基于無(wú)人機(jī)和紅外熱成像技術(shù)的小型水庫(kù)壩體早期非穩(wěn)定滲漏檢測(cè)系統(tǒng)

王玉磊，湯 雷，錢(qián)思蓉

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南京 210029；2 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 南京 210098)

目前，我國(guó)已建成水庫(kù)九萬(wàn)余座，其中小型水庫(kù)占比大于90%[1]。我國(guó)小型水庫(kù)存在工程標(biāo)準(zhǔn)偏低、建設(shè)質(zhì)量較差、老化失修嚴(yán)重、配套設(shè)施不全等問(wèn)題，部分小型水庫(kù)滲漏隱患嚴(yán)重[2]。發(fā)現(xiàn)滲漏是治理滲漏隱患的前提，但目前小型水庫(kù)中仍有較大比例的滲漏不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，主要原因如下：① 小型水庫(kù)數(shù)量眾多，分散性大，人工巡查法效率低，無(wú)法滿足普檢到位的要求[3-4]；② 小型水庫(kù)壩體下游面往往生長(zhǎng)了大量植被，這些植被的存在又遮掩了滲漏部位，使得滲漏點(diǎn)更難被發(fā)現(xiàn)；③ 大中型水庫(kù)壩體中常用的滲漏監(jiān)測(cè)技術(shù)(直流電阻率法和高密度電法等)，需要埋設(shè)傳感器并進(jìn)行人工定期測(cè)讀[5]，經(jīng)濟(jì)成本較高，故很少應(yīng)用于小型水庫(kù)壩體檢測(cè)中。此外，檢查和發(fā)現(xiàn)小型水庫(kù)壩體的早期非穩(wěn)定滲漏更是一個(gè)技術(shù)難題。早期非穩(wěn)定滲漏是指處于早期發(fā)展階段的滲漏，具有滲漏量逐漸增大而又未能形成可見(jiàn)水流的特點(diǎn)，具有較高的危險(xiǎn)性和隱蔽性[6-7]。

考慮到成本因素，小型水庫(kù)壩體滲漏檢查最常采用的方法是人工巡檢法[8]，該方法主要依靠人目視觀察壩面是否有明顯的潮濕印跡來(lái)進(jìn)行判斷。而非穩(wěn)定滲漏的辨識(shí)是通過(guò)比較連續(xù)兩次或多次巡查發(fā)現(xiàn)的滲漏范圍，來(lái)判斷其是否為非穩(wěn)定滲漏。這種判定方式依賴于人的記憶力和感覺(jué)，效率低下，實(shí)際中難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)非穩(wěn)定滲漏。紅外熱像儀檢查滲漏是近年來(lái)被廣泛應(yīng)用的一種新型檢測(cè)技術(shù)，常應(yīng)用于地下室滲漏檢查、管道滲漏檢查等[9]。然而，該方法在小型水庫(kù)壩體滲漏檢查中使用率較低，這是因?yàn)槲覈?guó)小型水庫(kù)量大面廣，人工定期巡查壩體工作量較大，且人工拍攝熱像圖耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，檢測(cè)效率低下。

為了能夠高效而精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)小型水庫(kù)壩體早期非穩(wěn)定滲漏，針對(duì)傳統(tǒng)滲漏檢測(cè)技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)人機(jī)和紅外熱成像技術(shù)的小型水庫(kù)壩體早期非穩(wěn)定滲漏檢測(cè)系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)的檢測(cè)原理、設(shè)計(jì)思路及應(yīng)用方法。

1 檢測(cè)原理

1.1 紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)

紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)是以紅外輻射原理為基礎(chǔ)，運(yùn)用紅外輻射測(cè)量技術(shù)和方法，測(cè)量熱波在物體內(nèi)部的傳遞情況，并通過(guò)熱像儀顯示出來(lái)[10]，最后對(duì)采集的熱圖像進(jìn)行處理，從而判斷物體內(nèi)部是否存在缺陷的一種方法[11]，紅外檢測(cè)技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 紅外檢測(cè)技術(shù)流程圖

1.2 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)

無(wú)人機(jī)是一種由無(wú)線電遙控設(shè)備或自身程序控制裝置操縱的無(wú)人駕駛飛行器[12]。無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀監(jiān)測(cè)技術(shù)，憑借著機(jī)動(dòng)靈活、效率高、成本低、無(wú)人員傷亡風(fēng)險(xiǎn)、可視距離遠(yuǎn)、非接觸測(cè)溫等優(yōu)勢(shì)[13]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力巡檢、石油管道巡視、森林防火巡查、太陽(yáng)能電池檢測(cè)、應(yīng)急救援等領(lǐng)域。

