周仁練,馬佳佳,蘇懷智

(1.水災(zāi)害防御全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

我國(guó)土石堤壩總里程長(zhǎng)、分布范圍廣,給滲漏險(xiǎn)情排查提出了極高要求。據(jù)統(tǒng)計(jì),超過三分之一的土石壩工程破壞與滲漏相關(guān)[1-4]。大量工程案例表明,若土石堤壩滲漏發(fā)現(xiàn)不及時(shí),極易引起壩體的嚴(yán)重破壞,甚至導(dǎo)致堤壩潰決[5-6]。因此,及時(shí)、快速地發(fā)現(xiàn)滲漏對(duì)保障土石堤壩工程安全運(yùn)行和長(zhǎng)效服役具有重大意義[7-9]。

在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)和檢測(cè)技術(shù)日臻完善的同時(shí),近年來分布式光纖、紅外熱成像、聲發(fā)射、雷達(dá)、水下機(jī)器人等新型技術(shù)和裝備被引入無損檢測(cè)領(lǐng)域[10-14]。為滿足大規(guī)模、快速檢測(cè)的需求,利用病害檢測(cè)車、爬壁機(jī)器人等運(yùn)載平臺(tái)搭載高清可見光相機(jī)、激光雷達(dá)等數(shù)據(jù)采集裝置進(jìn)行巡查,已成為備受關(guān)注的檢測(cè)方法[15-16]。這類方法通常具有高效探測(cè)和實(shí)時(shí)分析的優(yōu)點(diǎn),在混凝土建筑物的裂縫、滲水和空鼓等病害檢測(cè)中得到大量應(yīng)用。但這些檢測(cè)方法對(duì)于土石堤壩工程滲漏巡查的實(shí)用性有限,如病害檢測(cè)車對(duì)平坦路面具有很好的適應(yīng)能力,但在土石堤壩坡面傾斜、起伏較大的情況下難以行進(jìn);類似地,爬壁機(jī)器人多用于表面平整且堅(jiān)實(shí)的混凝土壁面作業(yè),在布滿植被的土石堤壩坡面應(yīng)用受限。因此,盡管當(dāng)前已涌現(xiàn)了諸多新型無損檢測(cè)方法,土石堤壩滲漏險(xiǎn)情的發(fā)現(xiàn)仍然主要依賴于人工巡視,這嚴(yán)重制約了土石堤壩的安全保障能力和應(yīng)急處置水平。

鑒于上述背景,針對(duì)土石堤壩滲漏的強(qiáng)時(shí)空隨機(jī)性與位置隱蔽性特征,考慮土石堤壩大體積、長(zhǎng)線狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及復(fù)雜服役環(huán)境,本文基于無人機(jī)載紅外熱成像探測(cè)技術(shù)在長(zhǎng)距離輸電線路和油氣管道檢測(cè)等領(lǐng)域[17-20]的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),加入高清可見光成像模式進(jìn)行協(xié)同檢測(cè),開展基于無人機(jī)載紅外-可見雙光成像的土石堤壩滲漏快速巡查方法研究,并結(jié)合某實(shí)際堤壩工程開展野外現(xiàn)場(chǎng)巡測(cè)試驗(yàn),探討對(duì)該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程的可行性、實(shí)用性及局限性。

1 無人機(jī)載紅外-可見雙光成像的土石堤壩滲漏巡查模式與實(shí)現(xiàn)流程

1.1 無人機(jī)載紅外-可見雙光巡查模式

土體的比熱容(約0.84kJ/kg)與水的比熱容(約4.2kJ/kg)相差較大,在太陽輻射的影響下,河水與堤壩坡面通常存在溫差,因而堤壩發(fā)生坡面滲漏時(shí),滲漏出逸處通常會(huì)出現(xiàn)局部熱異?，F(xiàn)象;另一方面,管涌常出現(xiàn)在水深遠(yuǎn)小于河水水深的坑塘和水田中,河水溫度與這些小水體的溫度通常也是不同的,因而管涌出口通常也會(huì)出現(xiàn)局部熱異常。借助紅外熱成像技術(shù)捕捉該熱異常,便可實(shí)現(xiàn)土石堤壩坡面滲漏的間接探測(cè)和識(shí)別。

