遥感技术在工程监测中的应用

李雯雯

（上海市建筑科学研究院有限公司，上海 200032）

工程监测与测绘息息相关，应用范围较广，主要体现在地上及地下工程的施工监测、工程建设规划设计测量、工程建设环境监测、变形监测、工程安全监测、工程灾害监测及预警等方面[1-4]。近年来，遥感新技术不断涌现和应用，在传统监测技术的基础上极大丰富了工程监测的手段，使得监测结果更准确、更高效、更灵活、更可靠，在环境监测和变形监测中尤为突出[5-6]。作为宏观监测的新兴技术手段，遥感技术在空间性、时间性、数据获取便利性和丰富性、周期性等方面有较好的优势，其中无人机遥感和卫星遥感在工程监测中发挥着重要作用[7]。利用遥感技术，便于对工程场地及周边环境进行宏观监测，快速获取信息，丰富数据种类，可根据需求选取不同分辨率的数据进行分析，对工程原有资料的更新、场地动态观测和长期观测十分有效。

1 遥感技术的原理与发展

遥感技术于20 世纪60 年代兴起，是一门综合性的新兴探测技术，可无接触远距离探测目标以获取电磁波信息，感知遥远距离的事物所传达出的信号来探测并识别数据信息，通过与计算机技术、数学方法、空间技术等结合来揭示目标物的几何、性质、变化规律等特征[8]。遥感分为广义的遥感和狭义的遥感，前者指不直接接触物体本身，采用探测仪器接收来自目标物的信息进行传输和处理来识别目标物属性和特征，即远距离探测来获取目标状态信息；后者指依托安装于遥感平台上的传感器，通过摄影、扫描等方式获取地物信息，进而加工处理来识别地物的特性。

作为一门综合性的对地观测技术，遥感技术的优势主要体现在空间覆盖范围广，可实现大面积同步观测，不受目标地物周围地形影响；探测波段范围广，可实现全天候监测，获取的信息量大，远超常规方法；可动态反映地面事物的变化，获取信息速度快、短时间内可对同一地区进行重复性、周期性探测，时效性强；具有高空间、高时间、高光谱分辨率的特点[9]。

从地面遥感发展到航空遥感和航天遥感，随着遥感技术不断成熟，其获取的信息越来越丰富，在工程监测领域发挥的作用越来越大，测量数据的采集及处理、复杂条件下的测量、诸多工程的生态环境监测、工程模型的建立与优化、动态监测、地图测绘等都离不开遥感技术[10]。目前已有多位学者对遥感技术的应用进行了研究，如卢霞等[11]利用多源、多时相的遥感影像监测工程实施前后的遥感表征信息，对不同工程的应用效果进行评价，总结出遥感技术在工程治理与管理中的优势。王海龙[12]介绍了无人机遥感技术应用在工程测量中的优势，从不同方面分析了遥感技术的应用。高莉[13]利用ALOS 数据和部分实测数据，经估计得到了研究区退耕还林面积，利用建立的不同地物的光谱信息模型对地面异质性较强的区域提取土地利用信息，为研究区工程区的管理和规划提供了依据。

2 工程监测的发展及问题

工程监测与生产实践紧密结合，广泛服务于国民经济建设，测绘技术的快速发展为工程监测提供了新的方法与手段，城市化建设进程的快速发展，对工程监测提出了更高的要求，有力推动了监测技术的发展。主要表现在以下方面：监测方法和仪器有进步，电子及物理技术的应用优化了仪器结构性能，提高了精度和稳定性；监测内容不断增加和完整，数据分析方法不断提高和完善；工程监测被广泛应用于施工和环境监测，保证了环境安全和施工质量[14]。

近年来，计算机技术不断进步，使得测量数据采集和处理向着实时化、自动化、数字化发展，工程监测进入自动化时代，越来越多的工程监测数据处理系统得以开发和应用，其中遥感技术在工程监测中发挥着重要作用，两者不断渗透，形成相互促进的发展趋势。但监测过程及应用方面仍存在一些问题[15]，比如对监测获取的数据及信息处理的新方法有待进一步研究，以充分发掘有用信息；未充分利用采集的地质信息，导致应用于工程指导和解决问题的信息匮乏；大范围区域内依靠人工监测进行信息管理和数据分析，效率低且有滞后性，需应用新方法来提高监测效率。

3 遥感技术在工程监测中的应用

工程项目中往往存在施工条件复杂、场地空间有限、工程范围大、环境恶劣等情况，目前，人工监测在众多项目中仍然发挥着主要作用，主要通过测量特定点来获取数据，遥感技术的优势，可克服一定的困难，使得不需要访问特定的点来采集数据，有利于解决部分监测项目中存在的难题，方便监测过程，提高监测效率，其中，无人机遥感和卫星遥感应用较多。将遥感技术与传统手段相结合，便于监测工程本身及周边生态环境的质量和进展。

3.1 无人机遥感在工程监测中的应用

传统测量手段时效性差、耗费人力物力大、效率较低，无人机遥感技术可以有效克服上述不足，提高测量结果的准确性，可以不受地域条件限制实时获取数据，且大范围监测的效率大大提高。广泛应用于工程施工前的环境监测和影像资料获取、工程地形图的绘制、创建数字模型、数字城市建设及低空测量、工程监测中的数据采集和处理、例行检查监测区域的实际情况、建筑工程的倾斜摄影测量等[16-18]。

