代建林　中國平安財產(chǎn)保險股份有限公司上海分公司

袁勇民　中國平安財產(chǎn)保險股份有限公司

丁連軍　李　偉　李　越　李吉平　北京東方至遠科技股份有限公司

馮永強　衷振興　上海建科工程咨詢有限公司

建筑工程質(zhì)量潛在缺陷保險（Inherent Defects Insurance,IDI）是一種針對因建筑工程潛在缺陷造成建筑物損壞承擔賠償責任的保險。其中房屋倒塌、不均勻沉降是IDI面臨的重大風(fēng)險，會造成極其惡劣的社會影響。早期發(fā)現(xiàn)房屋倒塌征兆，預(yù)警建筑不均勻沉降，有利于提前采取防范措施，減少損失，減輕影響。衛(wèi)星遙感能實現(xiàn)大面積對地監(jiān)測，通過合成孔徑雷達干涉測量（InSAR）技術(shù)探知城市不同建筑物的微小變化，對潛在的形變風(fēng)險及時防患，用于IDI保險中建筑工程質(zhì)量沉降、傾斜風(fēng)險的量化評估。本文以上海市嘉定區(qū)某住宅項目為研究對象，利用衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)為建筑工程質(zhì)量缺陷監(jiān)測提供空間數(shù)據(jù)支持與科學(xué)的理論依據(jù)，測試衛(wèi)星遙感技術(shù)在IDI保險風(fēng)險控制中的應(yīng)用效果，探索IDI保險運營過程風(fēng)險管控的新技術(shù)手段。

一、引言

IDI保險是一種針對建筑工程質(zhì)量潛在缺陷的保險，起源于法國，已有幾十年發(fā)展歷史，在國外已發(fā)展成為一種成熟的建筑工程質(zhì)量風(fēng)險管理機制。隨著我國城市的高速發(fā)展，城市建設(shè)與城市治理之間的矛盾日益突出，迫切需要尋求新的風(fēng)險轉(zhuǎn)移機制。在此背景下，IDI保險制度被引入中國，2004年開始在上海、北京等城市開展試點和研究，2012年《上海市建設(shè)工程質(zhì)量和安全管理條例》頒布后，在上海大范圍進行推廣，目前正在全國試點和推廣。如何快速對存在質(zhì)量缺陷的建筑物進行監(jiān)測，對潛在的風(fēng)險進行有效的評估，以期預(yù)防性介入運營后的建筑物的質(zhì)量風(fēng)險管理，是當前IDI保險遇到的困難之一。

IDI保險主要針對建筑物的主體結(jié)構(gòu)安全、滲水、保溫工程、墻面、頂層抹灰層、電氣管線、設(shè)備安裝等因潛在質(zhì)量缺陷造成的損壞進行承保。其中，以承擔主體結(jié)構(gòu)安全（倒塌、不均勻沉降等）的風(fēng)險最大，承保期限十年。建筑物主體結(jié)構(gòu)問題易引發(fā)安全事故，如房屋倒塌、管道破損、電力設(shè)施癱瘓等，因此，需引入有效的技術(shù)手段，對標的建筑物主體結(jié)構(gòu)進行連續(xù)、定期的監(jiān)測，準確掌握建筑物主體結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

衛(wèi)星遙感技術(shù)是一種覆蓋范圍廣、監(jiān)測精度高、時效性強、受天氣影響小的全天候?qū)Φ赜^測技術(shù)。衛(wèi)星遙感具有持續(xù)監(jiān)測能力，能不斷積累數(shù)據(jù)，對監(jiān)測的建筑物對象進行歷史回溯，對標的建筑物從規(guī)劃設(shè)計到施工，再到運營維護，直至拆除為止的整個生命周期進行風(fēng)險管理。

