基于紅外熱成像技術(shù)的建筑物表面裂縫探測(cè)

陳依國(guó)

(浙江外國(guó)語(yǔ)學(xué)院科技學(xué)院，杭州 310012)

0 引言

裂縫是建筑物表面普遍存在的一種現(xiàn)象，它不僅降低了建筑物的抗?jié)B能力，而且會(huì)引起鋼筋銹蝕，混凝土炭化，降低材料的耐久性，影響建筑物的承載能力［1－2］。為了保證建筑物的安全穩(wěn)定，對(duì)表面裂縫進(jìn)行探測(cè)是十分必要的。對(duì)一些大型建筑物，如橋梁、大壩等裂縫的探測(cè)，一般采用專(zhuān)門(mén)的探測(cè)儀器進(jìn)行探測(cè);而對(duì)于民用建筑物裂縫的探測(cè)，目前缺乏系統(tǒng)有效的方法，大多依靠人工觀察，即通過(guò)墻面滲水情況來(lái)推斷，查找墻面條狀、網(wǎng)狀的裂縫。但這種方法效率低、缺乏時(shí)效性，在實(shí)際應(yīng)用中有很大的局限性，且對(duì)于存在于裝修涂層之下的裂縫，無(wú)法直接觀察。為了保障建筑物的安全，應(yīng)尋求更便捷有效的裂縫探測(cè)方法。本文設(shè)計(jì)了一種通過(guò)測(cè)量建筑物表面溫度探測(cè)裂縫的方法，即利用紅外熱成像技術(shù)探測(cè)建筑物表面裂縫，并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 紅外探測(cè)原理及方法

1．1 紅外探測(cè)原理

任何物體，只要其溫度高于絕對(duì)零度，都在以電磁波的形式向外輻射能量。其輻射能包括各種波長(zhǎng)的輻射能，但以紅外光(0．76～1 000μm)輻射能最強(qiáng)，具有很強(qiáng)的溫度效應(yīng)［3］。由于物體各部位溫度和輻射率的不同，其紅外輻射特征也不同。本文的紅外探測(cè)技術(shù)是指利用紅外熱像儀測(cè)量目標(biāo)與背景之間的紅外輻射差異所形成的熱點(diǎn)或圖像來(lái)獲取目標(biāo)和背景信息的［4］。熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)，如圖1所示，熱圖像上不同顏色代表了被測(cè)物體的不同溫度。

圖1 紅外熱像儀與熱像圖Fig．1 Infrared camera and thermal image

1．2 裂縫探測(cè)原理

建筑物表面一定范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)基本相同，因此其墻面一定范圍內(nèi)的物質(zhì)比熱容相近。若建筑物墻體不存在裂縫、空洞，其墻面溫度分布應(yīng)是均勻的;若墻體有裂縫、空洞存在，則裂縫區(qū)域溫度會(huì)有所變化，而且如果裂縫區(qū)域有滲水，因?yàn)樗谋葻崛菖c固體差別較大，其裂縫附近溫度差異更為明顯。另外，溫度不同的物體輻射率不同，紅外影像就有差別。因此，通過(guò)紅外熱成像儀得到的熱像圖可以獲取該區(qū)域各點(diǎn)的溫度信息［4］。受過(guò)雨水沖洗的建筑物，當(dāng)其表面風(fēng)干后，裂縫部位會(huì)產(chǎn)生滲水現(xiàn)象，此時(shí)裂縫部位的溫度將明顯區(qū)別于周?chē)渌胤?。?jù)此，通過(guò)分析紅外影像可以初步判定存在裂縫的區(qū)域以及裂縫的大小。

從以上分析可知，要使建筑物裂縫區(qū)域溫度有別于其他部分，往往需要以水作為介質(zhì)。因此，紅外影像的拍攝通常在雨后1～2 d進(jìn)行;或者人工向墻面灑水，待表面水風(fēng)干后再進(jìn)行拍攝。另外，熱像圖的采集一般應(yīng)選擇在白天且建筑物表面光照均勻時(shí)進(jìn)行，以便于后續(xù)影像分析。

1．3 熱像圖處理方法

為了準(zhǔn)確定位裂縫區(qū)域，需要對(duì)熱像圖進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?。通過(guò)查閱相關(guān)圖像處理技術(shù)［5］，結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果分析，以室內(nèi)墻面某明顯裂縫的紅外熱像圖為例，在Matlab平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)如下2種信息提取方法。

1．3．1 二值化方法

該方法通過(guò)二值化圖像，結(jié)合人工干預(yù)，篩選出目標(biāo)區(qū)域。具體步驟如下:

1)導(dǎo)入紅外熱像圖，利用Matlab中rgb2gray函數(shù)［6］，進(jìn)行灰度化處理;

2)對(duì)灰度化的圖像平滑去噪，Matlab中的去噪方法有中值濾波、鄰域?yàn)V波、維納濾波及高斯濾波等，可根據(jù)處理效果選擇適當(dāng)?shù)娜ピ敕椒?