1.3 小型水庫(kù)壩體滲漏檢測(cè)原理

采用紅外熱像檢測(cè)技術(shù)對(duì)小型水庫(kù)壩體進(jìn)行滲漏檢測(cè)，當(dāng)前的檢測(cè)原理與方法是將低溫點(diǎn)判定為滲漏點(diǎn)，但此依據(jù)誤判率較高，這是因?yàn)樾⌒退畮?kù)壩體疏于管理和維護(hù)，普遍存在坑凹不平、積水、潮濕和植被生長(zhǎng)等情況，這些地方往往都是低溫點(diǎn)。只有壩體下游面的積水來(lái)自于庫(kù)水，才可以判斷該位置為滲漏點(diǎn)。因此，筆者研制的小型水庫(kù)壩體早期非穩(wěn)定滲漏檢測(cè)系統(tǒng)所采用的檢測(cè)原理，關(guān)鍵在于區(qū)分庫(kù)水和壩體表面的積水。壩體表面上的積水因?yàn)轶w量小，其溫度受氣溫影響較大而表現(xiàn)為與氣溫相近；而庫(kù)水因?yàn)轶w量大，其溫度受氣溫影響小，因而與氣溫相差較大。筆者以庫(kù)水溫度與氣溫的差值作為滲漏判別條件，抓住了壩體滲漏的本質(zhì)特點(diǎn)。

2 檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀檢測(cè)系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)平臺(tái)、紅外熱像儀、通信鏈路和地面遙控臺(tái)4部分組成(見(jiàn)圖2)，圖2中實(shí)線箭頭為無(wú)人機(jī)控制信號(hào)通道，虛線箭頭為紅外熱像儀控制通道。無(wú)人機(jī)平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)按計(jì)劃自主飛行和搭載紅外熱像儀兩大任務(wù)；紅外熱像儀用于拍攝壩體下游面的熱像圖；通信鏈路用于實(shí)現(xiàn)控制數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息及實(shí)時(shí)圖像的傳輸，提供地面遙控臺(tái)與無(wú)人機(jī)平臺(tái)、紅外熱像儀的遠(yuǎn)程交互控制，地面遙控臺(tái)負(fù)責(zé)完成控制指令發(fā)送、無(wú)人機(jī)平臺(tái)和紅外熱像儀的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)接收、實(shí)時(shí)圖像集中顯示等。

圖2 無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀檢測(cè)系統(tǒng)組成

2.1.2 溫度報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一種適用于無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀檢測(cè)系統(tǒng)的溫度報(bào)警系統(tǒng)。該溫度報(bào)警系統(tǒng)基于庫(kù)水溫度和大氣溫度進(jìn)行設(shè)定，并綜合考慮光照條件及壩體表面植被的影響。太陽(yáng)光照射造成的壩面溫升將疊加在壩面與大氣進(jìn)行熱交換后的溫升上，將陽(yáng)光照射狀態(tài)分為照射角度在±30°之內(nèi)的陽(yáng)光直射狀態(tài)、照射角度在±30°之外的陽(yáng)光偏照狀態(tài)及陰天狀態(tài)。壩面的溫度還受植被覆蓋影響，表面植被狀態(tài)分為有植被狀態(tài)和無(wú)植被狀態(tài)。當(dāng)氣溫較高時(shí)，壩面溫度>植被溫度>氣溫；當(dāng)氣溫較低時(shí)，氣溫>壩面溫度>植被溫度[14]。

(1) 溫度報(bào)警閾值設(shè)定

溫度報(bào)警閾值t0基于空氣溫度t1、庫(kù)水溫度t2、壩體表面植被狀態(tài)和陽(yáng)光照射狀態(tài)確定。溫度報(bào)警閾值t0計(jì)算方式如式(1),(2)所示。

t0=k1t1-k2Δt

(1)

Δt=(t1-t2)/2

(2)

