工作效率。例如，利用機器學習算法可以自動識別建筑物、道路網(wǎng)絡(luò)等地物，從而減輕人工處理的負擔。此外，智能化技術(shù)還有助于遙感數(shù)據(jù)的分類與監(jiān)測，為工程決策提供更加準確的信息支持。

3 建筑工程測量中的問題分析

3.1 建筑結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測與分析

建筑工程施工過程中，隨著施工完成結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加、材料進場、設(shè)備構(gòu)件的安裝，或受到風荷載、雨雪荷載的影響，結(jié)構(gòu)承受的荷載來斷變化，這會使用建筑結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，為建筑工程的安全性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，施工管理人員須進行結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測與分析。傳統(tǒng)測量方法往往只能在有限的監(jiān)測點上進行，受觀測位置、距離限制，在捕捉結(jié)構(gòu)的全面變形情況方面存在局限性。這可能導致無法發(fā)現(xiàn)分布不均的變形問題，進而影響了對整體穩(wěn)定性的判斷。其次，如果監(jiān)測頻率太低可能導致無法及時捕捉到結(jié)構(gòu)變形的臨時或快速變化，從而影響了對變形過程的準確把握。此外，測量數(shù)據(jù)可能受到環(huán)境干擾、設(shè)備誤差等因素的影響，從而產(chǎn)生噪聲和誤差，可能導致分析結(jié)果不準確，進而影響結(jié)構(gòu)安全評估的準確性。如果采用多種不同的監(jiān)測技術(shù)，數(shù)據(jù)的整合和分析可能會面臨困難，導致信息碎片化，難以綜合判斷結(jié)構(gòu)的變形情況。結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)的解讀和分析需要專業(yè)知識和技能，如果缺乏專業(yè)人員，可能會導致對變形情況的誤解和錯誤判斷。

3.2 地質(zhì)與土體穩(wěn)定性測量分析

在深基坑工程施工或土質(zhì)變化較大地段施工、靠近山體位置施工過程中，施工人員需地地質(zhì)和土體穩(wěn)定性進行測量分析，地質(zhì)與土壤穩(wěn)定性觀測領(lǐng)域，存在一系列問題需要認真分析和解決，以確保土體穩(wěn)定性和建筑工程的施工安全性。第一，建筑工程施工過程中，隨著基坑開挖深度的增加，原來保持內(nèi)部穩(wěn)定的自然土體的壓力不斷產(chǎn)生變化，壓力達到一定數(shù)值將會產(chǎn)生基坑塌方，影響作業(yè)安全和施工進度。第二，土壤力學性質(zhì)的變異性使得同一區(qū)域不同位置的土壤性質(zhì)存在差異，這可能在施工過程中導致遇到不同的土壤條件，從而影響基礎(chǔ)設(shè)計和施工計劃。第三，部分地區(qū)存在地質(zhì)災(zāi)害風險，如滑坡、地震等，這些因素可能導致地質(zhì)和土壤發(fā)生突然變化，進而影響建筑物的穩(wěn)定性。土壤侵蝕和沉積也可能改變地表地質(zhì)結(jié)構(gòu)，進而影響基礎(chǔ)穩(wěn)定性和建筑物的安全性。第四，地下水位的變化可能影響土壤的承載力和穩(wěn)定性，但預測地下水位變化是復雜的，若預測不準確可能導致施工中的問題[3]。

3.3 施工進度與質(zhì)量監(jiān)控

其一，不準確的測量數(shù)據(jù)可能由測量設(shè)備誤差或人為操作失誤引起，從而影響對施工進度和質(zhì)量的準確判斷，可能導致不必要的延誤和成本增加。其二，數(shù)據(jù)處理和分析的復雜性可能造成結(jié)果的不準確。如果在數(shù)據(jù)處理過程中出現(xiàn)錯誤或誤差，將影響對施工進度和質(zhì)量的判斷，從而降低決策的準確性。其三，如果監(jiān)測數(shù)據(jù)不能及時收集和分析，將難以實時追蹤和調(diào)整施工進度和質(zhì)量，從而可能導致問題被忽視，影響工程的質(zhì)量和進度。其四，施工進度和質(zhì)量監(jiān)控需要綜合分析多個參數(shù)和因素，而缺乏綜合分析可能導致決策不全面，忽略重要信息。其五，缺乏足夠的人力資源和專業(yè)的測量團隊可能導致無法有效執(zhí)行監(jiān)控任務(wù)，從而影響工程的監(jiān)控效果。

