Einführung
Der Einsatz von Thermal-Infrarot-(TIR)-Bildgebungssensoren hat in den letzten Jahrzehnten ein dramatisches Wachstum erfahren und viele Anwendungen für Nutzer von Kartierung und GIS abgedeckt.
Der Zweck dieses Blogs ist es, einige der vielen Anwendungsfälle vorzustellen und Empfehlungen für ArcGIS-Nutzer zu geben, wie sie diese Sensoren nutzen können. Die hier enthaltenen Beispiele konzentrieren sich auf Bildmaterial, das mit einer Luftdrohne aufgenommen und anschließend photogrammetrisch verarbeitet wurde, um ein True Ortho-Kompositbild zu erzeugen. Der Einsatz einer Drohne und die Nachbearbeitung sind jedoch nicht immer erforderlich – einige sehr leistungsfähige Anwendungen können auch mit Einzelbildern oder Videos (aus der Luft oder vom Boden) bearbeitet werden, und für großflächige Studien sind Satellitensensoren möglicherweise am besten geeignet.
Beachten Sie, dass wir hier das Akronym „TIR“ verwenden, um den thermischen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums zu bezeichnen. Dieser Blog behandelt nicht die Eigenschaften von nahinfraroter („NIR“) oder kurzwelliger Infrarot- („SWIR“) Energie oder Sensoren.
Anwendungsfälle
Einige der vielen Anwendungen für TIR-Bildgebung innerhalb von ArcGIS umfassen:
1. Überwachung von Energieverlusten bei Gebäuden
Diese Anwendung wächst schnell, da sie eine kostengünstige Analysemethode bietet, mit der eine Einrichtung Betriebskosten sowie Umweltauswirkungen reduzieren kann. Thermal-Infrarot-Bildmaterial wird typischerweise mit einer Drohne aufgenommen, um die Dächer der untersuchten Gebäude zu betrachten. Bereiche, die Energie verlieren, können leicht als wärmer oder kühler als ihre Umgebung erkannt werden. Das heißt, wenn das Außenwetter warm ist und das Gebäude klimatisiert ist, erscheinen Energieverluste als kühle Regionen. Wenn das Gebäude im Winter Innenwärme verliert, können relativ warme Bereiche sichtbar sein. Bereiche des Gebäudes, die deutlich kühler oder wärmer als ihre Umgebung sind, helfen Gebäudemanagern dabei, Verbesserungen an Lüftungssystemen zu priorisieren sowie Bereiche mit unzureichender Gebäudedämmung zu lokalisieren und zu reparieren.
Beispiele finden Sie in dieser Veröffentlichung von ACCESSiFLY. Ein Beispielbild (das falsche Farben auf das einzelne Band des TIR-Bildes anwendet) wird hier gezeigt und hebt warme Bereiche um Dachlüftungen hervor.
2. Erkennung potenzieller Wartungsprobleme bei elektrischen/ mechanischen Geräten
Eine weitere Anwendung, bei der TIR-Bildgebung wertvoll sein kann, ist die Identifizierung von Geräten, die überhitzen und somit auf möglichen physischen Verschleiß oder defekte Elektronik hinweisen. Dies gilt für verschiedene Gerätetypen, einschließlich aber nicht beschränkt auf photovoltaische Solaranlagen, elektrische Transformatoren, Industriemotoren und mehr.
Ein Beispielbild wird unten gezeigt, bereitgestellt von Rocky Mountain Unmanned Systems. In diesem Bild ist ein Abschnitt des photovoltaischen (PV) Arrays deutlich heller (wärmer) als die benachbarten Paneele in der Installation, was auf einen möglichen Defekt entweder im Array oder in dessen Steuerelektronik hinweist. Mit schneller Wartung kann der Betreiber Produktivitätsverluste reduzieren und möglicherweise einen schwerwiegenderen Ausfall in der Zukunft vermeiden.