前期地面試驗(yàn)驗(yàn)證了各種自然環(huán)境條件下紅外熱成像探測(cè)土石堤壩坡面滲漏的可行性。研究[21]表明,滲漏出口通常在雨天和晴朗的夜間出現(xiàn)高溫異常,而在晴朗的午后出現(xiàn)低溫異常;并且,坡面滲漏導(dǎo)致的熱異常區(qū)域隨尾水沿坡面向下擴(kuò)展,形成獨(dú)特的拖尾輪廓。該輪廓特征是利用紅外圖像辨識(shí)土石堤壩坡面滲漏的重要信息。

紅外圖像能形象直觀地呈現(xiàn)滲漏引起的熱異常,提供滲漏辨識(shí)所需要的直接信息。然而因紅外圖像分辨率較低,導(dǎo)致其難以提供人眼所熟悉的真實(shí)空間感,不利于滲漏的空間定位。因此本文綜合利用可見光相機(jī)高分辨率、紅外熱像儀的熱異常捕捉以及無人機(jī)快速飛行的優(yōu)點(diǎn),通過可見光相機(jī)、紅外熱像儀與無人機(jī)的綜合利用,提出土石堤壩滲漏無人機(jī)載紅外-可見雙光巡查模式。該模式利用無人機(jī)搭載可見光相機(jī)和紅外熱像儀對(duì)土石堤壩背水坡進(jìn)行快速連續(xù)探測(cè),從而獲得全面覆蓋土石堤壩的可見光圖像和紅外圖像,再通過機(jī)載圖傳系統(tǒng)將所采集的圖像實(shí)時(shí)傳輸至地面站,從而實(shí)現(xiàn)土石堤壩滲漏的遠(yuǎn)程快速探測(cè)和實(shí)時(shí)辨識(shí)(圖1)。

圖1 無人機(jī)載紅外-可見雙光成像的堤壩滲漏巡查模式示意圖

1.2 綜合考慮雙光設(shè)備成像效果的無人機(jī)航高設(shè)置

本文采用大疆Mavic 2行業(yè)雙光版四旋翼無人機(jī),搭載一個(gè)高清可見光鏡頭和一個(gè)FLIR紅外熱成像傳感器,可同時(shí)采集同一視野下的紅外圖像和可見光圖像。機(jī)載紅外探測(cè)器和可見光探測(cè)器的主要參數(shù)見表1、表2。

表1 機(jī)載紅外探測(cè)器主要參數(shù)

表2 機(jī)載可見光探測(cè)器主要參數(shù)

1.2.1 地物分辨能力限制的航高

地面采樣間隔(ground sampling distance,GSD)[22]表征了圖像中單一像素代表的真實(shí)地物尺寸。無人機(jī)圖像的地面采樣間隔G與無人機(jī)航高H、探測(cè)器像元尺寸δ和鏡頭焦距f之間的關(guān)系為

δH=fG

(1)

可見,當(dāng)成像設(shè)備選定后,其像元尺寸δ和鏡頭焦距f也就相應(yīng)確定,G與H正比,即高度越高,地物分辨能力越低。因此應(yīng)綜合考慮探測(cè)目標(biāo)大小和雙光設(shè)備的性能參數(shù)合理設(shè)置無人機(jī)航高。

本文的主要目的是借助紅外熱成像技術(shù)探測(cè)滲漏引起的熱異常從而實(shí)現(xiàn)堤壩滲漏識(shí)別,因此無人機(jī)航高的選擇因重點(diǎn)考慮機(jī)載紅外熱像儀的探測(cè)效果。

a.紅外圖像地物分辨能力限制的航高。以頂視為邊長(zhǎng)10cm的正方形積水盒為試驗(yàn)探測(cè)對(duì)象,采用前述無人機(jī)載成像設(shè)備采集其在不同航高下的紅外圖像和可見光圖像,探測(cè)過程中雙光鏡頭垂直向下。該紅外探測(cè)器的分辨率為160×120像素,數(shù)字圖像導(dǎo)出分辨率為640×480像素。由圖2可知,當(dāng)航高在10m以內(nèi),該水盒的方形邊緣特征肉眼可辨;當(dāng)航高大于10m后,方形邊緣輪廓特征逐漸模糊;當(dāng)航高大于25m后,即使將紅外圖像放大,該地物仍然難以通過肉眼辨識(shí)。故欲使投影面積等同于邊長(zhǎng)為10cm正方形的滲漏區(qū)被該設(shè)備有效探測(cè),航高不宜大于25m。

