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(jìn)程的不斷推進(jìn)，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(jì)、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(yán)重影響。傳統(tǒng)的測量方法往往耗時(shí)費(fèi)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(diǎn)，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(jī)拍攝的影像數(shù)據(jù)并運(yùn)用幾何學(xué)原理，實(shí)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(biāo)在不同位置拍攝的影像進(jìn)行幾何分析，推導(dǎo)出地面目標(biāo)的空間坐標(biāo)。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(diǎn)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(diǎn)使其在遙遠(yuǎn)或危險(xiǎn)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(shí)相影像進(jìn)行變化監(jiān)測，識別地表的演變過程。這對于工程項(xiàng)目的進(jìn)展監(jiān)測以及自然災(zāi)害的評估具有重要價(jià)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(shí)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(xiàng)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(yù)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(jì)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(shí)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(gè)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(xué)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(jī)器學(xué)習(xí)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(biāo)、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(jī)器學(xué)習(xí)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(fù)擔(dān)。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(zhǔn)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(jìn)場、設(shè)備構(gòu)件的安裝，或受到風(fēng)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(jìn)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(diǎn)上進(jìn)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(dǎo)致無法發(fā)現(xiàn)分布不均的變形問題，進(jìn)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(dǎo)致無法及時(shí)捕捉到結(jié)構(gòu)變形的臨時(shí)或快速變化，從而影響了對變形過程的準(zhǔn)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(dǎo)致分析結(jié)果不準(zhǔn)確，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)安全評估的準(zhǔn)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(dǎo)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(dǎo)致對變形情況的誤解和錯(cuò)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(jìn)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(rèn)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(dá)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(jìn)度。第二，土壤力學(xué)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(dǎo)致遇到不同的土壤條件，從而影響基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工計(jì)劃。第三，部分地區(qū)存在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，如滑坡、地震等，這些因素可能導(dǎo)致地質(zhì)和土壤發(fā)生突然變化，進(jìn)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(jìn)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(yù)測地下水位變化是復(fù)雜的，若預(yù)測不準(zhǔn)確可能導(dǎo)致施工中的問題[3]。

3.3 施工進(jìn)度與質(zhì)量監(jiān)控

其一，不準(zhǔn)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(jìn)度和質(zhì)量的準(zhǔn)確判斷，可能導(dǎo)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(fù)雜性可能造成結(jié)果的不準(zhǔn)確。如果在數(shù)據(jù)處理過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤或誤差，將影響對施工進(jìn)度和質(zhì)量的判斷，從而降低決策的準(zhǔn)確性。其三，如果監(jiān)測數(shù)據(jù)不能及時(shí)收集和分析，將難以實(shí)時(shí)追蹤和調(diào)整施工進(jìn)度和質(zhì)量，從而可能導(dǎo)致問題被忽視，影響工程的質(zhì)量和進(jìn)度。其四，施工進(jìn)度和質(zhì)量監(jiān)控需要綜合分析多個(gè)參數(shù)和因素，而缺乏綜合分析可能導(dǎo)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(tuán)隊(duì)可能導(dǎo)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(yù)處理

影像獲取與預(yù)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(diǎn)。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(zhǔn)確性以及后續(xù)分析提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

首先，影像數(shù)據(jù)的多源采集如航空攝影、無人機(jī)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(zhǔn)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(diǎn)進(jìn)行高精度的地理坐標(biāo)校正，將影像數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地映射到現(xiàn)實(shí)世界坐標(biāo)系中。影像預(yù)處理是確保后續(xù)分析準(zhǔn)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(shí)的地物特征。影像配準(zhǔn)則能夠?qū)⒉煌瑫r(shí)間和角度的影像在相同坐標(biāo) 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(zhǔn)。圖像增強(qiáng)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(fù)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(shí)相影像融合則保持了時(shí)序的一致性，有助于觀測建筑物變形或施工進(jìn)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(gè)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(gè)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(jì)算機(jī)視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測和圖像分割，將建筑物的邊界、角點(diǎn)、輪廓等幾何特征準(zhǔn)確提取出來。光譜信息的分析則有助于區(qū)分不同材料，實(shí)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(jìn)行三維重建，生成建筑物的數(shù)字模型，為工程設(shè)計(jì)和施工提供準(zhǔn)確的參考。同時(shí)，通過分析特征在不同時(shí)間點(diǎn)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(zhǔn)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(shí)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(zhǔn)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(yù)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(jià)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(shí)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(shí)間點(diǎn)的影像進(jìn)行配準(zhǔn)，建立影像間的對應(yīng)關(guān)系。通過匹配點(diǎn)的位移和形變，能夠精確計(jì)算建筑物的變形量和變形速率。將采用時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)采取必要的措施。變形分析將結(jié)合數(shù)學(xué)建模和仿真技術(shù)，可以利用數(shù)學(xué)模型描述建筑物的變形特征，通過影像數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬和驗(yàn)證。這有助于更好地理解變形機(jī)制，為工程管理者提供更準(zhǔn)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(shí)序信息和空間信息，實(shí)現(xiàn)對建筑物變形的全面監(jiān)測與深入分析。通過跨學(xué)科的方法，能為工程管理提供及時(shí)的變形預(yù)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(shí)體變化檢測與監(jiān)測

通過多時(shí)相影像數(shù)據(jù)的比較，建筑實(shí)體變化檢測與監(jiān)測旨在識別建筑物在不同時(shí)間點(diǎn)發(fā)生的變化情況。這需要采用圖像配準(zhǔn)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(jī)器學(xué)習(xí)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(zhǔn)確性。

針對不同類型的建筑變化，如新建、拆除、擴(kuò)建等，應(yīng)制定相應(yīng)的分析方法和指標(biāo)。不同類型變化的特點(diǎn)和影響可能各異，因此采用針對性的策略進(jìn)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(jìn)度和質(zhì)量監(jiān)控相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)多方面信息的交叉驗(yàn)證。通過將實(shí)際施工進(jìn)度和質(zhì)量數(shù)據(jù)與變化檢測結(jié)果進(jìn)行對比，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的異常變化，預(yù)警可能存在的問題。這為工程管理者提供了更準(zhǔn)確的決策支持，有助于及時(shí)調(diào)整施工計(jì)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(shí)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(jī)器學(xué)習(xí)算法的應(yīng)用，可以增強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)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(shí)間點(diǎn)的影像進(jìn)行時(shí)序比較和空間分析，可以準(zhǔn)確把握環(huán)境變化趨勢，及時(shí)識別潛在的環(huán)境問題。建立環(huán)境評估模型是實(shí)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(biāo)結(jié)合，能夠更準(zhǔn)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(yùn)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(xué)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(hù)、社會影響等多個(gè)維度進(jìn)行評估，有助于評價(jià)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(hù)提供了科學(xué)依據(jù)，還能為工程的可持續(xù)發(fā)展提供指導(dǎo)。

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(shí)驗(yàn)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(jìn)一步探索，以進(jìn)一步完善該解決方案。