Úvod
Použití senzorů termální infračervené (TIR) snímkování zaznamenalo v posledních desetiletích dramatický růst a řeší mnoho aplikací pro uživatele mapování a GIS.
Cílem tohoto blogu je představit některé z mnoha případů použití a poskytnout doporučení pro uživatele ArcGIS, jak využít tyto senzory. Zahrnuté příklady se zaměří na snímky pořízené z leteckého dronu následované fotogrammetrickým zpracováním k vytvoření True Ortho kompozitního obrazu, ale použití dronu a zpracování po letu není vždy nutné - některé velmi silné aplikace lze také řešit pomocí jednotlivých snímků nebo videa (leteckého nebo pozemního), a pro rozsáhlé studie oblastí mohou být nejvhodnější satelitní senzory.
Upozorňujeme, že zde používáme zkratku „TIR“ k označení termální infračervené oblasti elektromagnetického spektra. Tento blog neřeší vlastnosti blízké infračervené („NIR“) nebo krátkovlnné infračervené („SWIR“) energie či senzorů.
Případy použití
Některé z mnoha aplikací TIR snímkování v rámci ArcGIS zahrnují:
1. Monitorování úniku energie z budov
Tato aplikace rychle roste, protože poskytuje nízkonákladovou analytickou metodu pro zařízení ke snížení provozních nákladů i dopadu na životní prostředí. Termální infračervené snímky jsou obvykle pořizovány dronem pro zobrazení střech budov podrobovaných studii a oblasti, které ztrácejí energii, lze snadno pozorovat jako teplejší nebo chladnější než jejich okolí. To znamená, že pokud je venkovní počasí teplé a budova má klimatizaci, úniky energie se projeví jako chladné oblasti. Pokud budova během zimy ztrácí vnitřní teplo, mohou být viditelné relativně teplé oblasti. Oblasti budovy, které jsou výrazně chladnější nebo teplejší než jejich okolí, pomáhají správcům budov upřednostnit zlepšení ventilačních systémů a také lokalizovat a opravit místa nedostatečné izolace budovy.
Příklady lze nalézt v této publikaci od ACCESSiFLY. Ukázkový obrázek (ukazující falešné barvy aplikované na jednopásmový TIR obraz) je zde uveden s vyznačenými teplými oblastmi kolem střešních větráků.
2. Detekce potenciálních problémů údržby v elektrickém/mechanickém zařízení
Další aplikací, kde může TIR snímkování přinést hodnotu, je identifikace zařízení, které se zdá přehřívat, což naznačuje možné fyzické opotřebení nebo selhávající elektroniku. To platí pro různé typy zařízení, včetně, ale nejen fotovoltaických solárních polí, elektrických transformátorů, průmyslových motorů a dalších.
Ukázkový obrázek je uveden níže, laskavě poskytnutý Rocky Mountain Unmanned Systems. Na tomto obrázku je jedna část fotovoltaického (PV) pole výrazně jasnější (teplejší) než sousední panely v instalaci, což naznačuje možnou závadu buď v poli nebo jeho řídicí elektronice. Rychlou údržbou může provozovatel snížit ztrátu produktivity a možná předejít vážnějšímu selhání v budoucnu.
3. Detekce úniků v potrubích
Termální infračervené snímkování se také používá k monitorování tlakových potrubí za účelem detekce úniků. Únik lze někdy pozorovat jako oblast na nebo poblíž potrubí s teplotní anomálií – teplejší nebo chladnější než okolní oblast. Pokud uniká kapalina jako voda, může ochlazovat místní vegetaci/půdu vzhledem k okolní teplotě prostředí. V případě jiných potrubí, například zemního plynu, může únik vést ke ztrátě tlaku a důkazy o unikajícím plynu lze někdy pozorovat jako studený pruh (ačkoli existují jiné senzory lépe vhodné k detekci hořlavého plynu).
Na ukázkových obrázcích níže (laskavě poskytnutých EagleHawk) jasně vidíme trasu podzemního parovodu (1 na prvním obrázku, TIR), s důkazem úniku kondenzátu (2) vstupujícího do dešťové kanalizace. V horní střední části (3) vidíme teplý vodní kondenzát tekoucí do blízkého rokle. Druhý obrázek poskytuje pohled v přirozených barvách na stejné místo. Na základě těchto snímků byl únik rychle lokalizován a opraven.
4. Další případy použití
Výše uvedené případy použití jsou jen ukázkou mnohem širší škály aplikací termálního infračerveného snímkování. Existuje jich mnoho dalších – například:
- Senzory TIR se používají na dronech i pilotovaných letadlech k hledání ztracených turistů nebo provádění průzkumů volně žijících živočichů.