衛(wèi)星遙感技術(shù)在諸多保險領(lǐng)域已經(jīng)得到了應(yīng)用。在農(nóng)業(yè)保險中，衛(wèi)星遙感技術(shù)與地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System或 Geo-Information system，GIS）技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建基于GIS的農(nóng)業(yè)保險系統(tǒng)，為農(nóng)業(yè)災(zāi)害預(yù)估、農(nóng)業(yè)災(zāi)情監(jiān)測提供強大的基礎(chǔ)，最大程度減小農(nóng)業(yè)災(zāi)害損失。在森林保險中，衛(wèi)星遙感技術(shù)能夠快速實現(xiàn)森林資源普查，有助于全面掌握森林災(zāi)害損失，為保險公司理賠提供科學(xué)依據(jù)。以衛(wèi)星遙感影像為基礎(chǔ)，對臺風(fēng)前后進行模擬評估，在GIS平臺上對臺風(fēng)過境區(qū)域進行淹沒分析、疊置分析等，對受影響區(qū)域進行風(fēng)險區(qū)分，能夠快速預(yù)警，減少臺風(fēng)災(zāi)害造成的損失。在城市區(qū)域，結(jié)合衛(wèi)星遙感影像，能夠大面積分析洪水淹沒損失，獲取災(zāi)損區(qū)域的空間分布狀況。在存在巨大差異的農(nóng)村，衛(wèi)星遙感技術(shù)作為一種大面積監(jiān)測的空間信息技術(shù)，能夠滿足承保到戶、定損到戶、理賠到戶的農(nóng)房保險要求。此外，包括LiDAR、無人機、GPS等3S技術(shù)已經(jīng)滲透到保險行業(yè)的方方面面。

在中國，IDI保險處于起步階段，幾乎沒有可以使用的歷史數(shù)據(jù)。對房屋建筑結(jié)構(gòu)的漸變風(fēng)險的累積，以及從量變到質(zhì)變發(fā)展到倒塌事故的風(fēng)險加速，都還沒有很好的識別手段。引入衛(wèi)星遙感觀測技術(shù)，尤其是以雷達衛(wèi)星影像為基礎(chǔ)的InSAR技術(shù)，為標的建筑物的主體結(jié)構(gòu)變化的定量刻畫提供了新的選擇。

二、衛(wèi)星遙感技術(shù)應(yīng)用

（一）衛(wèi)星遙感觀測技術(shù)

1.光學(xué)衛(wèi)星觀測

光學(xué)遙感衛(wèi)星能夠獲取地表高分辨率（優(yōu)于1m）衛(wèi)星影像，對影像進行多尺度分割，獲取構(gòu)成建筑物空間信息的“圖像對象”，研究“圖像對象”的光譜特征、幾何特征、紋理特征和上下文關(guān)系等，提取出地表建筑物空間信息，如標的建筑的輪廓、面積和歸一化建筑指數(shù)（NDBI）等。通過多光譜影像的光譜特性差異，可對不同的建筑物材質(zhì)進行識別，并對不同標的建筑進行分類風(fēng)險管理。

2.雷達衛(wèi)星觀測

雷達衛(wèi)星通過傳感器發(fā)射電磁波與地表相互作用，接收地表回波信號獲取雷達影像，目前廣泛使用合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar,SAR）進行測距成像獲取SAR影像。SAR的最新應(yīng)用是InSAR技術(shù)，利用覆蓋同一地區(qū)的兩幅SAR影像的相位差得到干涉相位圖（Interferogram），對差分干涉圖進一步處理可得到地表沉降信息。InSAR技術(shù)十分廣泛，包含差分干涉測量（D-InSAR）、永久散射體干涉測量（Permanent Scatterer Interferometry）、短基線集（Small Baseline Subset）等方法。

InSAR適合相干性良好的地區(qū)的微小、緩慢、連續(xù)變形監(jiān)測。COSMO-SkyMed、TerraSAR-X、ALOS-2、Sentinel-1等不同類型的SAR衛(wèi)星為InSAR技術(shù)廣泛應(yīng)用提供了更多選擇。隨著SAR衛(wèi)星越來越多，積累的數(shù)據(jù)也更加充分，不僅滿足對各類變形場的近實時監(jiān)測，同時可支撐形變場歷史回溯。