3. Erkennung von Lecks in Rohrleitungen
Thermal-Infrarot-Bildgebung wird auch zur Überwachung druckbeaufschlagter Rohrleitungen eingesetzt, um Lecks zu erkennen. Ein Leck kann manchmal als Bereich auf oder nahe der Rohrleitung mit einer Temperaturabweichung – wärmer oder kühler als die umliegende Region – beobachtet werden. Wenn eine Flüssigkeit wie Wasser austritt, kann sie die lokale Vegetation/Boden relativ zur Umgebungstemperatur abkühlen. Bei anderen Rohrleitungen wie Erdgas kann ein Leck zu einem Druckverlust führen, und Hinweise auf austretendes Gas können manchmal als kalte Wolke beobachtet werden (obwohl es andere Sensoren gibt, die besser geeignet sind zur Erkennung brennbarer Gase).
In den untenstehenden Beispielbildern (bereitgestellt von EagleHawk) sehen wir deutlich den Verlauf einer unterirdischen Dampfleitung (1 im ersten Bild, TIR) mit Hinweisen auf ein Kondensatleck (2), das in einen Regenwasserkanal eindringt. Oben in der Mitte (3) sehen wir das warme Kondensatwasser in einem nahegelegenen Tal laufen. Das zweite Bild zeigt eine natürliche Farbdarstellung desselben Standorts. Basierend auf diesen Bildern wurde das Leck schnell lokalisiert und behoben.
4. Weitere Anwendungsfälle
Die oben aufgeführten Anwendungsfälle sind nur eine Auswahl aus dem viel breiteren Spektrum an Anwendungen für Thermal-Infrarot-Bildgebung. Es gibt viele weitere – zum Beispiel:
- TIR-Sensoren werden sowohl auf Drohnen als auch bemannten Flugzeugen eingesetzt, um nach vermissten Wanderern zu suchen oder Wildtierbestände zu erfassen.
- Im Bereich der Strafverfolgung kann Restwärme erkannt und als forensischer Beweis verwendet werden, um zu zeigen, wo ein Fahrzeug geparkt war und dann vor der Bildaufnahme weggefahren ist – entweder dort, wo Wärme eines laufenden Fahrzeugs den Asphalt erwärmt hat oder alternativ dort, wo der Schatten eines geparkten Fahrzeugs als kühlere Region Spuren hinterlassen hat und so die solare Erwärmung der Oberfläche reduziert wurde.
- Umweltstudien mit Fokus auf aquatische Lebensräume, in denen enge Temperaturbereiche für erfolgreiche Fischlaichzeiten erforderlich sind, können relativ große Gebiete mit Thermal-Infrarot-Bildgebung abdecken zur Ergänzung von in situ-Temperaturmessungen.
Interpretation / Analyse
Bei den meisten der oben genannten Beispiele können Nutzer thermische Anomalien durch einfache visuelle Bewertungen des Untersuchungsgebiets erkennen und Regionen identifizieren, die wärmer (oder kälter) erscheinen als alles in der Nähe. Dadurch kann der Nutzer nützliche Informationen mit relativen (qualitativen) Beobachtungen extrahieren, ohne absolute (quantitative) Messungen exakter Temperaturen durchzuführen. Die Ausnahme hiervon bei den obigen Beispielen ist eine Anwendung wie die Überwachung von Wassertemperaturen in Fischlaichgebieten, bei denen der Laicherfolg von Wassertemperaturen innerhalb eines relativ engen Temperaturbereichs abhängen kann.
In Anwendungsfällen, die absolute und genaue Temperaturmessungen erfordern, müssen Nutzer Folgendes berücksichtigen:
- radiometrische Kalibrierung ihres Sensorsystems, und
- Eigenschaften der beobachteten Materialien, insbesondere Metalloberflächen, die oft Reflexionen von TIR-Energie aus einer anderen Quelle zeigen – z. B. dem Himmel (der typischerweise sehr kalt erscheint) oder der Sonne.
Oberflächeneigenschaften und Emissivität
Genaue Ferntemperaturmessungen eines Objekts vorzunehmen ist herausfordernd.
