紅外影像直接定位技術(shù)在城市建筑工程測(cè)量中的應(yīng)用

蘇順謙，李 帥，李 盼，樊翠銀

(1.北京華城工程管理咨詢有限公司，北京100083； 2.北京速測(cè)信息科技有限公司，北京100080)

城市建筑工程中存在外墻磚塊頻繁脫落和高空垃圾堆積等問題，為了避免出現(xiàn)事故，要運(yùn)用有效準(zhǔn)確的控制方法，及時(shí)修復(fù)和消除潛在危險(xiǎn)。紅外影像直接定位技術(shù)是一種新技術(shù)，其利用不同體積區(qū)域的紅外熱輻射差異，將隱形熱輻射轉(zhuǎn)換成視覺圖像，使用圖像來確定結(jié)構(gòu)，具有高速和大規(guī)模等特征，可用于檢測(cè)和測(cè)量工作中。對(duì)于質(zhì)量良好的建筑裝飾殼的外壁，在外表面或任意區(qū)域中檢測(cè)，應(yīng)得到無缺陷的紅外影像，且紅外影像直接定位技術(shù)檢測(cè)時(shí)應(yīng)是均勻的，即在所獲得的紅外影像中，對(duì)應(yīng)區(qū)域的顏色基本上相同，沒有明顯的色差。總結(jié)了紅外影像直接定位技術(shù)在城市建筑工程測(cè)量中的應(yīng)用，分析了該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，展望了未來發(fā)展方向。

1 紅外影像直接定位技術(shù)原理

紅外位于可見紅光和微波之間，波長(zhǎng)760 nm～1 mm，在自然界中高于絕對(duì)零度(-273℃)的物體，從外部連續(xù)輻射紅外能量，這是紅外溫度測(cè)量的理論基礎(chǔ)，也是探測(cè)技術(shù)的重要物理基礎(chǔ)。紅外影像直接定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)的測(cè)量基于熱傳導(dǎo)方程和輻射規(guī)律，使得物體輻射到外部的總紅外輻射功率與溫度比例是4倍，因此較小的溫差也可能導(dǎo)致輻射體積的顯著差異。根據(jù)該方法，在沒有多余刺激的情況，即使在城市建筑工程中沒有發(fā)現(xiàn)明顯缺陷的情況也可以使用紅外影像直接定位技術(shù)有效地檢測(cè)缺陷。室外的最高溫度周期不是檢測(cè)紅外影像的最佳時(shí)間，每天的最高溫度出現(xiàn)在下午1時(shí)左右，然而缺陷區(qū)域在上午10～11時(shí)最顯著，因?yàn)闊彷椛鋱D像氣溶膠區(qū)域可以在白天溫度變化較大時(shí)清楚地標(biāo)記，當(dāng)照射到來自外部的相同熱源時(shí)，由于熱參數(shù)的不同，在整個(gè)材料中產(chǎn)生不同類型的紅外影像，紅外溫度計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)收斂，紅外輻射能量落在紅外檢測(cè)器的平面上，被光電轉(zhuǎn)換將被測(cè)物質(zhì)的紅外能量轉(zhuǎn)換成電能，并在溫度計(jì)的瞄準(zhǔn)器上顯示物體的紅外影像，如圖1。城市建筑工程外部和內(nèi)部由不同材料構(gòu)成，因此難以使用紅外成像來確定缺陷，這種情況下即使實(shí)際操作較為困難，溫度變化也會(huì)有不協(xié)調(diào)感，很難識(shí)別由于陰影掩蓋、材料厚度差等因素造成的缺陷，影響了紅外影像直接定位技術(shù)的實(shí)際使用效果。

圖1 紅外影像直接定位技術(shù)原理Fig.1 Principle of infrared image direct positioning technology

2 城市建筑工程測(cè)量中紅外影像直接定位技術(shù)的應(yīng)用

與傳統(tǒng)的無損檢測(cè)方法相比，紅外影像直接定位技術(shù)具有較大的優(yōu)勢(shì)，可以整合數(shù)據(jù)分析、圖像處理等技術(shù)手段，得到更準(zhǔn)確的測(cè)量效果。