IDI保險主要承保建筑物的主體結(jié)構(gòu)安全問題，如倒塌、不均勻沉降等，承保期限10年，建筑竣工2年后開始承保，承保前的2年為觀察期，能否對建筑主體結(jié)構(gòu)進行有效監(jiān)測，掌握標的建筑主體結(jié)構(gòu)變化信息，有助于責任界面的劃分。在高精度的監(jiān)測結(jié)果要求下，InSAR技術(shù)需要研究區(qū)具有較長時間（不低于1～3年）同一類型、同一模式、同一衛(wèi)星的數(shù)據(jù)積累。從這個角度出發(fā)，IDI承保標的參考指標與時序InSAR技術(shù)特征高度契合。因此，InSAR技術(shù)的工程化應(yīng)用有助于IDI保險責任界面的劃分以及保險責任期內(nèi)重大風(fēng)險的預(yù)測、預(yù)防。

?圖1　光學(xué)遙感影像用于建筑物分類管理

?圖2　衛(wèi)星遙感應(yīng)用于標的建筑物形變風(fēng)險評估技術(shù)路線

（二）建筑物風(fēng)險評估

人為的地表改造和施工活動，會造成某一地區(qū)的光譜特性以及失相干，利用這一特性，可同時結(jié)合光學(xué)影像和雷達影像對既有建筑物進行監(jiān)測，定性和定量描述其主體結(jié)構(gòu)變化，圖2是光學(xué)影像和雷達影像相結(jié)合對標的建筑物進行風(fēng)險評估的技術(shù)路線。

三、建筑物主體結(jié)構(gòu)風(fēng)險分析方法

（一）PS-InSAR技術(shù)

SAR衛(wèi)星長時間監(jiān)測標的建筑物主體結(jié)構(gòu)變化主要使用PS-InSAR技術(shù)，通過對30期以上的SAR影像進行處理，獲取標的建筑物的時序沉降形變信息及空間差異性。

PS-InSAR以差分干涉為基礎(chǔ)，獲取差分干涉圖。在差分干涉圖中，考慮到各種因素，第i個像元的差分干涉可表示為：

其中，rti為地表形變量，φtopi為地形殘差相位，αi為大氣延遲相位，ni為噪聲相位。假設(shè)地表的線性形變速率為常數(shù)υ，則：

式（2）中，ti為時間基線，對PS差分干涉相位構(gòu)建相位模型：

得出（3）式中的Δφ后，根據(jù)Ferretti等人提出的算法對（1）式進行迭代求解，即可解算出形變速率υ，也就是標的建筑物的形變速率，獲取建筑形變速率是對建筑物進行風(fēng)險評估的前提。

（二）建筑物形變風(fēng)險分析矩陣

PS-InSAR技術(shù)的結(jié)果是得到大量的描述監(jiān)測對象形變信息的測量點，這些測量點的形變信息主要體現(xiàn)時序上的曲率變化以及空間上的沉降差異。因此，對建筑物形變風(fēng)險分析的基本思路是：在PS-InSAR技術(shù)形變監(jiān)測結(jié)果的基礎(chǔ)上，從時間域和空間域維度進行形變風(fēng)險分析和風(fēng)險預(yù)測，構(gòu)建建筑物形變風(fēng)險分析矩陣。

?圖3　建筑物形變風(fēng)險分析矩陣

四、案例研究

（一）研究區(qū)概況

本文以上海市嘉定區(qū)某住宅項目作為研究區(qū)，該區(qū)內(nèi)有23棟主要的居民住宅樓，總占地面積約為200000平方米，以光學(xué)衛(wèi)星影像特征提取與InSAR雷達衛(wèi)星形變監(jiān)測相結(jié)合，分析不同標的建筑物在時間域和空間域的形變差異性。

（二）衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)選擇與處理

以光學(xué)衛(wèi)星影像作為底圖，提取各住宅樓基底并逐一編號（從1號樓至23號樓）。通過光學(xué)影像可知，研究區(qū)內(nèi)住宅樓的開工時間為2011年11月21日前，竣工時間為2013年12月29日。SAR影像選取處理需在建筑物竣工后，以及2014年4月至2017年2月間的34期同頻率、同入射角、同一成像方式的COSMO-SkyMed雷達衛(wèi)星數(shù)據(jù)，時間跨度近三年，滿足IDI保險的2年觀察期。主影像為2014年7月21日，通過PS-InSAR技術(shù)處理34期COSMO-SkyMed影像，共獲取研究區(qū)內(nèi)4910個測量點的形變信息及三維位置信息。

