土堤滲水區(qū)域無人機(jī)熱成像試驗(yàn)分析

馬夢(mèng)穎 張煒杰

（1.江蘇省江都水利工程管理處 揚(yáng)州 225200 2.江蘇省防汛防旱搶險(xiǎn)中心 南京 211500）

目前，巡堤查險(xiǎn)以人工為主，耗費(fèi)人力資源多，易疲勞、耗時(shí)長(zhǎng)、效率低、夜晚難開展。本文以某堤防工程滲水處為研究對(duì)象，采用無人機(jī)+紅外攝像頭，對(duì)滲水區(qū)域開展連續(xù)熱成像試驗(yàn)監(jiān)測(cè)，研究滲水匯聚處熱成像圖斑特點(diǎn)，以及區(qū)域不同介質(zhì)的溫度特征，為無人機(jī)巡航發(fā)現(xiàn)堤防滲漏險(xiǎn)情積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

堤防位于長(zhǎng)江水系滁河下游，黏土填筑，堤頂高程11.50m（吳淞零點(diǎn)，下同），頂寬6.0m，泥結(jié)碎石路面。堤腳高程8.50m。前坡1∶2，生態(tài)連鎖砌塊護(hù)坡，后坡1∶2.5，草皮護(hù)坡。設(shè)計(jì)水位10.50m。滲水區(qū)域附近無樹木、高壓桿線、房屋建筑等障礙物，草皮修剪高度低于0.05m，透光性、可視性強(qiáng)。

2021年11月，管理人員巡查發(fā)現(xiàn)1 處堤腳滲水，水質(zhì)清澈，溢出點(diǎn)高程約8.8m，滲水量約1L/min。初步分析，該段為堤身與混凝土建筑物外墻交接處，因不均勻沉降形成滲水通道。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 熱成像設(shè)備

無人機(jī)型號(hào)：經(jīng)緯M300RTK，RTK 位置精度：1cm+1ppm（水平）1.5cm+1ppm（垂直），最大可承受風(fēng)速：15m/s（7 級(jí)風(fēng)），最大飛行時(shí)間：55min，IP 防護(hù)等級(jí)：IP45，工作環(huán)境溫度：-20℃～50℃。

紅外攝像頭型號(hào)：禪思ZenmuseH20T，防水等級(jí)：IP44，工作溫度：-20℃～50℃，熱成像傳感器類型：非制冷氧化釩（VOx）熱輻射計(jì)，DFOV40.6°，焦距13.5mm，光圈f/1.0。

2.2 試驗(yàn)環(huán)境

無人機(jī)飛行高度15m，熱成像鏡頭傾角45°，晴天上午、下午2 個(gè)時(shí)段，選擇積水、草地、混凝土等常見介質(zhì)。

根據(jù)堤防現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，確定巡航線路。檢查無人機(jī)及紅外攝像頭工作正常，現(xiàn)場(chǎng)溫度、風(fēng)速等具備起飛條件后，執(zhí)行試驗(yàn)方案。

工程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置引導(dǎo)員1 人，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)安全管理，配合無人機(jī)操作手進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 雙光成像

2022年1月8日，晴，試驗(yàn)小組采用無人機(jī)系統(tǒng)雙光模式，上午10 時(shí)和下午3 時(shí)，對(duì)滲水處進(jìn)行了巡航拍攝，圖1 所示。

3.2 溫度采集

根據(jù)熱成像圖，在DJIThermalAnalysisTool 中，選定4 處不同介質(zhì)的目標(biāo)測(cè)量區(qū)域，即可得到對(duì)應(yīng)區(qū)域的溫度區(qū)間、平均溫度和溫度眾數(shù)，見表1 所示。

表1 滲水點(diǎn)各材質(zhì)物體溫度與溫差表

平均溫度表示選定區(qū)域內(nèi)所有像素點(diǎn)的溫度平均值，適用于對(duì)象數(shù)據(jù)離散程度不大的時(shí)候，可以代表該區(qū)域的整體情況。溫度眾數(shù)代表選定區(qū)域內(nèi)所有像素點(diǎn)中出現(xiàn)次數(shù)最多的溫度值，適用于圖像中少數(shù)溫度出現(xiàn)頻次較高的時(shí)候，可以代表該區(qū)域的特征情況。

表中所得的平均溫度均略低于溫度眾數(shù)，兩者相差不大。考慮到人為選定的計(jì)算區(qū)域都是介質(zhì)內(nèi)部的較均勻部分，數(shù)據(jù)離散程度較低，故可選擇平均溫度作為研究對(duì)象。

3.3 數(shù)據(jù)分析

由圖1 可見，試驗(yàn)環(huán)境條件下，滲水匯聚區(qū)域在紅外圖中呈現(xiàn)蘑菇云狀，邊界清晰，目視辨識(shí)特征明顯，下午較上午更為突出。

圖1 滲水處成像圖

由表1 可見，試驗(yàn)環(huán)境條件下，滲水匯聚處平均溫度在8℃左右，與環(huán)境溫度（7℃～8℃）較為接近；相鄰的濕潤(rùn)土地、混凝土、干燥草地，與滲水處溫度相差較大，下午尤為明顯；滲水區(qū)域呈現(xiàn)較為明顯的溫度場(chǎng)異常現(xiàn)象。

分析原因：滲水匯聚處受光照影響升溫明顯，各材質(zhì)物體比熱容差異被放大，相鄰物體的溫度差異大，易辨識(shí)。

4 結(jié)論

堤防尚未處理的滲水處較為少見。本試驗(yàn)抓住時(shí)機(jī)，成功開展了無人機(jī)系統(tǒng)巡航測(cè)溫試驗(yàn)。

標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下，堤防滲水處紅外成像圖斑目視辨識(shí)特征顯著，說明無人機(jī)搭載紅外鏡頭開展巡航查找滲漏險(xiǎn)情具有一定的可行性。

我國堤防分布廣泛，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)、后期管理差別很大，堤身常見高桿樹木、雜草、雜物，透光性差，加之受降雨、風(fēng)力風(fēng)向、建筑物、構(gòu)筑物等影響，無人機(jī)搭載紅外鏡頭巡航查找滲漏險(xiǎn)情還需不斷探索研究■