4 基于攝影測量與遙感技術(shù)的建筑工程測量策略

4.1 影像獲取與預處理

影像獲取與預處理是基于攝影測量與遙感技術(shù)的建筑工程測量的關(guān)鍵起點。在建筑測量中，影像數(shù)據(jù)的獲取和處理為工程的精確性、準確性以及后續(xù)分析提供了堅實基礎(chǔ)。

首先，影像數(shù)據(jù)的多源采集如航空攝影、無人機影像和衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，為建筑工程提供全面且多尺度的視角。這種全景視野能夠在建筑的不同階段提供準確的信息，支持施工控制、變形觀測等工作。此外，為了確保數(shù)據(jù)的精確性，結(jié)合精密定位設(shè)備和大地控制點進行高精度的地理坐標校正，將影像數(shù)據(jù)準確地映射到現(xiàn)實世界坐標系中。影像預處理是確保后續(xù)分析準確性的關(guān)鍵一步。在建筑測量中，輻射校正用于消除影像中的光譜和輻射畸變，從而保證影像數(shù)據(jù)反映真實的地物特征。影像配準則能夠?qū)⒉煌瑫r間和角度的影像在相同坐標 系下對齊，為建筑物的變形觀測和結(jié)構(gòu)分析提供一致的基準。圖像增強和降噪技術(shù)則能夠提升影像質(zhì)量，使建筑物特征更加清晰可見。對于復雜地形和遮擋情況，影像融合技術(shù)的應(yīng)用能夠提供更完整的數(shù)據(jù)，確保不同角度的信息都被充分利用。多時相影像融合則保持了時序的一致性，有助于觀測建筑物變形或施工進度變化。

4.2 特征提取與分析

在基于攝影測量與遙感技術(shù)的建筑工程測量中，特征提取是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，與其他步驟緊密相連，共同構(gòu)建了整個測量流程。特征提取策略在建筑測量中的具體應(yīng)用如下：

首先，特征提取聚焦于從影像數(shù)據(jù)中獲取建筑物的關(guān)鍵信息。通過計算機視覺技術(shù)，實現(xiàn)目標檢測和圖像分割，將建筑物的邊界、角點、輪廓等幾何特征準確提取出來。光譜信息的分析則有助于區(qū)分不同材料，實現(xiàn)建筑物材料的分類和識別，從而為后續(xù)的建筑物分析和變化檢測提供數(shù)據(jù)支持。其次，特征分析將關(guān)注建筑物的幾何特征和空間關(guān)系。利用提取的特征信息，可以進行三維重建，生成建筑物的數(shù)字模型，為工程設(shè)計和施工提供準確的參考。同時，通過分析特征在不同時間點的變化，可以捕捉建筑物的動態(tài)信息，用于變形監(jiān)測和建筑物變化檢測，為工程管理提供重要依據(jù)。特征的多源融合是提高測量準確性和全面性的關(guān)鍵策略之一。整合來自不同傳感器的多時相影像數(shù)據(jù)，融合不同類型的特征信息，能夠綜合利用各種數(shù)據(jù)源，提高特征提取和分析的可靠性。這種融合可以解決單一數(shù)據(jù)源可能存在的局限性，從而更準確地反映建筑物的特征。最后，特征提取與分析策略與其他階段緊密銜接，形成完整的建筑測量流程。它與影像獲取和預處理相結(jié)合，確保從源頭獲得高質(zhì)量的影像數(shù)據(jù)，并通過特征提取與分析，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有價值的建筑物信息。這些信息將為后續(xù)的建筑變形監(jiān)測、變化檢測等工作提供關(guān)鍵支持，實現(xiàn)全流程的無縫連接，確保建筑工程的安全性、質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展[4]。

