基于紅外熱像法的磚墻面風(fēng)化識別方法研究★

呂 威，王 珅，吳婧姝，朱紅光

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083； 2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

我國現(xiàn)存的歷史保護(hù)建筑多為磚木結(jié)構(gòu)，是近代民用建筑典型結(jié)構(gòu)形式[1]。由于經(jīng)年累月的風(fēng)吹日曬雨淋以及地震影響、人為作用等因素，歷史文物建筑的砌體墻表面普遍存在風(fēng)化、缺損、裂縫等缺陷。文物保護(hù)勘查和安全評估工作中常常需要對這些缺陷的范圍和程度進(jìn)行檢測和評價(jià)。

歷史文物建筑具有唯一性和不可再生性，根據(jù)文物保護(hù)的“最小干預(yù)原則”，文物建筑的安全性檢測應(yīng)盡可能采用無損或微損的檢測手段。紅外檢測技術(shù)是一種非接觸性的檢測技術(shù)，目前應(yīng)用范圍較廣，但在歷史文物建筑勘查和安全評估中的應(yīng)用場景尚不明確。國內(nèi)外對紅外檢測技術(shù)在歷史建筑缺陷檢測方面的研究已有不少[2-7]。Y.Yamano等探索了紅外熱成像技術(shù)在崖壁時(shí)刻文物檢測應(yīng)用的可行性，并利用紅外熱像儀對崖壁片落病害進(jìn)行了檢測。2010年，吳育華等利用紅外熱像儀對廣西花山巖畫的病害進(jìn)行了檢測[8]。2016年，劉一等提出了一種基于紅外圖像的建筑物外墻裂縫檢測方法[9]，該方法可以對此缺陷進(jìn)行定量分析?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)沒有對歷史建筑的磚砌墻體風(fēng)化在紅外檢測中的溫度分布規(guī)律和變化特征方面進(jìn)行研究，且對墻體缺損的程度在紅外角度的體現(xiàn)沒有細(xì)致的研究。

基于紅外檢測技術(shù)的非接觸性和易操作性，將其應(yīng)用于勘查和評判歷史文物建筑磚砌墻體的風(fēng)化范圍和程度，對各類缺陷進(jìn)行有效識別具有巨大的技術(shù)前景。因此開展對歷史文物建筑磚砌墻體在紅外條件下的表面溫度分布特征這類基礎(chǔ)性研究是十分有必要的。本文對實(shí)際現(xiàn)場試驗(yàn)案例的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究缺陷部位墻面在紅外條件下的溫度分布特征，提出一種墻面風(fēng)化表面的識別方法，為紅外檢測技術(shù)在歷史文物建筑缺陷勘查和評估的后續(xù)研究、設(shè)備研發(fā)和實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 紅外熱像法識別風(fēng)化缺陷的原理

1.1 紅外熱成像的基本原理

任何高于絕對零度(-273 ℃)的物體都會發(fā)出熱輻射，當(dāng)溫度較低時(shí)，熱輻射以不可見的紅外光形式進(jìn)行傳播，借助紅外熱像儀進(jìn)行探測后，可將電磁波信號轉(zhuǎn)換為電信號，并以紅外熱像圖的形式將物體表面的溫度分布情況呈現(xiàn)出來[10]。

被檢測物表面受到熱輻射作用后，溫度升高。在材料均勻的區(qū)域，材料的熱學(xué)特性相近，溫度升高的值大致相等；當(dāng)物體表面發(fā)生了一系列的物理、化學(xué)變化，導(dǎo)致該區(qū)域的材料發(fā)生劣化，材料均勻度下降，導(dǎo)熱系數(shù)、密度、平均比熱容發(fā)生變化，在相同強(qiáng)度的外部激勵熱源的作用下，物體表面溫度變化也呈現(xiàn)出不均勻性。

1.2 墻體表面風(fēng)化部位的傳熱原理

熱傳導(dǎo)過程是一個(gè)復(fù)雜的過程，由于組成材料復(fù)雜、傳導(dǎo)過程非穩(wěn)態(tài)、工況復(fù)雜，熱傳導(dǎo)方程的求解變得極其繁雜。王永茂等[11]對實(shí)際問題進(jìn)行了簡化，將三維傳熱問題簡化為一維勻質(zhì)平板的熱傳導(dǎo)，得出了平面表面溫度隨時(shí)間變化的解析式，該式表明同一平面在太陽輻射的作用下，溫差來源于平面不同部分的材料導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)的不同。

磚墻的風(fēng)化往往會使得墻磚表面出現(xiàn)酥化現(xiàn)象，表面結(jié)構(gòu)疏松多孔。在這樣的表層結(jié)構(gòu)中存在大量的空氣，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)及密度極低，因此使得風(fēng)化表面的平均導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散率及比熱容低于正常表面，在同樣的熱荷載作用下，風(fēng)化表面的溫度理論上更高。利用紅外熱像法對風(fēng)化區(qū)域進(jìn)行識別具有可行性。