式中：Δt為校正溫度；k1為陽(yáng)光照射調(diào)整系數(shù)。

直射狀態(tài)k1取值應(yīng)大于1.0，偏照狀態(tài)下k1取值也應(yīng)大于1.0，但小于直射狀態(tài)下的k1取值，陰天k1取值為1.0；k2為植被影響調(diào)整系數(shù)，無(wú)植被狀態(tài)k2取值為1.0，有植被狀態(tài)k2取值應(yīng)小于1.0。值得注意的是：如果庫(kù)水溫度與空氣溫度的差值|t1-t2|≤2 ，由于該溫差較小，當(dāng)壩體下游面出現(xiàn)積水或潮濕時(shí)，難以辨別該積水或潮濕的水分是否是來(lái)自于庫(kù)內(nèi)的水；為了方便工作人員檢測(cè)，以及盡可能反映庫(kù)水水體溫度，庫(kù)水溫度t2取距離壩體上游面與庫(kù)水面交線大于0.5 m、水表面下0.5 m處的水體溫度。

(2) 溫度報(bào)警設(shè)定

該溫度報(bào)警系統(tǒng)在熱像圖內(nèi)最低溫度低于預(yù)設(shè)的溫度閾值(此時(shí)氣溫t1>庫(kù)水溫度t2)，或最高溫度高于預(yù)設(shè)的溫度閾值(此時(shí)庫(kù)水溫度t2>氣溫t1)時(shí)報(bào)警。溫度報(bào)警系統(tǒng)由紅外熱像儀中的長(zhǎng)波紅外測(cè)量單元、中波紅外測(cè)量單元、電光轉(zhuǎn)換模塊、穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)和設(shè)置于地面遙控臺(tái)中的溫度傳感器控制板、電聲轉(zhuǎn)換模塊等組成。穩(wěn)定跟蹤平臺(tái)承載兩個(gè)測(cè)量單元自動(dòng)追蹤紅外電磁波；電光轉(zhuǎn)換模塊將紅外電磁波轉(zhuǎn)換為通信鏈路中的溫度信號(hào)；溫度傳感器控制板根據(jù)預(yù)設(shè)的溫度報(bào)警閾值圈定出溫度異常信號(hào);電聲轉(zhuǎn)換模塊接收溫度異常信號(hào)并將其裝換為聲信號(hào)。

2.1.3 非穩(wěn)定滲漏檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

非穩(wěn)定滲漏檢測(cè)系統(tǒng)包括低溫/高溫區(qū)域面積積分模塊，用于獲取熱像圖中超過(guò)預(yù)設(shè)溫度閾值的溫度范圍，即當(dāng)氣溫t1>庫(kù)水溫度t2時(shí)，則判定低溫區(qū)域?yàn)闈B漏處，此時(shí)所獲取的滲漏范圍為熱像圖中最低溫度tmin+0.2Δt的等溫線以下范圍；當(dāng)庫(kù)水溫度t2>氣溫t1時(shí)，則判定高溫區(qū)域?yàn)闈B漏處，此時(shí)所獲取的滲漏范圍為熱像圖中最高溫度tmax+0.2Δt的等溫線以上范圍。該模塊基于紅外熱像儀、無(wú)人機(jī)的定位系統(tǒng)和測(cè)距傳感器，建立了穩(wěn)定的實(shí)際物體尺寸與圖像像素個(gè)數(shù)的比例關(guān)系，通過(guò)計(jì)數(shù)目標(biāo)在熱像圖上所占的像素點(diǎn)，計(jì)算出低溫/高溫區(qū)域的面積。

當(dāng)通過(guò)熱像圖確定滲漏部位時(shí)，首先利用該系統(tǒng)計(jì)算熱像圖中低溫區(qū)域面積(t1>t2)或高溫區(qū)域面積(t1

2.2 檢測(cè)系統(tǒng)儀器選用

檢測(cè)系統(tǒng)中的無(wú)人機(jī)平臺(tái)應(yīng)具有便于攜帶、自由懸停精度高、飛行平穩(wěn)、定位精度高、圖傳距離長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，并具有一定的載荷能力，因此選用了大疆M210V2型無(wú)人機(jī)，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示；檢測(cè)系統(tǒng)中的紅外熱像儀應(yīng)選用了像素為640×512的大疆XT2型紅外熱像儀，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示；選用了大疆GL900A型地面遙控臺(tái)，其信號(hào)傳輸距離可達(dá)8 km，傳輸信號(hào)強(qiáng)且穩(wěn)定；選用顯程為20 ℃60 ℃，精度為0.01 ℃的溫度計(jì)，用于測(cè)量和記錄溫差，設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)如圖3所示。