2.1 裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用

紅外影像直接定位技術(shù)使用不同物體之間的熱輻射差異來完成物體檢測(cè)，當(dāng)混凝土表面發(fā)生裂紋時(shí)，空氣和混凝土結(jié)構(gòu)的熱輻射強(qiáng)度差較大，所以可以使用紅外溫度計(jì)來更好地檢測(cè)混凝土表面的裂紋，提供新的檢測(cè)手段，改善后續(xù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高測(cè)量精度。紅外熱成像儀的裂紋檢測(cè)原理是在光和熱流注入均勻的情況下，在結(jié)構(gòu)上存在裂紋，經(jīng)過一定時(shí)間的傳熱，裂紋中的熱流速度變慢，表面缺陷形成熱點(diǎn)，當(dāng)檢測(cè)到缺陷時(shí)溫度降低，形成冰點(diǎn)。利用這種熱輻射特性，可以使用紅外成像器獲得直觀的紅外圖像和處理溫度變異的邊緣點(diǎn)，獲得清晰的裂紋圖。研究不同溫度差和裂紋深度之間的關(guān)系，能夠進(jìn)一步明確城市建筑工程中裂紋的嚴(yán)重性和修復(fù)增強(qiáng)的方向。

2.2 在空鼓檢測(cè)中的應(yīng)用

隨著環(huán)境溫度的變化，裝飾材料和結(jié)構(gòu)材料的熱壓縮沒有完全同步，因此產(chǎn)生了溫度應(yīng)力，在這樣的情況下，裝飾材料和結(jié)構(gòu)材料之間的弱粘結(jié)形成了裂縫。當(dāng)受其他外部因素的影響時(shí)，裂紋擴(kuò)展到空鼓形狀，當(dāng)熱流從表面進(jìn)入建筑物的外壁層時(shí)，由于空氣的熱電阻高，所以壁片中的空鼓等缺陷通過空氣動(dòng)力屏障產(chǎn)生熱積累，起到絕熱層的作用，如表1。目前，使用紅外影像直接定位技術(shù)有較多限制，紅外測(cè)量效果與季節(jié)控制有關(guān)，需要基于太陽輻射強(qiáng)度理論研究不同情況下的最佳測(cè)量時(shí)間。紅外觀測(cè)效應(yīng)與被測(cè)量部分的時(shí)間和方向有關(guān)，需要考慮不同氣象條件、不同時(shí)間點(diǎn)的測(cè)量差異，室外溫度越高，面積越大，深度越淺，紅外熱成像檢測(cè)方法的效果越高。

表1 空鼓檢測(cè)數(shù)據(jù)表Tab.1 Empty drum detection data

2.3 滲漏檢測(cè)中的應(yīng)用

在相同的測(cè)量條件下，當(dāng)城市建筑工程被測(cè)量部位產(chǎn)生空心鼓、漏氣等缺陷時(shí)，缺陷會(huì)改變裝飾面與壁之間的導(dǎo)熱性，圖像顯示的紅外影像定位部位出現(xiàn)異常，能夠直觀判斷異常區(qū)域的實(shí)際位置。國(guó)內(nèi)外很多專家通過紅外影像直接定位技術(shù)研究了建筑領(lǐng)域的測(cè)量和質(zhì)量控制，利用紅外影像直接定位技術(shù)檢測(cè)時(shí)，需要一定的外部環(huán)境條件，使外壁表面產(chǎn)生合理的溫差，這限制了該技術(shù)的普及。水的熱容量高于城市建筑工程材料的熱容量，所以在相同的熱輻射條件下，透射點(diǎn)的溫度上升幅度較小，紅外波段的熱成像產(chǎn)生冷點(diǎn)，根據(jù)該理論，可以使用基于紅外影像直接定位技術(shù)的綜合檢測(cè)方法，有效測(cè)量滲漏源和滲漏途徑。水的熱容量和熱傳導(dǎo)系數(shù)明顯高于巖石、黏土等材料，因此如果存在熱源，則干燥體的溫度上升明顯高于濕潤(rùn)體。城市建筑缺陷部位的水分，是影響紅外影像直接定位技術(shù)運(yùn)用效率的重要因素之一。在城市建筑混凝土滲漏試驗(yàn)中，高溫區(qū)域的紅外影像直接定位具有被低溫區(qū)域的溫度場(chǎng)包圍的特征，滲漏邊緣的區(qū)域溫度梯度大，特征明顯。因此，在滲漏測(cè)量領(lǐng)域，紅外影像直接定位技術(shù)方法值得深入研究。