受外界因素影响及工程环境条件较差时，影响人工测量结果的准确性或无法进行人工测量，无人机遥感技术可以实时准确地测量，保证监测工作完成和及时发现异常情况[19]。利用该技术所获得的数据结果较准确，对数据结果的分析有效且便捷，可进一步提高工作效率，控制测量问题，对于工程监测及测绘都有重要作用。

此外，利用无人机进行摄影测量可以实现数字化地面建模，显示出各地的坐标、高程、坡度、坡向等重要信息，为地铁、公路等长线路工程的路线选择和设计提供有效帮助，在工程前期的测量中是十分有效的。

3.2 卫星遥感在工程监测中的应用

卫星遥感包括光学遥感和雷达遥感，其中光学遥感具有高空间、高时间、高光谱分辨率的特点，雷达遥感的显著特点是主动发射电磁波，不依赖光照条件和气候条件，可全天时、全天候对地观测，有效探测目标地物的空间形态特征[20-21]。随着遥感技术的不断发展，卫星遥感被越来越多地应用到工程监测中，主要表现在以下方面。

工程建设前期勘测环节，利用遥感监测可获取大面积的重要信息，短时间内得到监测结论，以满足施工要求，将遥感监测结果与实测结果进行对比，验证遥感监测的准确性，总结相关监测规律与方法，丰富监测手段，强化监测力度。地质工程的探测是工程建设过程中必不可少的环节，利用影像中不同波段的特性来监测地下水、岩石、土壤等信息，结合实地考察进行复判，可了解工程建设区地质容易出现的问题[22]。工程建设时为避免土地资源浪费，需对土地进行测量，可将摄像机安装到卫星或飞机上，实时拍摄工程场地土地情况，利用不同目标物具有不同反射特性的特点来动态监测场地土地资源使用情况[23]，准确掌握土地使用数据。

工程建设过程中，极易对周边环境造成破坏，因此在建设时，需重视环境的监测，遥感手段是十分方便和有效的，如地铁的开挖、煤矿开采等大型地下工程的建设，对于地表环境影响很大，包括植被、土壤、地表沉降及形变引发的一系列灾害，可利用遥感影像进行宏观监测，划定研究区域用影像提取数据进行分析，亦可根据长时序影像对环境因子进行反演，分析工程建设对周边环境时序影响以及地表高程的变化[24]。此外，利用遥感图像获取地理信息，可对大型工程实现地形图测绘，编制所需的遥感图，便于后续测量。

工程建设完成后，对于工程周边环境的监测仍然十分重要，有利于工程本身的安全和保护环境。可通过影像监测工程施工结束后周边环境的变化，总结变化规律，如评估矿山开采对周边环境的损害[25]。对于长线性交通基础设施形变地面沉降的动态监测、矿区开采工程引发的地面沉陷，可通过雷达遥感探测，利用覆盖研究区的多景SAR 影像求取相位信息，最终进行差分干涉得到区域性沉降整体趋势和沉降分布特征，揭示形变的演变特征[26]。

3.3 遥感技术结合GIS 和GPS 技术在工程监测中的应用

遥感技术（RS）、全球定位系统（GPS）、地理信息系统（GⅠS）统称为3S 技术，其中GPS 可实时提供目标点的坐标信息，野外操作简单，测量成果精度较高，自动化程度高；GⅠS 集地理数据采集、存储、分析、管理、成果显示与输出于一体，是一种可应用于各领域基础平台信息显示的手段[27]。现阶段，工程监测中对3S 技术的应用非常广泛，不仅可以大大提高测量的效率，也创造了测量新模式。

在工程监测中将遥感与地理信息系统（GⅠS）相结合，可基于GⅠS 提取更多的地物要素，有助于数据更新和进一步分析；在制图方面，有效发挥遥感与GⅠS的优势，制作满足不同比例尺和精度要求的图，遥感数据中提供的高程数据，应用于GⅠS 中可提高数字化地图的处理效率，方便编辑得到较为全面的数字地图，使得地图表达更准确[28]。工程建设中准确的定位需全球定位系统（GPS）提供，遥感与GPS 技术相结合，可有效应用于大比例尺数字测图、铁路与高速公路线路测量、地表形变监测、高层建筑变形监测等。

遥感技术的广泛应用离不开GⅠS 与GPS 的帮助，将三者结合运用于工程监测中，可同时实现空间定位和信息处理，丰富数字地图，构建综合分析模型，保证工程监测的质量和效率，为工程监测提供新方法。

4 结语

工程建设的规模不断扩大，测量变得尤为重要，由于地形、工期、天气等因素的影响，给工程监测工作带来的困难也不尽相同，遥感技术的发展和应用能有效解决部分困难，提高监测质量和效率。卫星遥感和无人机遥感应用相对广泛，主要包括工程建设过程中的地表形变监测、周边环境因子的宏观观测、监测数据快速采集，施工前的监测及规划设计、土地利用状况监测、数字建模工作的完成等。遥感技术监测数据较准确、获取信息量大、监测范围大、效率高、受地面限制少的特点，可为工程建设提供有效信息，对工程本身及周边环境产生的变化及时进行预判和处理，确保工程建设的质量。

遥感技术与人工智能研究方向存在密切关联，如今人工智能迅猛发展，带动了遥感技术的更新和创新。如智能机器人的广泛应用将对危险和困难地区的工程监测有很多帮助，无人机航摄技术的发展将使得监测的效率大大提高[29]。高分辨率遥感影像的先进监测手段的不断探索将会对现场监测有很大帮助，进一步提高监测精度。遥感技术的发展在机器视觉、机器学习等领域将面临新的机遇与挑战。