Introdução
O uso de sensores de imagens térmicas infravermelhas (TIR) teve um crescimento dramático nas últimas décadas, atendendo a muitas aplicações para usuários de mapeamento e GIS.
O objetivo deste blog é apresentar alguns dos muitos casos de uso e fornecer recomendações para que os usuários do ArcGIS aproveitem esses sensores. Os exemplos incluídos aqui se concentrarão em imagens capturadas por um drone aéreo seguidas de processamento fotogramétrico para gerar uma imagem composta True Ortho, mas o uso de um drone e o processamento pós-voo nem sempre são necessários - algumas aplicações muito poderosas também podem ser abordadas com imagens ou vídeos únicos (aéreos ou terrestres), e para estudos de grandes áreas, sensores de satélite podem ser mais apropriados.
Observe que estamos usando a sigla "TIR" aqui para nos referirmos à região infravermelha térmica do espectro eletromagnético. Este blog não aborda propriedades da energia ou sensores do infravermelho próximo ("NIR") ou do infravermelho de onda curta ("SWIR").
Casos de Uso
Algumas das muitas aplicações para imagens TIR dentro do ArcGIS incluem:
1. Monitoramento da perda de energia em edifícios
Esta aplicação está crescendo rapidamente, pois fornece um método analítico de baixo custo para uma instalação reduzir custos operacionais, bem como o impacto ambiental. Imagens térmicas infravermelhas são tipicamente capturadas por um drone para visualizar os telhados dos edifícios em estudo, e áreas que estão perdendo energia podem ser facilmente observadas como mais quentes ou mais frias que seus arredores. Ou seja, se o tempo externo estiver quente e o edifício tiver ar condicionado, vazamentos de energia aparecerão como regiões frias. Se o edifício estiver perdendo calor interno durante o inverno, áreas relativamente quentes podem ser visíveis. Áreas do edifício que estão visivelmente mais frias ou mais quentes que seus arredores ajudam os gerentes a priorizar melhorias nos sistemas de ventilação, bem como localizar e reparar áreas com isolamento insuficiente.
Exemplos podem ser encontrados nesta publicação da ACCESSiFLY. Uma imagem exemplo (mostrando cores falsas aplicadas à imagem TIR de banda única) é mostrada aqui, destacando regiões quentes ao redor das aberturas do telhado.
2. Detectar problemas potenciais de manutenção em equipamentos elétricos/mecânicos
Outra aplicação onde as imagens TIR podem fornecer valor é identificando equipamentos que parecem estar superaquecendo, indicando possível desgaste físico ou falha eletrônica. Isso é aplicável para vários tipos de equipamentos, incluindo, mas não limitado a, painéis solares fotovoltaicos, transformadores elétricos, motores industriais e mais.
Uma imagem exemplo é mostrada abaixo, fornecida cortesia da Rocky Mountain Unmanned Systems. Nesta imagem, uma seção do conjunto fotovoltaico (PV) está visivelmente mais brilhante (mais quente) que os painéis vizinhos na instalação, indicando um possível defeito no conjunto ou em sua eletrônica de controle. Com manutenção rápida, o operador pode reduzir a perda de produtividade e possivelmente evitar uma falha mais séria no futuro.
3. Detectar vazamentos em oleodutos
Imagens térmicas infravermelhas também são aplicadas ao monitoramento de oleodutos pressurizados para detectar vazamentos. Um vazamento pode às vezes ser observado como uma área sobre ou próxima ao oleoduto com uma anomalia térmica – mais quente ou mais fria que a região ao redor. Se um líquido como água estiver vazando, ele pode resfriar a vegetação/solo local em relação à temperatura ambiente. No caso de outros oleodutos, como gás natural, um vazamento pode resultar em perda de pressão, e evidências do gás emergente podem às vezes ser observadas como uma pluma fria (embora existam outros sensores mais adequados para detectar gases inflamáveis).
Nas imagens exemplo abaixo (fornecidas cortesia da EagleHawk) podemos claramente ver a rota de um tubo subterrâneo de vapor (1 na primeira imagem, TIR), com evidência de vazamento de condensado (2) entrando em um bueiro pluvial. No topo central (3) podemos ver o condensado quente correndo para uma ravina próxima. A segunda imagem fornece uma visão em cor natural do mesmo local. Com base nessas imagens, o vazamento foi prontamente localizado e corrigido.
4. Outros Casos de Uso
Os casos listados acima são apenas uma amostra da gama muito maior de aplicações para imagens térmicas infravermelhas. Existem muitos outros – por exemplo:
- Sensores TIR são usados em drones assim como em aeronaves tripuladas para buscar caminhantes perdidos ou realizar levantamentos da vida selvagem.