表1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)主要性能參數(shù)

表2 紅外熱像儀主要性能參數(shù)

圖3 小型水庫(kù)壩體早期非穩(wěn)定滲漏檢測(cè)系統(tǒng)組成

3 檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用方法及應(yīng)用實(shí)例

3.1 檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用方法

基于上述的檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提出了該系統(tǒng)的應(yīng)用方法，分為以下4個(gè)步驟。

(1) 巡檢準(zhǔn)備。設(shè)定無(wú)人機(jī)巡檢路線；測(cè)定氣溫和庫(kù)水溫度；判定天氣狀況及壩體表面植被覆蓋情況。

(2) 巡檢。利用無(wú)人機(jī)攜帶紅外熱像儀，根據(jù)預(yù)設(shè)的巡檢航線全面巡檢壩體下游面，巡檢期間通過(guò)紅外熱像儀拍攝壩體下游面的熱像圖；若氣溫t1>庫(kù)水溫度t2，熱像圖中最低溫度低于閾值t0，或庫(kù)水溫度t2>氣溫t1，熱像圖中最高溫度高于t0時(shí)，報(bào)警并記錄此處為疑似滲漏部位；繼續(xù)巡檢，直到完成整個(gè)壩體下游面的巡檢；如巡檢完成也沒(méi)有警報(bào)聲，則判定該壩體沒(méi)有滲漏，并結(jié)束巡檢。

(3) 復(fù)飛。復(fù)飛并抵近疑似滲漏部位再次拍攝熱像圖，如果仍滿足報(bào)警條件，則確定該部位為滲漏點(diǎn)，并計(jì)算熱像圖中低溫區(qū)域面積(t1>t2時(shí))或高溫區(qū)域面積(t1

(4) 再次復(fù)飛。間隔T時(shí)間后，重新設(shè)定溫度閾值，再次復(fù)飛并抵近滲漏點(diǎn)拍攝熱像圖，計(jì)算熱像圖中低溫/高溫區(qū)域面積，對(duì)比步驟(3) 和(4)中低溫/高溫區(qū)域面積的變化，判斷是否存在早期非穩(wěn)定滲漏。值得注意的是，在汛期時(shí)，間隔時(shí)間T不宜過(guò)長(zhǎng)，宜將時(shí)間控制在2 h內(nèi)，因?yàn)樵谘雌趦?nèi)及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏以及時(shí)刻關(guān)注滲漏處是否為非穩(wěn)定滲漏，對(duì)于實(shí)時(shí)評(píng)估大壩安全性具有重要意義。

3.2 檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

采用該檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)某小型水庫(kù)土壩壩體進(jìn)行滲漏檢查，如果滲漏則需判定其是否為早期非穩(wěn)定滲漏。該土壩壩高為8 m，壩軸線長(zhǎng)為30 m,土壩壩體檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 小型水庫(kù)土壩壩體檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)

3.2.1 巡檢過(guò)程

巡檢航線設(shè)定為由壩體右肩向左肩，無(wú)人機(jī)飛行路線規(guī)劃示意如圖5所示，一次完成整個(gè)壩體的巡檢；無(wú)人機(jī)飛行高度為12 m，熱像儀的視野剛好可以覆蓋整個(gè)壩體的下游面；通過(guò)氣溫計(jì)測(cè)定氣溫t1=25 ℃，通過(guò)溫度計(jì)測(cè)定距離壩體上游面與庫(kù)水面交線長(zhǎng)為0.6 m、水表面下0.5 m處的水體溫度t2=15 ℃；天氣狀況為陰天；陽(yáng)光照射系數(shù)k1取1.0；檢查壩體下游面植被狀態(tài)為有植被狀態(tài)，植被影響系數(shù)k2取0.9，Δt=(t1-t2)/2=5 ℃；報(bào)警溫度閾值設(shè)定為t0=k1t1-k2Δt=20.5 ℃。