4.3 建筑結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測與分析

變形監(jiān)測與分析是基于攝影測量與遙感技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。測量人員可以采用影像匹配技術(shù)，將不同時間點的影像進行配準，建立影像間的對應(yīng)關(guān)系。通過匹配點的位移和形變，能夠精確計算建筑物的變形量和變形速率。將采用時間序列分析方法，監(jiān)測建筑物的動態(tài)變化。通過連續(xù)獲取影像數(shù)據(jù)，可以實時跟蹤建筑物的變化趨勢，發(fā)現(xiàn)潛在的結(jié)構(gòu)變形問題，并及時采取必要的措施。變形分析將結(jié)合數(shù)學建模和仿真技術(shù)，可以利用數(shù)學模型描述建筑物的變形特征，通過影像數(shù)據(jù)進行模擬和驗證。這有助于更好地理解變形機制，為工程管理者提供更準確的變形分析結(jié)果。變形監(jiān)測與分析策略將充分利用影像數(shù)據(jù)的時序信息和空間信息，實現(xiàn)對建筑物變形的全面監(jiān)測與深入分析。通過跨學科的方法，能為工程管理提供及時的變形預警，確保工程的安全性和可靠性。如圖2所示。

圖2 攝影測量與遙感

4.4 建筑實體變化檢測與監(jiān)測

通過多時相影像數(shù)據(jù)的比較，建筑實體變化檢測與監(jiān)測旨在識別建筑物在不同時間點發(fā)生的變化情況。這需要采用圖像配準和變化檢測算法，以精確定位變化區(qū)域，并分析變化的性質(zhì)和范圍。在這一過程中，機器學習和人工智能技術(shù)的引入可以自動化識別建筑物變化，提升檢測的效率和準確性。

針對不同類型的建筑變化，如新建、拆除、擴建等，應(yīng)制定相應(yīng)的分析方法和指標。不同類型變化的特點和影響可能各異，因此采用針對性的策略進行分析，有助于更全面地理解變化的本質(zhì)和影響。

將建筑變化監(jiān)測與施工進度和質(zhì)量監(jiān)控相結(jié)合，可以實現(xiàn)多方面信息的交叉驗證。通過將實際施工進度和質(zhì)量數(shù)據(jù)與變化檢測結(jié)果進行對比，能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在的異常變化，預警可能存在的問題。這為工程管理者提供了更準確的決策支持，有助于及時調(diào)整施工計劃和確保工程質(zhì)量。整合多源數(shù)據(jù)、提高自動化分析能力是實現(xiàn)建筑變化檢測與監(jiān)測策略的關(guān)鍵。多種影像數(shù)據(jù)的融合，以及機器學習算法的應(yīng)用，可以增強對建筑變化的感知能力。這將為工程變化的監(jiān)管和管理提供更強有力的工具和手段，幫助管理者更好地把握工程動態(tài)，保障工程的質(zhì)量和進度。

4.5 環(huán)境監(jiān)測與影響評估

環(huán)境監(jiān)測與影響評估依靠多源遙感數(shù)據(jù)，以獲取周邊環(huán)境信息，如空氣質(zhì)量、植被分布、水體情況等。這些數(shù)據(jù)的采集和分析將有助于深入了解建筑工程對周圍環(huán)境的影響。通過對不同時間點的影像進行時序比較和空間分析，可以準確把握環(huán)境變化趨勢，及時識別潛在的環(huán)境問題。建立環(huán)境評估模型是實現(xiàn)定量分析的關(guān)鍵策略。將遙感數(shù)據(jù)與環(huán)境影響指標結(jié)合，能夠更準確地評估建筑工程對環(huán)境的影響程度。這些模型可以關(guān)注工程施工和運營階段對空氣、水、土壤等方面的影響，為環(huán)境污染、生態(tài)破壞等問題提供科學評估和決策支持。在環(huán)境影響評估中，應(yīng)考慮可持續(xù)性因素。從資源利用效率、生態(tài)保護、社會影響等多個維度進行評估，有助于評價工程對環(huán)境可持續(xù)性的影響。這不僅為環(huán)保規(guī)劃和生態(tài)保護提供了科學依據(jù)，還能為工程的可持續(xù)發(fā)展提供指導。

5 結(jié)束語

本文通過對建筑工程中相關(guān)問題的研究，結(jié)合攝影測量與遙感技術(shù)，提出了相應(yīng)有效的解決方案。實驗結(jié)果表明，在測量問題的識別、分析和監(jiān)測方面，攝影測量與遙感技術(shù)具有方便快捷、直觀明了、精確度高、省工省力的明顯的優(yōu)勢。未來的研究可以進一步探索，以進一步完善該解決方案。