土堤滲水區(qū)域無人機熱成像試驗分析

馬夢穎 張煒杰

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

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

1 工程概況

堤防位于長江水系滁河下游，黏土填筑，堤頂高程11.50m（吳淞零點，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)連鎖砌塊護坡，后坡1∶2.5，草皮護坡。設(shè)計水位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。

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 試驗設(shè)計

2.1 熱成像設(shè)備

無人機型號：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 級風(fēng)），最大飛行時間：55min，IP 防護等級：IP45，工作環(huán)境溫度：-20℃～50℃。

紅外攝像頭型號：禪思ZenmuseH20T，防水等級：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，DFOV40.6°，焦距13.5mm，光圈f/1.0。

2.2 試驗環(huán)境

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

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

工程現(xiàn)場設(shè)置引導(dǎo)員1 人，負(fù)責(zé)現(xiàn)場安全管理，配合無人機操作手進行試驗。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 雙光成像

2022年1月8日，晴，試驗小組采用無人機系統(tǒng)雙光模式，上午10 時和下午3 時，對滲水處進行了巡航拍攝，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)測量區(qū)域，即可得到對應(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)所有像素點的溫度平均值，適用于對象數(shù)據(jù)離散程度不大的時候，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象。

3.3 數(shù)據(jù)分析

由圖1 可見，試驗環(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。

4 結(jié)論

堤防尚未處理的滲水處較為少見。本試驗抓住時機，成功開展了無人機系統(tǒng)巡航測溫試驗。

標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下，堤防滲水處紅外成像圖斑目視辨識特征顯著，說明無人機搭載紅外鏡頭開展巡航查找滲漏險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，無人機搭載紅外鏡頭巡航查找滲漏險情還需不斷探索研究■