原创《卫星遥感技术在IDI保险风控中的应用》
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建筑工程质量潜在缺陷保险（InherentDefects Insurance, IDI）是一种针对因建筑工程潜在缺陷造成建筑物损坏承担赔偿责任的保险.其中房屋倒塌、不均匀沉降是IDI面临的重大风险,会造成极其恶劣的社会影响.早期发现房屋倒塌征兆,预警建筑不均匀沉降,有利于提前采取防范措施,减少损失,减轻影响.卫星遥感能实现大面积对地监测,通过合成孔径雷达干涉测量（InSAR）技术探知城市不同建筑物的微小变化,对潜在的形变风险及时防患,用于IDI 保险中建筑工程质量沉降、倾斜风险的量化评估.本文以上海市嘉定区某住宅项目为研究对象,利用卫星遥感监测技术为建筑工程质量缺陷监测提供空间数据支持与科学的理论依据,测试卫星遥感技术在IDI 保险风险控制中的应用效果,探索IDI 保险运营过程风险管控的新技术手段.
一、引言
IDI 保险是一种针对建筑工程质量潜在缺陷的保险,起源于法国,已有几十年发展历史,在国外已发展成为一种成熟的建筑工程质量风险管理机制.随着我国城市的高速发展,城市建设与城市治理之间的矛盾日益突出,迫切需要寻求新的风险转移机制.在此背景下,IDI 保险制度被引入中国,2004年开始在上海、北京等城市开展试点和研究,2012 年《上海市建设工程质量和安全管理条例》颁布后,在上海大范围进行推广,目前正在全国试点和推广.如何快速对存在质量缺陷的建筑物进行监测,对潜在的风险进行有效的评估,以期预防性介入运营后的建筑物的质量风险管理,是当前IDI 保险遇到的困难之一.
IDI 保险主要针对建筑物的主体结构安全、渗水、保温工程、墙面、顶层抹灰层、电气管线、设备安装等因潜在质量缺陷造成的损坏进行承保.其中,以承担主体结构安全（倒塌、不均匀沉降等）的风险最大,承保期限十年.建筑物主体结构问题易引发安全事故,如房屋倒塌、管道破损、电力设施瘫痪等,因此,需引入有效的技术手段,对标的建筑物主体结构进行连续、定期的监测,准确掌握建筑物主体结构的安全状态.
卫星遥感技术是一种覆盖范围广、监测精度高、时效性强、受天气影响小的全天候对地观测技术.卫星遥感具有持续监测能力,能不断积累数据,对监测的建筑物对象进行历史回溯,对标的建筑物从规划设计到施工,再到运营维护,直至拆除为止的整个生命周期进行风险管理.
卫星遥感技术在诸多保险领域已经得到了应用.在农业保险中,卫星遥感技术与地理信息系统（Geographic Information System或Geo－Information system,GIS）技术结合,构建基于GIS的农业保险系统,为农业灾害预估、农业灾情监测提供强大的基础,最大程度减小农业灾害损失.在森林保险中,卫星遥感技术能够快速实现森林资源普查,有助于全面掌握森林灾害损失,为保险公司理赔提供科学依据.以卫星遥感影像为基础,对台风前后进行模拟评估,在GIS 平台上对台风过境区域进行淹没分析、叠置分析等,对受影响区域进行风险区分,能够快速预警,减少台风灾害造成的损失.在城市区域,结合卫星遥感影像,能够大面积分析洪水淹没损失,获取灾损区域的空间分布状况.在存在巨大差异的农村,卫星遥感技术作为一种大面积监测的空间信息技术,能够满足承保到户、定损到户、理赔到户的农房保险要求.此外,包括LiDAR、无人机、GPS 等3S 技术已经渗透到保险行业的方方面面.
