Теплова інфрачервона аерозйомка при рішенні задач контролю стану дорожніх покриттів

Рис. 4.5 - Фрагмент злітно-посадочної смуги. Аеропорт м. Тули. Серпень 1995 р. (Обводнені ділянки виділяються, як більш холодні зони - сині, зелені кольори і відтінки на малюнку)

Теплова ІЧ аерозйомка дорожніх покриттів, у тому числі злітно-посадочних смуг аеропортів, дозволяє вирішувати наступні задачі:

· виявлення зон несприятливого гідрогеологічного режиму (зони обводнення або підтоплення) подушки дорожнього полотна;

· виявлення ділянок порушення дорожнього покриття (тріщини, вибоїни, ями і т.п.);

· виявлення зон можливого розвитку техногенних суфозійних процесів під впливом витоків з підземних теплових мереж.

Застосування методу теплової ІЧ аерозйомки для вирішення першої з поставлених задач визначається наступними передумовами. Якість дорожнього покриття прямо пропорціонально пов’язана з якістю подушки, на якій розміщується це покриття. У першу чергу, руйнуванню піддаються ділянки ущільнення подушки у зв’язку з їх підвищеною проникністю. У таких місцях повинна спостерігатися підвищена обводненість області під дорожнім полотном за рахунок ґрунтових вод і інфільтрації атмосферних опадів, причому, ступінь обводнення може істотно змінюватися залежно від погодних умов. Перемінна обводненість приводить до руйнування подушки під впливом атмосферних умов, особливо в зимову пору року, коли відбувається спучування полотна дороги при промерзанні ґрунту, а також за рахунок вилуговування і вимивання дрібної фракції (звичайне явище в зоні аерації ґрунтового покриву). У свою чергу, це приводить до руйнування (просідкам) дорожнього полотна.

Обводнені ділянки дороги унаслідок більш високої теплоємності води і її випаровування повинні під дією сонячного проміння (як прямою, так і за наявності хмарності) прогріватися повільніше. Отже, на тепловому зображенні поверхні асфальту денного циклу наглядів (виконаних до або зразу ж після заходу сонця) ці області виділятимуться як негативні аномалії теплового поля («холодні»), які, проте, не слід плутати з ділянками нерівномірного прогрівання досліджуваного полотна за рахунок екранування сонячного світла хмарами і тінню, що відкидається придорожніми об’єктами (деревами, будинками і ін.). На матеріалах нічного циклу наглядів (виконуваних під ранок до уранішньої температурної інверсії) області обводненості повинні виглядати як більш теплі на фоні дорожнього покриття, що знаходиться у нормальному стані.

У разі контролю дорожніх магістралей, що проходять по незабудованих або слабо забудованих територіях, виявлення зон обводнення виконується достатньо однозначно. Це, як правило, ділянки, де магістраль підпружує природні водні потоки за відсутності організованого водопропуску. Це приводить до заболочування території, обводненню дорожньої подушки, а надалі і до руйнування дорожнього полотна. У тепловому полі такі ділянки відображаються в денний час як достатньо виразні негативні аномалії, що тяжіють до краєвої частини дороги, при цьому найконтрастніша частина аномалії розташовується на прилеглій території.

Меншим контрастом характеризуються аномалії, приурочені до зон обводнення за рахунок підпору ґрунтових вод або інфільтрації атмосферних опадів на ділянках тріщинуватості дорожнього покриття.

В умовах щільної міської забудови контроль стану дорожньої подушки за допомогою теплової ІЧ аерозйомки ускладнюється тим, що на формування теплового поля тут впливають численні природні і техногенні чинники.

· Наявність суцільного асфальтового покриття і прилеглих будинків на межових ділянках ускладнює виявлення природних водних потоків або зон підтоплення.

· Різне планове положення доріг приводить до нерівномірного сонячного прогрівання окремих ділянок. Особливо цей вплив позначається при протязі полотна в субширотному напрямі. У цьому випадку південна половина полотна дороги знаходиться в тіні від будинків або дерев практично протягом всього світлового дня і прогрівається менше північної, тому навіть при зйомці в нічний час ця частина виглядає «холоднішою». При цьому величина негативного радіаційного контрасту співвідноситься з очікуваною від обводнених ділянок. При субмерідіанальному протязі дороги сонячний прогрів порівняльно однорідний. Найбільше значення має профіль дороги. Максимальний перепад висот профілю дороги спостерігається при підйомі на міст і при спуску в тунель. У цих випадках утворюються схили північної і південної експозицій, які також нерівномірно прогріваються сонцем, а отже, відображаються різним рівнем теплового поля.