圖5 無(wú)人機(jī)飛行路線規(guī)劃示意

巡檢過(guò)程中，溫度報(bào)警模塊實(shí)時(shí)讀取每一幀熱像圖中的tmin，并計(jì)算報(bào)警條件，發(fā)現(xiàn)有警報(bào)聲在某位置處發(fā)出，則確定該位置為疑似滲漏點(diǎn)，并記錄此時(shí)無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)；然后繼續(xù)巡檢，完成了整個(gè)壩體下游面的巡檢，沒(méi)有警報(bào)聲再次發(fā)出。根據(jù)記錄的疑似滲漏點(diǎn)的無(wú)人機(jī)飛行參數(shù)，復(fù)飛到疑似滲漏點(diǎn)處，然后懸停拍照。經(jīng)溫度報(bào)警模塊核驗(yàn)，拍攝的熱像圖，該部位仍然滿足報(bào)警條件，確定該處為滲漏點(diǎn)，并記錄此時(shí)無(wú)人機(jī)的飛行參數(shù)和拍照參數(shù)，且通過(guò)低溫/高溫區(qū)域面積積分模塊辨識(shí)出低溫區(qū)域S1，并計(jì)算出低溫區(qū)域面積A1。復(fù)飛結(jié)束后4 h，重新測(cè)量氣溫t1=26 ℃，重新確定陽(yáng)光照射狀態(tài)仍為陰天，重新計(jì)算Δt=5.5 ℃。然后根據(jù)復(fù)飛時(shí)記錄的滲漏點(diǎn)位置的飛行參數(shù)和拍照參數(shù)，控制無(wú)人機(jī)再次復(fù)飛到滲漏點(diǎn)，懸停拍照，然后通過(guò)低溫/高溫區(qū)域面積積分模塊辨識(shí)出低溫區(qū)域S2，并計(jì)算出低溫區(qū)域面積A2。

3.2.2 檢測(cè)結(jié)果及分析

紅外熱成像檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，圖中藍(lán)色部分為低溫區(qū)域，即此次檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的滲漏區(qū)域。滲漏檢測(cè)參數(shù)如表3所示。

通過(guò)比較復(fù)飛時(shí)的滲漏面積A1和再次復(fù)飛時(shí)的滲漏面積A2，計(jì)算得A1/A2=1.18>1，該處沒(méi)有明顯積水，判斷該處為滲漏點(diǎn)，且屬于早期穩(wěn)定滲漏。下一步需通知有關(guān)人員對(duì)此滲漏點(diǎn)進(jìn)行修補(bǔ)。

圖6 某小型水庫(kù)壩體紅外熱成像檢測(cè)結(jié)果

表3 某小型水庫(kù)壩體檢測(cè)數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)人機(jī)和紅外熱成像技術(shù)的小型水庫(kù)壩體早期非穩(wěn)定滲漏檢測(cè)系統(tǒng)，闡述了該系統(tǒng)的應(yīng)用方法。該系統(tǒng)以無(wú)人機(jī)、紅外熱像儀和地面遙控臺(tái)相結(jié)合的方式構(gòu)建硬件系統(tǒng)，并在地面遙控臺(tái)中設(shè)計(jì)了以溫度報(bào)警模塊和低溫/高溫區(qū)域面積積分模塊為主的軟件系統(tǒng)。

(1) 采用無(wú)人機(jī)搭載紅外熱像儀，并且設(shè)置自動(dòng)報(bào)警模塊，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離、大視野、快速、機(jī)動(dòng)地巡檢小型水庫(kù)壩體，同人工徒步巡檢相比，效率提高了5倍以上，尤其適用于量大面廣的小型水庫(kù)壩體滲漏檢查；以庫(kù)水溫度與氣溫的差值作為滲漏判別條件的主要參量，并且考慮了日照和植被的影響，抓住了壩體滲漏的本質(zhì)特點(diǎn)。

(2) 通過(guò)記錄疑似滲漏點(diǎn)的飛行參數(shù)，自動(dòng)復(fù)飛，抵近拍照，再次核驗(yàn)報(bào)警條件，進(jìn)一步提高了滲漏點(diǎn)辨識(shí)的可靠性；通過(guò)自動(dòng)辨識(shí)低溫/高溫區(qū)域，計(jì)算低溫/高溫區(qū)域面積，明確了滲漏影響范圍，為評(píng)估壩體安全狀況提供了重要依據(jù)；通過(guò)間隔合適的時(shí)間復(fù)飛，再次拍攝滲漏部位溫度場(chǎng)，計(jì)算并比較低溫/高溫區(qū)域面積的變化，判定滲漏部位是否為早期非穩(wěn)定滲漏。該檢測(cè)系統(tǒng)和應(yīng)用方法為高效率地發(fā)現(xiàn)小型水庫(kù)壩體早期非穩(wěn)定滲漏提供了手段。