圖2 不同航高下被探測(cè)物的紅外圖像

b.可見光圖像地物分辨能力限制的航高。本文采用的可見光探測(cè)器的分辨率遠(yuǎn)高于紅外探測(cè)器。由圖3可知,在航高25 m條件下,該積水盒在可見光圖像中仍清晰可辨。故對(duì)本研究所用的探測(cè)設(shè)備而言,地物分辨能力限制的航高主要取決于紅外探測(cè)器。

圖3 不同航高下被探測(cè)物的可見光圖像

需要說明的是,目前民用熱像儀的分辨率普遍遠(yuǎn)低于可見光相機(jī)。民用領(lǐng)域目前可獲得的熱像儀最高分辨率為1024×768像素,而與普通可見光相機(jī)相比,該分辨率依然較低。因此,對(duì)于可見-紅外雙光巡查模式,地物分辨能力限制的航高通常都取決于紅外探測(cè)器。

1.2.2 紅外測(cè)溫誤差限制的航高

土石堤壩滲漏排查均是在露天野外作業(yè),紅外輻射在傳播過程中會(huì)被大氣及大氣中的塵埃和水汽等物質(zhì)吸收,導(dǎo)致紅外探測(cè)器所接收的熱輻射損失量會(huì)隨著探測(cè)距離的增大而增大[23]。因此,紅外熱像儀的探測(cè)效果除應(yīng)考慮地物可辨性外,還需考慮紅外測(cè)溫誤差。

以某水閘上下游連接處的河道為探測(cè)對(duì)象,通過戶外測(cè)試確定紅外測(cè)溫誤差所限制的探測(cè)距離。測(cè)試時(shí)的環(huán)境條件為晴天,氣溫12～13℃,該水閘正在過流。如圖4(a)所示,以該水閘為界,河道表層水體被分為靜水區(qū)和動(dòng)水區(qū)兩大區(qū)域。利用前述機(jī)載紅外熱像儀進(jìn)行探測(cè),無人機(jī)距水面垂直距離為(55.1 ±0.1)m。同時(shí)在地面利用校準(zhǔn)后的接觸式溫度探針和點(diǎn)式測(cè)溫槍測(cè)量河道表層水體的水溫。

圖4 機(jī)載紅外熱像儀的測(cè)溫結(jié)果

如圖4(b)(c)所示,紅外測(cè)溫結(jié)果顯示該水閘上游靜水區(qū)水溫約3℃,而由于動(dòng)水區(qū)與空氣熱量交換較多,下游動(dòng)水區(qū)溫度比靜水區(qū)溫度高1.1℃。接觸式溫度探針和點(diǎn)式測(cè)溫槍測(cè)得相應(yīng)水面上多個(gè)點(diǎn)位的水溫平均值分別為:靜水區(qū)3.1℃;動(dòng)水區(qū)4.25℃?？梢娫诤礁?5m的探測(cè)距離下,該紅外熱像儀的測(cè)溫絕對(duì)誤差在0.2℃以內(nèi)。在汛期夜間,河水與堤壩坡面的溫差能達(dá)到4℃左右,并且晴朗的午后該溫差更大[21]。因此,0.2℃的測(cè)溫誤差對(duì)實(shí)際工程滲漏探測(cè)可接受。

綜上可知,本文所用裝備的航高主要受紅外探測(cè)器的分辨率所限制。欲使投影面積等同于邊長(zhǎng)為10cm的正方形的滲漏區(qū)被該設(shè)備有效探測(cè),航高應(yīng)控制在25m以內(nèi)。