3)人工指定裂縫處一點(diǎn)，提取其灰度值作為閾值(也可指定多處，將各處灰度取均值作為閾值)，將圖像二值化(白色和黑色)。處理結(jié)果如圖2所示。

圖2 熱像圖二值化處理Fig．2 Thermal image binarization processing

1．3．2 RGB 調(diào)節(jié)方法

在RGB色彩模式［5］下對(duì)紅外熱像圖進(jìn)行3種色彩元素調(diào)節(jié)，直至突顯目標(biāo)區(qū)域、便于人工篩選出裂縫為止。

1)利用自編制的RGB三色元素調(diào)節(jié)程序［6］，導(dǎo)入紅外熱像圖;

2)分別調(diào)節(jié)R，G，B元素，調(diào)整算法為以原圖各像素點(diǎn)R，G，B數(shù)值(0～256)為基準(zhǔn)，按比例調(diào)整R，G，B元素，最小值調(diào)至零，最大值調(diào)至基準(zhǔn)值的2倍。程序提供了直接數(shù)值輸入調(diào)整和滑動(dòng)條調(diào)整2種方式。處理結(jié)果如圖3所示。

圖3 熱像圖RGB調(diào)節(jié)處理Fig．3 Thermal image RGB adjustment processing

2種熱像圖處理方法各有優(yōu)劣，第一種方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、效果明顯，但需要人工指定裂縫處一點(diǎn)進(jìn)行干預(yù);第二種方法實(shí)現(xiàn)略復(fù)雜但自動(dòng)化程度高。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選用恰當(dāng)?shù)姆椒ā?/p>

2 實(shí)例分析

2．1 裂縫探測(cè)實(shí)驗(yàn)

以杭州市某小區(qū)新建住宅樓中的一幢為探測(cè)對(duì)象。據(jù)了解，該住宅部分樓層內(nèi)墻面在雨后有大面積滲水，而在其墻壁表面并無(wú)可見(jiàn)裂縫，故判斷其存有隱藏在墻外涂層之下的裂縫。在疑似裂縫的墻面打一小孔，確認(rèn)了里面為斷裂空腔結(jié)構(gòu)。在距離該建筑物約100 m處的樓上，用紅外熱像儀對(duì)外墻面進(jìn)行拍攝。拍攝儀器采用高德IR928+型便攜式紅外熱成像儀。拍攝時(shí)為晴天，且為雨后第2天。拍攝的可見(jiàn)光照片和紅外熱像圖如圖4所示。

圖4 可見(jiàn)光照片(左)與熱像圖(右)Fig．4 Visible photo(left)and thermal image(right)

對(duì)外業(yè)采集的熱像圖分別使用Matlab和儀器附 帶的軟件進(jìn)行相關(guān)處理，增強(qiáng)裂縫顯示效果(圖5)。

圖5 效果增強(qiáng)處理Fig．5 Enhancement processing

2．2 處理結(jié)果分析

1)如圖4所示，在可見(jiàn)光照片上，因住宅樓表面已鋪蓋瓷磚，未見(jiàn)明顯裂縫;但在熱像圖上，裂縫隱約可見(jiàn)，表現(xiàn)為在部分樓層墻面局部范圍內(nèi)溫度有較明顯變化(顏色較深處);

2)如圖5所示，左側(cè)深色區(qū)域?yàn)闇囟茸畹蛥^(qū)域，經(jīng)分析，因?yàn)闊嵯駡D是在雨后第2天拍攝的，該深色區(qū)域由于太陽(yáng)照射面積小，溫度低;右側(cè)深色區(qū)域可能有積水，因?yàn)檎舭l(fā)導(dǎo)致環(huán)境溫度降低。故此2處暫不能確定是否存在裂縫，有待進(jìn)一步探測(cè);

3)因裂縫的形成與墻面所受外力有關(guān)，會(huì)呈現(xiàn)一定延續(xù)性的分布(區(qū)別于建筑物空洞)。由圖5可見(jiàn)，圖像的中下部有明顯條狀深色區(qū)域，該處拍攝時(shí)光照均勻，處于平整的墻面中部，可初步判斷該區(qū)域存在裂縫。經(jīng)開(kāi)發(fā)商證實(shí)，該區(qū)域附近樓層存在內(nèi)墻漏水現(xiàn)象;

4)對(duì)比圖5(a)(b)可見(jiàn)，對(duì)熱像圖做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)易處理即可達(dá)到探測(cè)建筑物表面裂縫的目的。

3 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)杭州市某小區(qū)建筑物表面裂縫探測(cè)實(shí)驗(yàn)，證明了利用紅外熱成像技術(shù)進(jìn)行建筑物表面裂縫探測(cè)的可行性。需要指出的是，文中所述探測(cè)方法以水為介質(zhì)，因此，應(yīng)用于實(shí)踐時(shí)會(huì)受到一定的限制(如探測(cè)對(duì)象為禁止觸水的建筑物)。但是，就民用建筑物裂縫探測(cè)而言，該方法依然具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

2)紅外熱成像技術(shù)能夠進(jìn)行非接觸式的、高分辨率的溫度成像，彌補(bǔ)了人類(lèi)肉眼觀測(cè)的不足，能快速準(zhǔn)確定位建筑物的質(zhì)量缺陷，保證了建筑物的使用安全，具有較好的應(yīng)用前景。

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