· Наявність уздовж міських магістралей будинків високої і різної поверховості приводять до появи в тепловому полі світлих і темних смуг.

· Істотне викривлення природного теплового поля викликає полив доріг, який звичайно проводиться в нічний час, тому його вплив особливо позначається на матеріалах уранішньої зйомки. Дуже важливо, щоб ці роботи були виконані в найкоротший відрізок часу і до початку зйомки пройшло не менше 3-4 годин, з тим, щоб теплове поле повернулося в свій природний стан. Все це вимагає узгодження з відповідними міськими службами.

· Виконання дешифрування і інтерпретації матеріалів теплової зйомки ускладнюється і різноманітними дорожніми роботами (зняття дорожнього полотна, укладання асфальту, прокладка і ремонт комунікацій і т.п.), особливо якщо попередні відомості про них відсутні.

Перераховані вище чинники у меншій мірі впливають при виявленні ділянок порушення дорожнього полотна і зон можливого розвитку техногенних суфозійних процесів під впливом витоків з підземних теплових мереж. Перші виявляються в тепловому полі як «холодні» малорозмірні об’єкти різної конфігурації, другі - як висококонтрастні («теплі») вузькі лінійні аномалії.

ІЧ аерозйомка для визначення стану автомагістралей проводиться, як правило, в літній період при практично повній відсутності опадів. Вибір сезону зйомки визначається особливостями формування теплового поля контрольованих об’єктів. Виходячи із загальних передумов, ділянкам обводнення дорожньої подушки повинні відповідати слабоконтрастні аномалії теплового поля, які легко можуть «загубитися» на фоні шумів. Такими перешкодами є регіональне обводнення за рахунок талих вод або рясних атмосферних опадів. Рішення решти перерахованих задач, у принципі, можливе в будь-який сезон.

Вибір часу зйомки диктується наступними міркуваннями. Найбільш контрастно «холодні» аномалії, пов’язані з обводненням, повинні виявлятися в денний час. Проте організувати такі роботи в місті, наприклад, у Москві, практично неможливо, оскільки вдень основні магістралі зайняті щільним потоком автомобілів. Тому зйомка першого циклу виконується після заходу сонця (в 23 - 24 години), коли вечірня інверсія (зміна знака контрасту «вода-суша» з позитивного на негативний) ще не відбулася, отже, зйомку можна умовно вважати «денною». Другий цикл зйомки проводиться в період максимального охолоджування суші (4 - 5 година) до зворотної інверсії, тому зйомку можна вважати «нічною». Сумісна обробка і зіставлення матеріалів двох циклів зйомки дозволяють більш упевнено виконувати інтерпретацію одержуваних даних.

Прикладом рішення задач контролю стану дорожніх покриттів можуть служити роботи для «Тулавтодора» в 1995 р. і аерозйомка крупних автомагістралей у м. Москві в 1998 р. за договором з ДУП «Дорінвест».

Аерознімальні роботи проводилися на вертольоті Мі-8МТВ-1 безпосередньо над контрольованими об’єктами. Висота зйомки - мінімально допустима для м. Москви при виконанні аерознімальних робіт - 200 м у денний час і 150 м вночі. При швидкості зйомки 120 км/год ефективна маршрутна швидкість склала 60 км/год. Для прокладення маршрутів і планової прив’язки вимірювань використовувалася система супутникової навігації GPS+GLONASS (приймач GG24 фірми ASHTECH), що забезпечує абсолютну погрішність визначення координат ±2,5 м.

Етап глибокої камеральної обробки полягав у скануванні топооснови масштабу 1:2000, її ув’язці, стиковці, масштабуванні і розміщенні в координатному просторі. Відскановані топопланшети послужили основою, по якій за системою взаємноопізнаваємих точок була виконана трансформація і підшивання теплових зображень. Якщо розміри апертури (просторове розділення) початкових маршрутних зображень склали приблизно 0.15 м - 0.20 м (залежно від висоти зйомки), то масштабований результат формувався з розділенням 0.25 м. Одержані попланшетні теплові зображення можуть бути розміщені як растровий шар у будь-якій геоінформаційній системі.