1.3 土石堤壩滲漏巡查實(shí)現(xiàn)流程

無人機(jī)飛行作業(yè)應(yīng)滿足CH/Z 3001—2010《無人機(jī)航攝安全作業(yè)基本要求》和CH/Z3005—2010《低空數(shù)字航空攝影規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定。利用無人機(jī)搭載可見光相機(jī)和紅外熱像儀開展實(shí)際土石堤壩工程滲漏巡查的流程如下:①起飛前準(zhǔn)備。在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指南針和磁羅盤校準(zhǔn);確保各指示燈顯示正常;確保螺旋槳無破損且安裝牢固,槳葉和機(jī)臂完全展開;確保各零部件完好,手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)機(jī)無卡滯現(xiàn)象;檢查無人機(jī)及遙控器電池剩余電量,確保兩者電量充足;確?？梢姽庀鄼C(jī)和紅外熱像儀可正常采樣;檢查并確保飛行控制系統(tǒng)和荷載控制系統(tǒng)的通信鏈路暢通;檢查GPS信號(hào),確保與無人機(jī)成功連接的定位衛(wèi)星不少于4顆。②參數(shù)設(shè)置。觀察并估測(cè)作業(yè)區(qū)最高地物高度,為無人機(jī)設(shè)定高于此高度的返航高度;綜合滲漏探測(cè)任務(wù)、工程地面條件狀況和無人機(jī)續(xù)航能力,合理規(guī)劃航線和設(shè)置成像設(shè)備的采樣頻率;校正紅外熱像儀中的發(fā)射率參數(shù)。③探測(cè)作業(yè)。由取得相應(yīng)飛行資格的無人機(jī)駕駛員操控?zé)o人機(jī)從位于安全區(qū)域的起飛點(diǎn)飛行至首個(gè)作業(yè)目標(biāo)航點(diǎn)。調(diào)整雙光鏡頭角度,切換至自動(dòng)任務(wù)飛行模式,開啟雙光設(shè)備采樣。作業(yè)過程中密切關(guān)注無人機(jī)的飛行姿態(tài)、剩余電量、飛行速度、飛行高度、航線完成情況以及數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。水利專業(yè)分析人員通過圖傳系統(tǒng)接收無人機(jī)采集的堤壩紅外和可見光圖像,實(shí)時(shí)分析堤壩滲漏情況。④無人機(jī)回收。探測(cè)作業(yè)完畢,無人機(jī)駕駛員操控?zé)o人機(jī)至位于安全區(qū)域的降落點(diǎn)著陸;備份采集的可見光和紅外數(shù)據(jù);對(duì)無人機(jī)進(jìn)行部件損壞情況檢查;依次關(guān)閉無人機(jī)、遙控器和地面站軟件的電源。⑤填寫飛行記錄。記錄起飛與降落的位置和時(shí)間,記錄作業(yè)時(shí)段氣溫等氣象條件?？偨Y(jié)并記錄飛行過程中的異常情況。

2 實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)巡測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證

某均質(zhì)土堤位于安徽滁州境內(nèi),堤長(zhǎng)約4km,堤頂平均高出堤腳約15m,迎水面坡降約為1∶1.25,高出堤腳0～8m的背水坡坡降約為1∶1.5,高出堤腳8～15m的部分坡降約為1∶1.2(圖5)。該堤就地取材而筑,堤身材料主要為粉質(zhì)黏土,局部分布雜填土。因填筑質(zhì)量和防滲性能欠佳,滲漏問題突出,堤腳多處常年有滲水,并常在汛期出現(xiàn)坡面滲漏和管涌險(xiǎn)情。

圖5 滲漏巡測(cè)試驗(yàn)的堤壩

2.1 巡測(cè)方案與過程

選取該堤壩長(zhǎng)1325m的范圍進(jìn)行無人機(jī)巡測(cè)試驗(yàn)。該堤壩下游坡面較平整,無高大喬木、建筑物等高聳障礙物。因此,采用圖6所示的航線規(guī)劃,無人機(jī)從堤頂公路起飛,盡可能平行于堤壩軸線在其背水坡上空飛行,作業(yè)完成后回到起飛點(diǎn)著陸。由于堤壩軸線非直線,故在巡測(cè)航線中設(shè)置了5個(gè)航點(diǎn)。

圖6 無人機(jī)野外巡查滲漏的航線規(guī)劃

按圖6所示的航線以不同飛行速度和航高對(duì)該堤壩進(jìn)行多次巡測(cè)。巡測(cè)過程中,通過圖傳系統(tǒng)傳輸?shù)募t外圖像實(shí)時(shí)檢查堤壩的滲漏情況。并將疑似存在滲漏的紅外圖像及其對(duì)應(yīng)的可見光圖像提取出來,做進(jìn)一步分析判斷。必要時(shí)采用手動(dòng)飛行模式對(duì)疑似存在滲漏的區(qū)域進(jìn)行精細(xì)探測(cè)。