- Na aplicação da lei, calor residual pode ser detectado e aplicado como evidência forense mostrando onde um veículo esteve estacionado mas depois saiu da cena antes da captura da imagem – seja onde o calor de um veículo em funcionamento aqueceu o pavimento, ou alternativamente onde a sombra de um veículo estacionado deixou evidência como uma região mais fria, tendo reduzido o aquecimento solar da superfície.
- Estudos ambientais focados em habitats aquáticos onde faixas estreitas de temperatura são necessárias para sucesso na desova dos peixes podem cobrir áreas relativamente grandes com imagens térmicas infravermelhas para suplementar amostragem in situ da temperatura.
Interpretação / Análise
Para a maioria dos exemplos acima, os usuários podem detectar anomalias térmicas através de avaliações visuais simples da área de interesse para identificar regiões que parecem mais quentes (ou mais frias) que tudo ao redor. Como resultado, o usuário pode extrair informações úteis com observações relativas (qualitativas), mas sem realizar medições absolutas (quantitativas) das temperaturas exatas. A exceção a isso nos exemplos acima é uma aplicação como monitoramento das temperaturas da água em leitos de desova dos peixes, onde o sucesso na desova pode depender das temperaturas da água dentro de uma faixa relativamente estreita.
Em casos que requerem medições absolutas e precisas da temperatura, os usuários precisarão considerar
- a calibração radiométrica do sistema sensor, e
- propriedades dos materiais observados, especialmente superfícies metálicas que frequentemente mostram reflexos da energia TIR proveniente de outra fonte – por exemplo, o céu (que normalmente aparecerá muito frio) ou o sol.
Propriedades da Superfície e Emissividade
Fazer medições remotas precisas da temperatura de um objeto é desafiador.
Imagens capturadas por sensores térmicos infravermelhos são proporcionais à energia recebida, e essas medições energéticas são então usadas para determinar a temperatura aparente das superfícies na vista. Alguns fabricantes de sensores fornecem informações para permitir a conversão das imagens TIR em unidades energéticas e depois dessa energia para temperatura superficial.
Uma consideração importante é a propriedade superficial referida como Emissividade (representada por b5). Diferentes materiais superficiais emitem energia térmica em taxas diferentes. A diferença na energia emitida por duas superfícies na mesma temperatura é caracterizada pela emissividade delas, variando entre 0.0 e 1.0. A temperatura aparente de uma superfície é tipicamente inferior à temperatura real, presumindo que a emissividade da superfície seja menor que 1,0. <\/P>
Medidas remotas de temperatura podem ser enganosas para superfícies com baixo b5<\/STRONG>, como a maioria dos metais, pois eles emitem muito pouca energia e também podem refletir<\/U> energia TIR proveniente de outra fonte (por exemplo, o céu, que parecerá muito frio, ou uma fonte de calor separada). <\/P>Uma discussão mais detalhada sobre este tópico está além do escopo deste post no blog, mas é importante entender que o cálculo da temperatura mais precisa de qualquer superfície 013 concreto, água, grama, metal, etc. 013 exigiria conhecimento da emissividade dessa superfície, bem como a possibilidade de observar fontes de calor refletidas. <\/P>Uma tabela de valores de emissividade pode ser encontrada AQUI<\/A>. Note que, como a maioria das superfícies naturais tem um valor de emissividade de 0,9 ou maior, na maioria das aplicações descritas acima, a correção para emissividade pode não ser necessária.<\/P> <\/P>
Aplicação Prática<\/H2>Na prática, o usuário deve considerar se medições absolutas de temperatura são necessárias para seu caso de uso. Como muitas aplicações não requerem temperaturas absolutas, é razoável identificar visualmente anomalias térmicas e assim derivar valor significativo das imagens TIR sem precisar calibrar para unidades de temperatura. <\/P>Para sensores TIR transportados por drone, usuários que desejam gerar um produto de dados True Ortho devem capturar múltiplos quadros (com sobreposição recomendada de 90% devido à baixa resolução da imagem) e então executar processamento fotogramétrico para criar um ortomosaico para interpretação visual. <\/LI>Para sensores de satélite, uma única imagem frequentemente cobrirá todo o local de interesse.<\/LI><\/UL>
Se medições absolutas de temperatura forem necessárias, o suporte no software Esri dependerá do sensor.<\/P>Software adicional do fabricante do sensor pode ser necessário para realizar a conversão. Consulte a documentação da Ajuda do ArcGIS para seu software e sensor. O fabricante do sensor também pode ter ferramentas separadas para aplicar calibração de temperatura.<\/LI>Para sensores de satélite, o Raster Type<\/EM><\/STRONG> apropriado deve ser definido, então modelos de processamento podem ser aplicados às bandas TIR para converter valores dos pixels em graus Celsius ou Fahrenheit<\/LI><\/UL> <\/P> <\/P>