在中国,IDI 保险处于起步阶段,几乎没有可以使用的历史数据.对房屋建筑结构的渐变风险的累积,以及从量变到质变发展到倒塌事故的风险加速,都还没有很好的识别手段.引入卫星遥感观测技术,尤其是以雷达卫星影像为基础的InSAR 技术,为标的建筑物的主体结构变化的定量刻画提供了新的选择.
二、卫星遥感技术应用
（一）卫星遥感观测技术
1.光学卫星观测
光学遥感卫星能够获取地表高分辨率（优于1m）卫星影像,对影像进行多尺度分割,获取构成建筑物空间信息的“图像对象”,研究“图像对象”的光谱特征、几何特征、纹理特征和上下文关系等,提取出地表建筑物空间信息,如标的建筑的轮廓、面积和归一化建筑指数（NDBI）等.通过多光谱影像的光谱特性差异,可对不同的建筑物材质进行识别,并对不同标的建筑进行分类风险管理.
2.雷达卫星观测
雷达卫星通过传感器发射电磁波与地表相互作用,接收地表回波信号获取雷达影像,目前广泛使用合成孔径雷达（SyntheticAperture Radar, SAR）进行测距成像获取SAR 影像.SAR 的最新应用是InSAR 技术,利用覆盖同一地区的两幅SAR 影像的相位差得到干涉相位图（Interferogram）,对差分干涉图进一步处理可得到地表沉降信息.InSAR 技术十分广泛,包含差分干涉测量（D-InSAR）、永久散射体干涉测量（Permanent Scatterer Interferometry）、短基线集（Small Baseline Subset）等方法.
InSAR 适合相干性良好的地区的微小、缓慢、连续变形监测.COO-SkyMed、TerraSAR-X、ALOS-2、Sentinel-1 等不同类型的SAR卫星为InSAR技术广泛应用提供了更多选择.随着SAR 卫星越来越多,积累的数据也更加充分,不仅满足对各类变形场的近实时监测,同时可支撑形变场历史回溯.IDI 保险主要承保建筑物的主体结构安全问题,如倒塌、不均匀沉降等,承保期限10年,建筑竣工2 年后开始承保,承保前的2 年为观察期,能否对建筑主体结构进行有效监测,掌握标的建筑主体结构变化信息,有助于责任界面的划分.在高精度的监测结果要求下,InSAR 技术需要研究区具有较长时间（不低于1~3 年）同一类型、同一模式、同一卫星的数据积累.从这个角度出发,IDI 承保标的参考指标与时序InSAR 技术特征高度契合.因此,InSAR 技术的工程化应用有助于IDI 保险责任界面的划分以及保险责任期内重大风险的预测、预防.
（二）建筑物风险评估
人为的地表改造和施工活动,会造成某一地区的光谱特性以及失相干,利用这一特性,可同时结合光学影像和雷达影像对既有建筑物进行监测,定性和定量描述其主体结构变化,图2 是光学影像和雷达影像相结合对标的建筑物进行风险评估的技术路线.
三、建筑物主体结构风险分析方法
（一）PS-InSAR技术
SAR 卫星长时间监测标的建筑物主体结构变化主要使用PS-InSAR 技术,通过对30 期以上的SAR 影像进行处理,获取标的建筑物的时序沉降形变信息及空间差异性.PS-InSAR 以差分干涉为基础,获取差分干涉图.在差分干涉图中,考虑到各种因素,第i个像元的差分干涉可表示为：
得出（3）式中的Δφ后,根据Ferretti 等人提出的算法对（1）式进行迭代求解,即可解算出形变速率υ,也就是标的建筑物的形变速率,获取建筑形变速率是对建筑物进行风险评估的前提.
（二）建筑物形变风险分析矩阵
PS-InSAR 技术的结果是得到大量的描述监测对象形变信息的测量点,这些测量点的形变信息主要体现时序上的曲率变化以及空间上的沉降差异.因此,对建筑物形变风险分析的基本思路是：在PS-InSAR 技术形变监测结果的基础上,从时间域和空间域维度进行形变风险分析和风险预测,构建建筑物形变风险分析矩阵.