Методика дешифрування і інтерпретації

При дешифруванні і інтерпретації даних теплової інфрачервоної аерозйомки необхідно враховувати її основні особливості, які зводяться до наступного:

· при тепловій зйомці реєструється ІЧ випромінювання об’єктів земної поверхні або температурні контрасти на земній поверхні від глибинно залягаючих об’єктів (теплові мережі, підземні осередки самозаймання і т.п.). Як правило, за інтенсивністю цієї дії можна робити висновки і про стан самих об’єктів;

· за характером збору корисної інформації в просторі теплова ІЧ аерозйомка заснована на огляді двовимірного поля випромінювання. Огляд простору здійснюється поелементно шляхом сканування у напрямі вхрест лінії польоту. Формування зображення місцевості за другою координатою відбувається за рахунок переміщення літального апарату;

· за характером взаємодії з об’єктом нагляду метод є пасивним, тобто під час проведення зйомки відсутня дія на об’єкт дослідження;

· одержувані теплові зображення дають уявлення про розподіл радіаційних контрастів («тепліше» - «холодніше») і не дозволяють визначати абсолютні значення радіаційних або термодинамічних температур;

· два ідентичні об’єкти з однаковою термодинамічною температурою характеризуються рівною енергетичною яскравістю тільки за умови їх розміщення на однаково випромінюючому фоні і при однаковому стані випромінюючої поверхні;

· при однаково випромінюючому фоні більш «теплі» об’єкти відображаються більш світлим тоном.

Слід зазначити, що теплове поле в порівнянні з іншими геофізичними полями (магнітним, гравітаційним й ін.) відрізняється ультрадинамічністю. Навіть незначні зміни метеорологічної обстановки (швидкості вітру, хмарності, вологості, температури повітря, положення сонця над горизонтом) здатні істотно змінити теплову картину досліджуваної території. Отже, одержувана картина теплового поля справедлива саме на даний момент зйомки і не може бути абсолютно точно відтворена в подальшому. Тому-то таким важливим є методично правильний, виходячи з конкретних задач, вибір періоду проведення зйомки.

Прийоми дешифрування і інтерпретації матеріалів ТІЧАЗ мають наступну послідовність:

· «прив’язка» знімальних маршрутів до топооснови масштабу 1:2000;

· загальний аналіз теплового поля;

· розпізнання об’єктів, що мають віддзеркалення в тепловому полі;

· виявлення і розпізнання контрольованих об’єктів (автомагістралей);

· вивчення просторової динаміки контрольованих об’єктів;

· вивчення часової динаміки контрольованих об’єктів (зіставлення матеріалів денної і нічної зйомок);

· визначення основних чинників, що обумовлюють існування теплової аномалії;

· висновок про стан контрольованого об’єкту.

На першому етапі роботи з матеріалами ТІЧАЗ визначається планове положення маршрутів на топооснові.

Аналіз теплового поля починається з пізнання об’єктів, що потрапили в поле зору: житлові і виробничі будівлі і споруди, асфальтові і ґрунтові дороги, тротуари і стежини, річки і водоймища, підземні теплові мережі і т.д.

Житлові будівлі розпізнаються достатньо упевнено. Як правило, вони мають прямокутні або складно-прямокутні контури. Дахи будинків у тепловому полі відображаються або як «холодні» (темні) об’єкти, іноді з «теплими» точками вентиляційних шахт, або як «теплі» (від сірого до білого тону), що обумовлено, в основному, властивостями матеріалів покрівлі, наприклад, оцинкована жерсть або гудрон. Бічні стіни будинків виглядають як «теплі» або дуже «теплі» (світло-сірий до білого тон), що пов’язано з конструктивними особливостями і якістю теплоізоляції будинків. Виробничі будівлі і споруди в тепловому полі, звичайно, представлені поєднанням дуже «гарячих» (яскраво-білих) об’єктів (наприклад, гарячі цехи) і дуже «холодних» (чорних) об’єктів (складські приміщення, що не опалюються, навіси і т.п.). Контури промислових будівель мають характерну форму. На території промислових зон, як правило, прокладено велику кількість місцевих повітряних тепломереж і продуктопроводів.