由于試驗(yàn)在非汛期開展,堤壩現(xiàn)場(chǎng)無真實(shí)滲漏險(xiǎn)情,僅堤腳有不影響堤壩安全的清澈水體緩慢滲出。故采用虹吸法在如圖7所示的地理位置處人工模擬了兩處滲漏。具體做法是采用直徑為10mm的橡膠水管,將水從堤后引至堤壩背水坡及堤腳。

圖7 堤壩現(xiàn)場(chǎng)模擬的坡面滲漏和管涌

如圖7(a)所示,坡面滲漏出口設(shè)置于堤腳以上0.5m的坡面上,該處在非汛期亦有持續(xù)的自然滲水。切開原土體,將水管出口埋于坡面以下5cm處再將土體復(fù)原。考慮管涌常發(fā)生于覆蓋層薄弱且充滿水的坑塘和水田中,如圖7(b)所示,模擬的管涌設(shè)置于堤腳的水田中,管涌出口淹沒在水下10cm處。為探究復(fù)雜地面條件對(duì)本方法探測(cè)管涌的影響,所選水田表面布滿了秸稈和雜草。

2.2 巡測(cè)結(jié)果分析

在紅外圖像中,堤壩坡面和堤腳等區(qū)域應(yīng)視為圖像背景,而滲漏是待發(fā)現(xiàn)的目標(biāo),即圖像前景。該堤壩在晴朗午后和雨天的可見光圖像及其紅外圖像(圖8)與地面模型試驗(yàn)結(jié)果[21]一致,由于河水的水體較大且比熱容較土石材質(zhì)大,河水溫度與環(huán)境溫度相差較大;而坡面及水體相對(duì)較小的坑塘,其溫度更趨近于環(huán)境溫度。因而晴朗午后,河水溫度較堤壩坡面溫度和堤腳坑塘中的水溫更低,滲漏將在背景中呈現(xiàn)低溫異常;而晴朗的夜間和整個(gè)雨天,河水溫度更高,滲漏將在背景中呈現(xiàn)高溫異常。

圖8 堤壩與河流在不同環(huán)境下的圖像

利用本文巡測(cè)方法在晴朗午后和晴朗夜間探測(cè)到的坡面滲漏圖像(圖9)顯示,由于堤腳自然滲水的存在,堤腳在午后呈現(xiàn)出較正常坡面更低的溫度,而在夜間呈現(xiàn)出較正常坡面更高的溫度。但由于該處自然滲水是緩慢的,其溫度異常現(xiàn)象不及所模擬的滲漏明顯。這表明滲漏的流量和流速對(duì)滲漏的發(fā)現(xiàn)有影響。流量和流速越大,滲水引起的溫度異常越不易被堤表的環(huán)境溫度所同化,溫度異常越明顯,越有利于滲漏的發(fā)現(xiàn)。

圖9 不同環(huán)境下探得的坡面滲漏

對(duì)比圖9中的可見光圖像和紅外圖像可知,紅外圖像能形象直觀地呈現(xiàn)滲漏引起的溫度異常,而可見光圖像可展現(xiàn)滲漏尾水,并提供人眼更加熟悉的空間感,有利于滲漏的輔助判斷和空間定位。

值得一提的是本文巡測(cè)方法在夜間工作性能良好。從圖9(b)可知,夜間人工借助燈光照明難以發(fā)現(xiàn)滲漏,即使發(fā)現(xiàn)堤腳的水體,也難以區(qū)分是正常積水還是危險(xiǎn)的滲漏。而通過紅外圖像可以看出,暴露于環(huán)境中時(shí)間越長(zhǎng)的積水,其溫度越接近于環(huán)境溫度,而滲漏出口的溫度異常最明顯,因而可較好地發(fā)現(xiàn)滲漏出口所在。

本文巡測(cè)方法在晴朗午后和雨天探得的管涌圖像(圖10)表明,因管涌出口淹沒在水下,從可見光圖像中無法察覺管涌的存在,說明即使人工靠近該管涌,也幾乎不能通過肉眼發(fā)現(xiàn)出口如此小的管涌。而實(shí)際情況下,由于坑塘和水田充滿水體,人工巡視甚至難以覆蓋這些區(qū)域。與之相比,晴朗和雨天的管涌出口都在紅外圖像中呈現(xiàn)出明顯的溫度異常區(qū),表明本文探測(cè)方法對(duì)探測(cè)早期管涌有效。