Bilder, die von Thermal-Infrarotsensoren aufgenommen werden, sind proportional zur empfangenen Energie. Diese Energiemessungen werden dann verwendet, um die sichtbare Temperatur der sichtbaren Oberflächen zu bestimmen. Einige Sensorhersteller liefern Informationen zur Umwandlung von TIR-Bildern in Energieeinheiten und anschließend von Energie in Oberflächentemperatur.
Eine wichtige Überlegung ist die Oberflächeneigenschaft namens Emissivität (dargestellt durch b5). Verschiedene Oberflächenmaterialien emittieren thermische Energie unterschiedlich stark. Der Unterschied in der emittierten Energie zweier Oberflächen bei gleicher Temperatur wird durch ihre Emissivität charakterisiert und reicht von 0.0 bis 1.0. Die sichtbare Temperatur einer Oberfläche ist typischerweise niedriger als die tatsächliche Temperatur, vorausgesetzt, die Oberflächenemissivität ist kleiner als 1,0. <\/P>
Ferngesteuerte Temperaturmessungen können bei niedrigen b5<\/STRONG>-Oberflächen wie den meisten Metallen irreführend sein, da sie sehr wenig Energie abstrahlen und auch TIR-Energie reflektieren<\/U> können, die von einer anderen Quelle stammt (z. B. dem Himmel, der sehr kalt erscheint, oder einer separaten Wärmequelle). <\/P>Eine ausführlichere Diskussion zu diesem Thema geht über den Rahmen dieses Blogbeitrags hinaus, aber es ist wichtig zu verstehen, dass die Berechnung der genauesten Temperatur jeder Oberfläche (Beton, Wasser, Gras, Metall usw.) Kenntnisse über die Emissivität dieser Oberfläche sowie die Möglichkeit der Beobachtung reflektierter Wärmequellen erfordert. <\/P>Eine Tabelle mit Emissivitätswerten finden Sie HIER<\/A>. Beachten Sie, dass da die meisten natürlichen Oberflächen einen Emissivitätswert von 0,9 oder höher haben, in den meisten oben beschriebenen Anwendungen eine Korrektur für Emissivität möglicherweise nicht erforderlich ist.<\/P> <\/P>
Praktische Anwendung<\/H2>In der Praxis sollte der Benutzer überlegen, ob absolute Temperaturmessungen für seinen Anwendungsfall erforderlich sind. Da viele Anwendungen keine absoluten Temperaturen benötigen, ist es vernünftig, thermische Anomalien visuell zu identifizieren und somit einen erheblichen Wert aus TIR-Bildern zu ziehen, ohne eine Kalibrierung auf Temperatureinheiten vornehmen zu müssen. <\/P>Für TIR-Sensoren auf einer Drohne müssen Benutzer, die ein True Ortho-Datenprodukt erzeugen möchten, mehrere Aufnahmen machen (mit empfohlenen 90 % Überlappung aufgrund der niedrigen Bildauflösung) und dann eine photogrammetrische Verarbeitung durchführen, um ein Orthomosaik zur visuellen Interpretation zu erstellen. <\/LI>Für Satellitensensoren deckt ein einzelnes Bild oft das gesamte Interessengebiet ab.<\/LI><\/UL>
Wenn absolute Temperaturmessungen erforderlich sind, hängt die Unterstützung in Esri-Software vom Sensor ab.<\/P>Zusätzliche Software des Sensorherstellers kann erforderlich sein, um die Umrechnung durchzuführen. Siehe die ArcGIS-Hilfedokumentation für Ihre Software und Ihren Sensor. Der Sensorhersteller kann auch separate Werkzeuge zur Temperaturkalibrierung bereitstellen.<\/LI>Für Satellitensensoren muss der richtige Rastertyp<\/EM><\/STRONG> definiert werden, dann können Verarbeitungsvorlagen auf die TIR-Bänder angewendet werden, um Pixelwerte in Grad Celsius oder Fahrenheit umzuwandeln.<\/LI><\/UL> <\/P> <\/P>