Річки і водоймища в літній період (коли виконується дана цільова зйомка) мають негативний контраст з сушею при зйомці в денний час («холодні»), позитивний вночі («теплі») і практично зливаються з фоном у біляінверсійний час. Комунальні і промислові викиди в річки і водоймища відображаються як виразні аномалії теплового поля, приурочені до берегової зони, контрастність і розміри яких обумовлені температурою і дебітом вод, які скидаються.

Найбільшу складність при дешифруванні представляє розпізнання підземних теплових мереж, особливо за відсутності або неточності схем їх розташування. Достатньо упевнено тепломережі розпізнаються у разі високого витоку тепла. Якщо ж ситуація близька до норми, то за відсутності належного досвіду тепловий слід підземної теплотраси (особливо малого діаметра) легко сплутати з тепловим зображенням асфальтової доріжки, ґрунтової стежини, високого бордюру. Теплові мережі за умови їх «нормального» стану виглядають як вузькі лінійні слабоконтрастні і дуже слабоконтрастні елементи теплового поля. При цьому малюнок теплових мереж відрізняється від дорожнього наявністю колінообразних і П-образних перегинів, світлих «вузликів», що відповідають камерам і оглядовим колодязям. Ширина теплового сліду і його виразність залежить від діаметра теплотраси (за інших рівних умов).

Асфальтові дороги, доріжки і тротуари відображаються, як прямолінійні елементи теплового поля середнього і низького рівня контрастності (різні відтінки сірого тону). Ґрунтові стежини мають ту ж контрастність, але відрізняються хаотичним звивистим малюнком.

На наступному етапі аналізується характер прояву в тепловому полі автомагістралей з урахуванням перерахованих вище особливостей формування теплового поля в умовах міської агломерації і особливостей теплових зображень. При цьому зіставляються як окремі фрагменти магістралей одного етапу зйомки, так і матеріали денної і нічної зйомок. Цілком очевидно, що за рівних умов і рівного стану дорожнього полотна автомагістралі повинні відображатися на матеріалах одного етапу однорідним тепловим полем. Поява негативних або позитивних аномалій може свідчити про відхилення стану об’єктів від «нормального». Задачею інтерпретатора є встановлення причини появи неоднорідностей теплового поля, відбракування «помилкових» аномалій, не пов’язаних із станом контрольованих об’єктів і зрештою виявити несприятливі ділянки, що цікавлять нас.

Результати робіт

У результаті дешифрування матеріалів ІЧ аерозйомки можуть бути виділені наступні елементи теплового поля:

· однорідне теплове поле;

· знижений рівень теплового поля за рахунок північної експозиції ділянки дороги;

· підвищений рівень теплового поля за рахунок південної експозиції ділянки дороги;

· ями, вибоїни, колодязі;

· зони тріщинуватості дорожнього покриття;

· ділянки передбачуваного обводнення подушки дорожнього полотна;

· підземні теплотраси з підвищеним витоком тепла;

· підземні теплотраси;

· зони підземних пішохідних переходів;

· «латочки» дорожнього покриття;

· ділянки дорожніх робіт;

· поверхневі потоки і калюжі води.

Природно, у кожному конкретному випадку набір елементів теплового поля може бути дещо іншим. Представлений варіант інтерпретації теплового поля може служити основою для більш глибокого аналізу даних теплової зйомки із залученням відсутньої у нас додаткової інформації. При цьому працювати слід з початковими файлами маршрутних зображень, що дозволяє варіювати яскравість, контрастність, масштаб, добиваючись максимальної виразності картини теплового поля. Так на розпечатках масштабу 1:2000 часто неможливо показати малорозмірні об’єкти (вибоїни, тріщини), які виразно визначаються при збільшенні масштабу. Слабоконтрастні аномалії при розпечатуванні також втрачають свою виразність.

Висновок

Таким чином, одержані в ході попередніх досліджень матеріали дозволяють зробити висновок про можливість рішення поставлених задач. Теплова інфрачервона аерозйомка, як високопродуктивний дистанційний метод досліджень, здатна виявити локальні ділянки неблагополучного стану дорожнього полотна для подальшого детального обстеження більш дорогими і інформативними наземними методами досліджень (наземна електророзвідка, георадарна зйомка й ін.).