以上野外試驗(yàn)結(jié)果表明,利用無人機(jī)搭載可見光相機(jī)和紅外熱像儀的巡測(cè)方法在實(shí)際堤壩工程探測(cè)滲漏中可行,且該方法操作簡(jiǎn)便、探測(cè)效率高、可在雨天和夜間正常工作、探測(cè)結(jié)果形象直觀,對(duì)大體積、長(zhǎng)線狀堤壩工程具有很好的實(shí)用性。尤其是對(duì)于坑塘、水田等人工難以接近的區(qū)域,該方法仍可以進(jìn)行探測(cè),實(shí)現(xiàn)堤壩滲漏的全覆蓋式排查。

2.3 巡查方法應(yīng)用于實(shí)際工程的局限性

野外試驗(yàn)在驗(yàn)證本文巡測(cè)方法的可行性和實(shí)用性的同時(shí),也表現(xiàn)出一些局限性。

2.3.1 復(fù)雜地面條件的影響

如圖9(a)和10(a)所示,不同于精細(xì)制作的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?實(shí)際堤壩工程表面通常都不平整,在強(qiáng)烈的太陽輻射作用下,堤壩表面本身的溫度分布也不均勻,常在紅外圖像中呈現(xiàn)類似于滲漏引起的溫度異常區(qū)。由于坡面滲漏導(dǎo)致的溫度異常區(qū)通常沿坡面向下擴(kuò)展,形成獨(dú)特的拖尾特征,該影響相對(duì)較小。而復(fù)雜的地面條件對(duì)本文方法探測(cè)和識(shí)別管涌的不利影響很大。圖10(a)中,僅綠色箭頭示出的溫度異常區(qū)為管涌所致,而從紅外圖像中難以區(qū)分正常的溫度分布不均和管涌引起的溫度異常。

復(fù)雜的地面條件對(duì)利用本文方法探測(cè)和識(shí)別滲漏的不利影響主要出現(xiàn)在太陽輻射強(qiáng)烈的情況下。而夜間和雨天,這種影響將會(huì)更小。如圖10(b)所示,雨天不僅有識(shí)別滲漏所需要的溫差,而且降雨對(duì)整個(gè)堤壩表面溫度起到均勻化作用,使得滲漏引起的溫度異常在背景中更加突出。汛期夜間氣溫通常會(huì)降至露點(diǎn)溫度以下,使得夜間具備與雨天類似的探測(cè)效果。

2.3.2 溫度不斷變化的影響

本文方法的核心思想在于利用紅外探測(cè)器捕捉滲漏引起的局部溫度異常,再結(jié)合溫度異常區(qū)的特征識(shí)別滲漏。滲水與背景之間的溫差是探測(cè)效果的決定性因素。然而由于太陽輻射和地表微氣候的作用,河水與堤壩坡面和坑塘之間的溫差不斷變化。例如,通常在日出后和日落后2 h左右的時(shí)段里,滲漏出口與其周圍背景物之間的溫差較小,探測(cè)效果不佳。為說明該問題,如圖11所示,將滲漏出口埋設(shè)于含水量較低的堤壩坡面上,日出后1h左右的探測(cè)結(jié)果表明,從可見光圖像中可清晰發(fā)現(xiàn)滲漏引起的土體濕潤(rùn),而由于此時(shí)缺乏所需的溫差,從紅外圖像中無法發(fā)現(xiàn)滲漏。這進(jìn)一步表明,可見光視角不僅能提供人眼更加熟悉的真實(shí)空間感,輔助滲漏的判斷和空間定位,而且在一些情況下也能直接為滲漏判斷提供依據(jù)。進(jìn)一步說明可見光和紅外雙光成像的滲漏探測(cè)模式是必要且科學(xué)的。

圖11 日出時(shí)探測(cè)的坡面滲漏

探測(cè)效果除了與溫差相關(guān),也與紅外探測(cè)器的熱靈敏度相關(guān)。經(jīng)驗(yàn)上,若利用本文所用紅外探測(cè)器(熱靈敏度50 mK),1℃以上的溫差才能保證良好的人眼辨識(shí)效果;采用熱靈敏度20 mK的紅外探測(cè)器,對(duì)溫差的需求可降至0.5℃;采用熱靈敏度120 mK的紅外探測(cè)器,對(duì)溫差的需求則在2℃左右。