2.4 節(jié)能檢測(cè)中的應(yīng)用

綠色建筑和智能建筑能耗更低，在斷電或減少用電的情況下，可盡量保證建筑內(nèi)部溫度適宜。利用紅外影像直接定位技術(shù)，可以較為準(zhǔn)確地了解節(jié)能建筑的具體情況及其保溫隔熱性能。圖2為紅外影像直接定位技術(shù)應(yīng)用于建筑節(jié)能檢測(cè)中，通過紅外影像直接定位技術(shù)快速了解節(jié)能建筑的比熱容，如果在節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中存在較高的溫度差，外部空氣進(jìn)入節(jié)能建筑內(nèi)部后將難以流通，容易形成熱量相對(duì)密集的區(qū)域，通過檢測(cè)建筑物內(nèi)外部區(qū)域的熱量損失數(shù)值，可以得出節(jié)能建筑的能耗比例。施工人員可以根據(jù)檢測(cè)成果，按照其反映出的熱橋區(qū)域進(jìn)行維修，減少節(jié)能建筑物的熱橋區(qū)域面積，進(jìn)一步提升節(jié)能建筑的隔熱作用。在節(jié)能建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為達(dá)到節(jié)能和環(huán)保目的，加入了隔熱保溫材料，但如果隔熱保溫材料出現(xiàn)安裝失誤和密封性差的情況，會(huì)導(dǎo)致節(jié)能建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱保溫作用下降，使房屋建筑的能耗大大增加。應(yīng)用紅外影像直接定位技術(shù)，可以直觀檢測(cè)建筑物內(nèi)存在的熱損失情況，有助于進(jìn)一步了解其節(jié)能情況，診斷熱損失出現(xiàn)的具體原因，從而及時(shí)采取措施，彌補(bǔ)節(jié)能建筑保溫施工設(shè)計(jì)的缺陷。

圖2 紅外影像節(jié)能檢測(cè)圖Fig.2 Infrared image energy-saving detection chart

2.5 管道檢測(cè)中的應(yīng)用

建筑管道使用過程中，會(huì)出現(xiàn)管道堵塞、內(nèi)壁腐蝕、裂紋和泄漏等情況，可利用紅外影像直接定位技術(shù)進(jìn)行偵測(cè)，因?yàn)楣艿蓝氯麜?huì)產(chǎn)生溫度變化，這些熱容量差值可傳遞到管線外殼上。管道磨損會(huì)導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如果出現(xiàn)磨損，溫度的傳導(dǎo)速度會(huì)更快，更加容易傳遞熱量，磨損部位溫度上升，會(huì)與其他部位的溫度產(chǎn)生差值。應(yīng)加強(qiáng)建筑管道監(jiān)測(cè)，對(duì)管道進(jìn)行嚴(yán)格密封，確保生活污水的合理排放。大部分房屋管道埋在混凝土建筑結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)的房屋管道檢測(cè)較為隱蔽，很難直接觀察了解管道的密封情況，因此，在管道檢測(cè)中可以應(yīng)用紅外影像直接定位技術(shù)，通過溫度差值，找到管道中存在堵塞和泄漏的具體位置，快速判斷管道的故障問題，準(zhǔn)確了解管道的具體情況。紅外影像直接定位技術(shù)有利于快速識(shí)別管道障礙區(qū)域，一旦建筑管道密封連接出現(xiàn)誤差，會(huì)導(dǎo)致管道中的氣體和水體發(fā)生泄露，使得管道局部的導(dǎo)熱性上升。管道出現(xiàn)滲漏，會(huì)使管道周邊空氣活動(dòng)更加頻繁，管道區(qū)域溫度因?yàn)榭諝饣顒?dòng)而下降，應(yīng)用紅外影像直接定位技術(shù)可以準(zhǔn)確探測(cè)出故障部位，形成準(zhǔn)確的故障報(bào)告，提高管道故障檢測(cè)速度和質(zhì)量。

3 結(jié)語

利用紅外影像直接定位技術(shù)，通過尋找不同條件下紅外成像中不同材料的溫差算法，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和整合，通過自動(dòng)程序處理并迅速識(shí)別，可找到城市建筑工程中的缺陷，大大提高測(cè)量效率和準(zhǔn)確率，為城市建筑工程測(cè)量提供快捷方便的途徑，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。