2 風(fēng)化磚墻的溫度分布特征研究

2.1 實(shí)驗(yàn)對象及方法

北大人民醫(yī)院白塔寺院區(qū)的前身是北京中央醫(yī)院，始建于1918年，位于西城區(qū)阜成門內(nèi)大街133號，現(xiàn)為北京市西城區(qū)文物保護(hù)單位。該建筑的結(jié)構(gòu)形式為磚混結(jié)構(gòu)，磚墻承重，磚墻由青磚+白灰砂漿砌筑。本次選取的試驗(yàn)對象為該院主樓西側(cè)外墻，外墻表面有抹灰，墻面局部抹灰脫落，抹灰脫落處外露青磚表面存在不同程度的風(fēng)化、粉化現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在歷史文物建筑中普遍存在。如圖1所示為墻面現(xiàn)狀。

實(shí)驗(yàn)時(shí)天氣晴朗，太陽輻射強(qiáng)度較大，墻面受熱充分。在距離目標(biāo)區(qū)域5 m距離架設(shè)紅外熱像儀，對墻面進(jìn)行精確對焦、調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)臏y溫范圍后進(jìn)行拍攝，同時(shí)記錄環(huán)境濕度、溫度。

測試儀器為InfReC R550，紅外波長范圍8 μm～14 μm；測量溫度范圍：-40 ℃～650 ℃；溫度分辨率：0.025 ℃；測量精度：±1 ℃；分辨率：640×480像素。該設(shè)備符合JGJ/T 277—2012紅外熱像法檢測建筑外墻飾面粘結(jié)質(zhì)量技術(shù)規(guī)程[12]規(guī)定的建筑用紅外熱像儀技術(shù)參數(shù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 風(fēng)化區(qū)域與完好區(qū)域紅外熱像對比

經(jīng)現(xiàn)場檢查，實(shí)驗(yàn)墻面包括抹面完好區(qū)域、抹面脫落外露磚墻風(fēng)化區(qū)域，且外露區(qū)域的風(fēng)化程度不盡相同。如圖2，圖3所示為含風(fēng)化墻面的紅外熱像圖與可見光圖的對照。

通過紅外熱像圖與可見光圖的對照，磚墻外露區(qū)域和抹灰起皮疏松區(qū)域處于高溫狀態(tài)，而抹灰完好處始終處于低溫狀態(tài),初步確定風(fēng)化墻面的溫度分布特征，初步判定風(fēng)化區(qū)域處于高溫區(qū)，正常墻面處于低溫區(qū)。

將所得紅外熱像數(shù)據(jù)用NS9500 Standard軟件進(jìn)行后處理，選取圖2和圖3中的典型區(qū)域進(jìn)行溫度提取，取墻體中含風(fēng)化表面的局部區(qū)域若干，提取出該區(qū)域內(nèi)的各項(xiàng)溫度信息,各項(xiàng)信息如表1所示。

表1 典型區(qū)域的溫度信息

在墻體上從上到下等距取8個(gè)抹面完好的區(qū)域面積，提取相應(yīng)的溫度信息作為對比，如表2所示。

表2 正常區(qū)域的溫度信息

表1，表2中的數(shù)據(jù)表明，含風(fēng)化表面的區(qū)域最高溫度范圍為35.58 ℃～37.40 ℃，平均溫度的范圍為32.63 ℃～34.52 ℃；正常區(qū)域最高溫度范圍33.72 ℃～34.72 ℃，平均溫度的范圍為31.91 ℃～33.10 ℃，由此可以看出，風(fēng)化表面的存在普遍提高了局部區(qū)域的溫度，與理論分析的結(jié)果一致。

2.2.2 風(fēng)化缺陷識別的溫度閾值

在后處理軟件中，將紅外熱像圖和可見光圖進(jìn)行配準(zhǔn)后，我們用多邊形工具選取實(shí)際的風(fēng)化表面，軟件可以計(jì)算出所選范圍的像素?cái)?shù)，然后調(diào)節(jié)透明度和顯示溫度的最低閾值，當(dāng)風(fēng)化表面基本被彩色覆蓋時(shí)，以該最低溫度閾值作為風(fēng)化識別的最佳識別溫度。如圖4所示為風(fēng)化表面選區(qū)及調(diào)整溫度閾值后的對比圖。