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)對(duì)所需溫差的判斷極為重要。在正式巡測(cè)作業(yè)前,手動(dòng)操控?zé)o人機(jī)至較高高度,使河水、堤壩及被關(guān)注的堤腳區(qū)域出現(xiàn)于同一視窗中(如圖8所示)。此時(shí)若存在理想的溫差,則進(jìn)行探測(cè)作業(yè);否則等待幾小時(shí),直至理想的溫差出現(xiàn)再用本方法開展巡測(cè)。

除以上局限性外,作為一種非接觸式被動(dòng)感測(cè)方法,紅外熱成像不具備穿透堤壩內(nèi)部及水體的能力,即只有當(dāng)滲漏引起的溫度異常抵達(dá)堤壩表面或坑塘的水面,該探測(cè)方法才有效。然而,目前汛期主要依賴的人工拉網(wǎng)式巡視方法也只能發(fā)現(xiàn)已出逸的滲漏,并且難以對(duì)坑塘和水田等區(qū)域開展巡查。與人工巡視相比,該探測(cè)方法具有高效、形象直觀、覆蓋面廣、夜間工作性能良好等優(yōu)點(diǎn),即使短期內(nèi)不能完全代替人工巡視,也無疑可作為堤壩滲漏巡查手段的有力補(bǔ)充。

3 結(jié) 語

紅外-可見雙光巡查模式需要綜合考慮雙光圖像的地物分辨能力及紅外探測(cè)器的測(cè)溫誤差來確定合適的探測(cè)距離。由于目前紅外探測(cè)器相對(duì)于可見光探測(cè)器分辨率普遍更低,有效的極限探測(cè)距離通常取決于紅外探測(cè)器的分辨能力。

紅外熱成像能形象直觀地反映堤壩滲漏引起的溫度異常,在晴朗、雨天等常見天氣環(huán)境中探測(cè)實(shí)際堤壩工程滲漏是可行的。

利用無人機(jī)搭載紅外熱像儀進(jìn)行滲漏巡測(cè),具有操作簡(jiǎn)便、高效、夜間工作性能良好等優(yōu)點(diǎn),對(duì)大體積、長(zhǎng)線狀堤壩工程滲漏巡查具有很好的實(shí)用性。尤其是對(duì)于坑塘、水田等人工巡視難以接近的區(qū)域,該方法仍可覆蓋,實(shí)現(xiàn)堤壩滲漏的全覆蓋式排查。

可見光圖像不僅能提供人眼更加熟悉的真實(shí)空間感,輔助滲漏的判斷和空間定位,而且在一些情況下也能直接為滲漏判斷提供依據(jù)?？梢姽夂图t外相結(jié)合的雙光探測(cè)模式是科學(xué)且實(shí)用的。

在取得上述發(fā)現(xiàn)的同時(shí),現(xiàn)有工作仍存在不足。例如本研究雖然在滲漏的探測(cè)環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了快速化和自動(dòng)化,然而在滲漏識(shí)別的環(huán)節(jié)卻還是需要人眼觀察圖像實(shí)現(xiàn)滲漏辨識(shí),這不僅需要滲漏判斷人員具有扎實(shí)的專業(yè)基礎(chǔ)和豐富的野外探測(cè)經(jīng)驗(yàn),而且當(dāng)探測(cè)區(qū)域較大時(shí),對(duì)人工持續(xù)穩(wěn)定的判斷力和體力也有很高要求。因此,為進(jìn)一步推動(dòng)堤壩滲漏識(shí)別環(huán)節(jié)的智慧化,研究滲漏自動(dòng)辨識(shí)算法和模型是亟須解決的問題。鑒于堤壩滲漏的紅外圖像具有鮮明的輪廓特征和亮度特征,可考慮將滲漏辨識(shí)問題轉(zhuǎn)化為紅外圖像的分類問題。在圖像分類問題上,深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域已積淀了大量可供參考的先進(jìn)成果。利用已有預(yù)訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開展遷移學(xué)習(xí)是值得考慮的研究方法。