（三）標的建筑物風(fēng)險分析

1.空間域形變分析

研究區(qū)內(nèi)測量點的空間分布如圖6所示，由圖可知，研究區(qū)內(nèi)北側(cè)的沉降形變明顯高于南側(cè)，整體沉降程度呈“南低北高”狀態(tài)，總體比較穩(wěn)定，部分住宅樓存在明顯的非均勻沉降（圖6虛線框內(nèi)）。

2.時間域形變分析

選取存在不均勻沉降的18號樓，分析其在時序上的沉降變化。如圖7，18號樓西側(cè)呈“L”形，2014年7月22日至2014年11月28日有一個陡降過程，最大沉降量超過15mm；18號樓東側(cè)呈不斷下沉趨勢，在2014年8月22日至2016年8月27日內(nèi)，沉降曲線呈“W”形，可能與季節(jié)性溫度差異導(dǎo)致的“熱脹冷縮”效應(yīng)有關(guān)，最大沉降量接近40mm。18號樓東西兩側(cè)最大沉降差異超過20mm，需要在后期監(jiān)測中重點關(guān)注。

?圖4　光學(xué)衛(wèi)星影像獲取研究區(qū)的位置、范圍

?圖5　COSMO-SkyMed雷達衛(wèi)星影像獲取建筑物測量點形變信息及三維位置信息

?圖6　研究區(qū)內(nèi)各棟建筑物的沉降形變空間分布狀況

?圖7　18號樓東西兩側(cè)沉降差異對比

?表研究區(qū)內(nèi)23棟住宅樓形變風(fēng)險區(qū)劃

?圖8　研究區(qū)內(nèi)23棟建筑物形變風(fēng)險區(qū)劃

3.住宅樓形變風(fēng)險評估

參考《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ 8-2007）對建筑變形測量的級別、精度指標及其適用范圍的規(guī)定，結(jié)合InSAR行業(yè)應(yīng)用標準，對研究區(qū)內(nèi)的住宅樓進行形變風(fēng)險預(yù)測和形變風(fēng)險區(qū)劃，如左表。

對存在非均勻性沉降的住宅樓，在后續(xù)的形變監(jiān)測中，需要重點關(guān)注。一旦進行IDI保險承保，在10年的承保期內(nèi)，需要進行連續(xù)、定期監(jiān)測，時刻掌握其主體結(jié)構(gòu)變化情況，并對研究區(qū)的住宅樓進行實地排查，確認是否有主體結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致的裂縫，以采取及時的風(fēng)險防范措施。再結(jié)合GIS空間分析，將23棟居民住宅樓形變風(fēng)險大小進行分級顯示，便于IDI保險風(fēng)險管理。

五、總結(jié)

本文以上海市嘉定某住宅建筑為研究對象，探索衛(wèi)星遙感技術(shù)，尤其是InSAR技術(shù)在IDI保險風(fēng)險管控中的應(yīng)用。通過試驗，獲取了研究區(qū)內(nèi)23棟居民住宅樓的形變變化信息。以建筑物形變風(fēng)險分析矩陣為依據(jù)，分析了住宅樓在時間域和空間域的形變差異。在此基礎(chǔ)上，對23棟住宅樓進行形變風(fēng)險評估，并按“高、中、低”的方式對23棟住宅樓進行風(fēng)險分級，以便服務(wù)于IDI保險的標的建筑物風(fēng)險管理。

衛(wèi)星遙感技術(shù)目前已經(jīng)日漸發(fā)展成熟。以IDI保險為中心，以衛(wèi)星遙感技術(shù)為手段，有助于保險風(fēng)險控制技術(shù)多元化、全面化，有助于推動行業(yè)技術(shù)創(chuàng)新，促進建筑工程質(zhì)量風(fēng)險控制技術(shù)的發(fā)展，助力行業(yè)發(fā)展，有助于實現(xiàn)保險在建筑工程質(zhì)量領(lǐng)域的社會風(fēng)險管理職能，促進風(fēng)險控制技術(shù)和保險保障的更好結(jié)合，有助于分散城市建筑物潛在風(fēng)險，協(xié)調(diào)城市發(fā)展與城市治理之間的矛盾。