四、案例研究
（一）研究区概况
本文以上海市嘉定区某住宅项目作为研究区,该区内有23 栋主要的居民住宅楼,总占地面积约为200000 平方米,以光学卫星影像特征提取与InSAR 雷达卫星形变监测相结合,分析不同标的建筑物在时间域和空间域的形变差异性.
（二）卫星遥感数据选择与处理
以光学卫星影像作为底图,提取各住宅楼基底并逐一编号（从1号楼至23号楼）.通过光学影像可知,研究区内住宅楼的开工时间为2011 年11 月21 日前,竣工时间为2013年12 月29 日.SAR 影像选取处理需在建筑物竣工后,以及2014 年4 月至2017 年2 月间的34 期同频率、同入射角、同一成像方式的COO-SkyMed 雷达卫星数据,时间跨度近三年,满足IDI 保险的2 年观察期.主影像为2014 年7 月21 日,通过PS-InSAR 技术处理34 期COO-SkyMed 影像,共获取研究区内4910个测量点的形变信息及三维位置信息.
（三）标的建筑物风险分析
1.空间域形变分析
研究区内测量点的空间分布如图6 所示,由图可知,研究区内北侧的沉降形变明显高于南侧,整体沉降程度呈“南低北高”状态,总体比较稳定,部分住宅楼存在明显的非均匀沉降（图6虚线框内）.
2.时间域形变分析
选取存在不均匀沉降的18 号楼,分析其在时序上的沉降变化.如图7,18 号楼西侧呈“L”形,2014 年7 月22 日至2014 年11 月28日有一个陡降过程,最大沉降量超过15mm；18 号楼东侧呈不断下沉趋势,在2014 年8 月22 日至2016 年8 月27 日内,沉降曲线呈“W”形,可能与季节性温度差异导致的“热胀冷缩”效应有关,最大沉降量接近40mm.18 号楼东西两侧最大沉降差异超过20mm,需要在后期监测中重点关注.
3.住宅楼形变风险评估
参考《建筑变形测量规范》（JGJ 8 －2007）对建筑变形测量的级别、精度指标及其适用范围的规定,结合InSAR 行业应用标准,对研究区内的住宅楼进行形变风险预测和形变风险区划,如左表.
对存在非均匀性沉降的住宅楼,在后续的形变监测中,需要重点关注.一旦进行IDI 保险承保,在10 年的承保期内,需要进行连续、定期监测,时刻掌握其主体结构变化情况,并对研究区的住宅楼进行实地排查,确认是否有主体结构变化导致的裂缝,以采取及时的风险防范措施.再结合GIS 空间分析,将23 栋居民住宅楼形变风险大小进行分级显示,便于IDI 保险风险管理.
五、总结
本文以上海市嘉定某住宅建筑为研究对象,探索卫星遥感技术,尤其是InSAR 技术在IDI 保险风险管控中的应用.通过试验,获取了研究区内23 栋居民住宅楼的形变变化信息.以建筑物形变风险分析矩阵为依据,分析了住宅楼在时间域和空间域的形变差异.在此基础上,对23 栋住宅楼进行形变风险评估,并按“高、中、低”的方式对23 栋住宅楼进行风险分级,以便服务于IDI 保险的标的建筑物风险管理.
卫星遥感技术目前已经日渐发展成熟.以IDI 保险为中心,以卫星遥感技术为手段,有助于保险风险控制技术多元化、全面化,有助于推动行业技术创新,促进建筑工程质量风险控制技术的发展,助力行业发展,有助于实现保险在建筑工程质量领域的社会风险管理职能,促进风险控制技术和保险保障的更好结合,有助于分散城市建筑物潜在风险,协调城市发展与城市治理之间的矛盾.
遥感技术论文参考资料：
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