按照這一判定方法，我們對上述8個(gè)含風(fēng)化表面的區(qū)域進(jìn)行最佳識別溫度的選取，選取結(jié)果如表3所示。

表3 風(fēng)化選區(qū)最佳識別溫度及識別率

表3中數(shù)據(jù)顯示，本文提到的利用最佳識別溫度作為風(fēng)化區(qū)域的識別溫度閾值的識別率大多數(shù)在90%以上，識別效果良好。

2.3 溫度閾值的計(jì)算方法

從紅外熱像圖中我們可以很容易地獲得目標(biāo)區(qū)域的溫度最值、平均值，可以通過現(xiàn)有的數(shù)據(jù)獲取風(fēng)化表面識別的最佳溫度閾值。從2.2節(jié)我們已經(jīng)知道，同一區(qū)域內(nèi)，風(fēng)化表面的溫度高于正常表面，風(fēng)化表面在區(qū)域內(nèi)的占比、風(fēng)化程度會影響區(qū)域的溫度最值、平均值；同時(shí)，風(fēng)化表面的不同同樣影響溫度閾值的選擇。因此我們認(rèn)為溫度閾值的選擇與區(qū)域的溫度最值、平均值有一定的聯(lián)系。下面利用Origin數(shù)據(jù)分析軟件對溫度閾值與最值、平均值進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。適用于Pearson相關(guān)性分析的數(shù)據(jù)需服從于正態(tài)分布，各項(xiàng)數(shù)據(jù)在顯著性為5%水平下的正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 溫度數(shù)據(jù)正態(tài)性檢驗(yàn)

通過正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果可知，各項(xiàng)數(shù)據(jù)在顯著性水平為5%時(shí)是服從于正態(tài)分布的，因此可對其進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，顯著性水平為5%。分析結(jié)果如表5所示。

表5 Pearson相關(guān)性分析結(jié)果

根據(jù)分析結(jié)果可以看出，在顯著性5%水平下，溫度閾值與區(qū)域的平均溫度呈強(qiáng)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.911。因此，利用區(qū)域的平均溫度求得溫度閾值具有可行性。

我們以平均溫度為自變量、溫度閾值為因變量分別進(jìn)行線性擬合和二次多項(xiàng)式擬合，擬合結(jié)果如圖5所示。

從擬合優(yōu)度來看，二次多項(xiàng)式擬合的效果更佳。由擬合曲線得出的平均溫度與溫度閾值之間的關(guān)系為：

在選取含風(fēng)化表面的區(qū)域后，可以利用該公式計(jì)算區(qū)域內(nèi)風(fēng)化的面積及所占比例，為墻面的風(fēng)化程度評判提供數(shù)據(jù)支撐。

3 風(fēng)化表面的識別與評估

在2.3節(jié)中，我們得出了識別含風(fēng)化表面區(qū)域內(nèi)風(fēng)化缺陷的溫度閾值計(jì)算公式。給定一個(gè)溫度矩陣，計(jì)算出區(qū)域的平均溫度。將平均溫度代入溫度閾值計(jì)算公式得到給定區(qū)域的閾值，利用閾值分割法進(jìn)行圖像分割：

進(jìn)行閾值分割后的二值圖像中，白色區(qū)域表示風(fēng)化表面，黑色區(qū)域?yàn)榉秋L(fēng)化表面。

下面利用本文方法對墻面的風(fēng)化區(qū)進(jìn)行識別。在實(shí)驗(yàn)墻面選取10個(gè)隨機(jī)大小的含風(fēng)化表面的區(qū)域，根據(jù)可見光圖統(tǒng)計(jì)各區(qū)域內(nèi)實(shí)際風(fēng)化表面的大小，并計(jì)算風(fēng)化面積的占比，然后利用基于本文閾值計(jì)算的圖像分割方法，得到風(fēng)化表面的識別圖像，同時(shí)計(jì)算識別的風(fēng)化表面面積及占比，并得出識別準(zhǔn)確率。

如圖6，圖7所示為墻面選區(qū)及其風(fēng)化表面圖像分割結(jié)果。

通過上面的二值圖像，我們很容易觀察出風(fēng)化面積的大小和邊界。除此之外，利用圖像分割后的數(shù)據(jù)可以對風(fēng)化面積進(jìn)行定量分析，如表6所示為實(shí)際風(fēng)化面積與通過計(jì)算溫度閾值識別出的風(fēng)化面積，并得出本文方法的識別準(zhǔn)確率。

表6 識別準(zhǔn)確性驗(yàn)證

根據(jù)識別結(jié)果可知，利用本文方法識別風(fēng)化表面面積的準(zhǔn)確率在90%以上，識別效果良好。

4 結(jié)論

本文通過理論分析和現(xiàn)場試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

1)在同樣的太陽輻射條件下，風(fēng)化磚表面酥化，結(jié)構(gòu)疏松多孔，磚體的導(dǎo)熱性能和比熱容顯著降低，因此風(fēng)化磚表面與正常區(qū)域存在較大的溫差，利用紅外熱像法對風(fēng)化區(qū)域進(jìn)行識別具有可行性。

2)利用現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析含風(fēng)化表面的區(qū)域溫度分布特征與最佳識別溫度之間的規(guī)律，提出根據(jù)區(qū)域的平均溫度推算識別風(fēng)化表面溫度閾值的經(jīng)驗(yàn)公式：

3)對比一定區(qū)域內(nèi)實(shí)際的風(fēng)化面積與識別的風(fēng)化面積，驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得溫度閾值對風(fēng)化表面識別的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，根據(jù)本文方法識別風(fēng)化表面的準(zhǔn)確率在90%以上，有良好的識別效果。