- V orgánech činných v trestním řízení lze detekovat reziduální teplo a použít jej jako forenzní důkaz ukazující místo, kde bylo vozidlo zaparkováno a poté opustilo místo před pořízením snímku – buď tam, kde teplo z provozujícího vozidla ohřálo povrch vozovky, nebo alternativně tam, kde stín zaparkovaného vozidla zanechal důkaz jako chladnější oblast tím, že snížil solární ohřev povrchu.
- Environmentální studie zaměřené na vodní biotopy, kde jsou vyžadovány úzké teplotní rozsahy pro úspěšné tření ryb, mohou pokrýt relativně velké oblasti termálním infračerveným snímkováním jako doplněk in situ odběrům vzorků teploty.
Interpretace / Analýza
Pro většinu výše uvedených příkladů mohou uživatelé detekovat tepelné anomálie jednoduchým vizuálním hodnocením zájmové oblasti za účelem identifikace oblastí, které se jeví jako teplejší (nebo chladnější) než vše okolo. Výsledkem je možnost získat užitečné informace pomocí relativních (kvalitativních) pozorování bez provádění absolutních (kvantitativních) měření přesných teplot. Výjimkou v těchto příkladech je aplikace jako monitorování teplot vody v rybích třecích ložiscích, kde může úspěch tření záviset na teplotách vody v relativně úzkém rozsahu teplot.
V případech použití vyžadujících absolutní a přesná měření teplot budou uživatelé muset zvážit
- radiometrickou kalibraci svého senzorového systému, a
- vlastnosti pozorovaných materiálů, zejména kovových povrchů, které často vykazují odrazy TIR energie pocházející z jiného zdroje – např. oblohy (která bude typicky velmi studená) nebo slunce.
Vlastnosti povrchu a emisivita
Přesné dálkové měření teploty objektu je náročné.
Snímky pořízené termálními infračervenými senzory jsou úměrné přijmuté energii a tato měření energie se pak používají k určení zdánlivé teploty povrchů ve výhledu. Někteří výrobci senzorů poskytují informace umožňující převod TIR obrazů na energetické jednotky a poté z energie na povrchovou teplotu.
Důležitým faktorem je vlastnost povrchu označovaná jako Emisivita (označovaná b5). Různé povrchové materiály vyzařují tepelnou energii různou rychlostí. Rozdíl ve vyzařované energii dvou povrchů při stejné teplotě charakterizuje jejich emisivita v rozmezí od 0.0 do 1.0. Zdánlivá teplota povrchu je obvykle nižší než skutečná teplota, za předpokladu, že emisivita povrchu je menší než 1,0. <\/P>
Dálkové měření teploty může být zavádějící u povrchů s nízkou b5<\/STRONG>, jako je většina kovů, protože vyzařují velmi málo energie a také mohou odrážet<\/U> TIR energii přicházející z jiného zdroje (např. obloha, která se bude jevit jako velmi studená, nebo samostatný zdroj tepla). <\/P>Podrobnější diskuse na toto téma přesahuje rámec tohoto blogového příspěvku, ale je důležité pochopit, že výpočet nejpřesnější teploty jakéhokoli povrchu 013 betonu, vody, trávy, kovu atd. 013 by vyžadoval znalost emisivity toho povrchu i možnost pozorování odražených zdrojů tepla. <\/P>Tabulku hodnot emisivity lze nalézt ZDE<\/A>. Všimněte si, že protože většina přírodních povrchů má hodnotu emisivity 0,9 nebo vyšší, v mnoha výše popsaných aplikacích nemusí být korekce emisivity nutná.<\/P> <\/P>
Praktická aplikace<\/H2>V praxi by měl uživatel zvážit, zda jsou pro jeho případ použití vyžadována absolutní měření teploty. Protože mnoho aplikací nevyžaduje absolutní teploty, je rozumné vizuálně identifikovat tepelné anomálie a tím získat významnou hodnotu z TIR snímků bez nutnosti kalibrace na teplotní jednotky. <\/P>Pro TIR senzory nesené dronem musí uživatelé, kteří chtějí vytvořit produkt True Ortho dat, zachytit více snímků (s doporučeným překrytím 90 % kvůli nízkému rozlišení obrazu) a poté spustit fotogrammetrické zpracování k vytvoření ortomozaiky pro vizuální interpretaci. <\/LI>Pro satelitní senzory často pokryje jeden snímek celou oblast zájmu.<\/LI><\/UL>
Pokud jsou vyžadována absolutní měření teploty, podpora v softwaru Esri bude záviset na senzoru.<\/P>Může být vyžadován další software od výrobce senzoru pro provedení konverze. Odkazujte se na dokumentaci nápovědy ArcGIS pro váš software a senzor. Výrobce senzoru může mít také samostatné nástroje pro aplikaci kalibrace teploty.<\/LI>Pro satelitní senzory musí být definován správný Raster Type<\/EM><\/STRONG>, poté lze na TIR pásma aplikovat zpracovatelské šablony k převodu hodnot pixelů na stupně Celsia nebo Fahrenheita<\/LI><\/UL> <\/P> <\/P>
