红外影像直接定位技术在城市建筑工程测量中的应用

苏顺谦，李 帅，李 盼，樊翠银

(1.北京华城工程管理咨询有限公司，北京100083； 2.北京速测信息科技有限公司，北京100080)

城市建筑工程中存在外墙砖块频繁脱落和高空垃圾堆积等问题，为了避免出现事故，要运用有效准确的控制方法，及时修复和消除潜在危险。红外影像直接定位技术是一种新技术，其利用不同体积区域的红外热辐射差异，将隐形热辐射转换成视觉图像，使用图像来确定结构，具有高速和大规模等特征，可用于检测和测量工作中。对于质量良好的建筑装饰壳的外壁，在外表面或任意区域中检测，应得到无缺陷的红外影像，且红外影像直接定位技术检测时应是均匀的，即在所获得的红外影像中，对应区域的颜色基本上相同，没有明显的色差。总结了红外影像直接定位技术在城市建筑工程测量中的应用，分析了该技术的发展现状，展望了未来发展方向。

1 红外影像直接定位技术原理

红外位于可见红光和微波之间，波长760 nm～1 mm，在自然界中高于绝对零度(-273℃)的物体，从外部连续辐射红外能量，这是红外温度测量的理论基础，也是探测技术的重要物理基础。红外影像直接定位技术实现的测量基于热传导方程和辐射规律，使得物体辐射到外部的总红外辐射功率与温度比例是4倍，因此较小的温差也可能导致辐射体积的显著差异。根据该方法，在没有多余刺激的情况，即使在城市建筑工程中没有发现明显缺陷的情况也可以使用红外影像直接定位技术有效地检测缺陷。室外的最高温度周期不是检测红外影像的最佳时间，每天的最高温度出现在下午1时左右，然而缺陷区域在上午10～11时最显著，因为热辐射图像气溶胶区域可以在白天温度变化较大时清楚地标记，当照射到来自外部的相同热源时，由于热参数的不同，在整个材料中产生不同类型的红外影像，红外温度计的光学系统收敛，红外辐射能量落在红外检测器的平面上，被光电转换将被测物质的红外能量转换成电能，并在温度计的瞄准器上显示物体的红外影像，如图1。城市建筑工程外部和内部由不同材料构成，因此难以使用红外成像来确定缺陷，这种情况下即使实际操作较为困难，温度变化也会有不协调感，很难识别由于阴影掩盖、材料厚度差等因素造成的缺陷，影响了红外影像直接定位技术的实际使用效果。

图1 红外影像直接定位技术原理Fig.1 Principle of infrared image direct positioning technology

2 城市建筑工程测量中红外影像直接定位技术的应用

与传统的无损检测方法相比，红外影像直接定位技术具有较大的优势，可以整合数据分析、图像处理等技术手段，得到更准确的测量效果。

2.1 裂缝检测中的应用

红外影像直接定位技术使用不同物体之间的热辐射差异来完成物体检测，当混凝土表面发生裂纹时，空气和混凝土结构的热辐射强度差较大，所以可以使用红外温度计来更好地检测混凝土表面的裂纹，提供新的检测手段，改善后续结构的设计，提高测量精度。红外热成像仪的裂纹检测原理是在光和热流注入均匀的情况下，在结构上存在裂纹，经过一定时间的传热，裂纹中的热流速度变慢，表面缺陷形成热点，当检测到缺陷时温度降低，形成冰点。利用这种热辐射特性，可以使用红外成像器获得直观的红外图像和处理温度变异的边缘点，获得清晰的裂纹图。研究不同温度差和裂纹深度之间的关系，能够进一步明确城市建筑工程中裂纹的严重性和修复增强的方向。

2.2 在空鼓检测中的应用

随着环境温度的变化，装饰材料和结构材料的热压缩没有完全同步，因此产生了温度应力，在这样的情况下，装饰材料和结构材料之间的弱粘结形成了裂缝。当受其他外部因素的影响时，裂纹扩展到空鼓形状，当热流从表面进入建筑物的外壁层时，由于空气的热电阻高，所以壁片中的空鼓等缺陷通过空气动力屏障产生热积累，起到绝热层的作用，如表1。目前，使用红外影像直接定位技术有较多限制，红外测量效果与季节控制有关，需要基于太阳辐射强度理论研究不同情况下的最佳测量时间。红外观测效应与被测量部分的时间和方向有关，需要考虑不同气象条件、不同时间点的测量差异，室外温度越高，面积越大，深度越浅，红外热成像检测方法的效果越高。

表1 空鼓检测数据表Tab.1 Empty drum detection data

2.3 渗漏检测中的应用

在相同的测量条件下，当城市建筑工程被测量部位产生空心鼓、漏气等缺陷时，缺陷会改变装饰面与壁之间的导热性，图像显示的红外影像定位部位出现异常，能够直观判断异常区域的实际位置。国内外很多专家通过红外影像直接定位技术研究了建筑领域的测量和质量控制，利用红外影像直接定位技术检测时，需要一定的外部环境条件，使外壁表面产生合理的温差，这限制了该技术的普及。水的热容量高于城市建筑工程材料的热容量，所以在相同的热辐射条件下，透射点的温度上升幅度较小，红外波段的热成像产生冷点，根据该理论，可以使用基于红外影像直接定位技术的综合检测方法，有效测量渗漏源和渗漏途径。水的热容量和热传导系数明显高于岩石、黏土等材料，因此如果存在热源，则干燥体的温度上升明显高于湿润体。城市建筑缺陷部位的水分，是影响红外影像直接定位技术运用效率的重要因素之一。在城市建筑混凝土渗漏试验中，高温区域的红外影像直接定位具有被低温区域的温度场包围的特征，渗漏边缘的区域温度梯度大，特征明显。因此，在渗漏测量领域，红外影像直接定位技术方法值得深入研究。

2.4 节能检测中的应用

绿色建筑和智能建筑能耗更低，在断电或减少用电的情况下，可尽量保证建筑内部温度适宜。利用红外影像直接定位技术，可以较为准确地了解节能建筑的具体情况及其保温隔热性能。图2为红外影像直接定位技术应用于建筑节能检测中，通过红外影像直接定位技术快速了解节能建筑的比热容，如果在节能建筑围护结构中存在较高的温度差，外部空气进入节能建筑内部后将难以流通，容易形成热量相对密集的区域，通过检测建筑物内外部区域的热量损失数值，可以得出节能建筑的能耗比例。施工人员可以根据检测成果，按照其反映出的热桥区域进行维修，减少节能建筑物的热桥区域面积，进一步提升节能建筑的隔热作用。在节能建筑结构设计中，为达到节能和环保目的，加入了隔热保温材料，但如果隔热保温材料出现安装失误和密封性差的情况，会导致节能建筑围护结构的隔热保温作用下降，使房屋建筑的能耗大大增加。应用红外影像直接定位技术，可以直观检测建筑物内存在的热损失情况，有助于进一步了解其节能情况，诊断热损失出现的具体原因，从而及时采取措施，弥补节能建筑保温施工设计的缺陷。

图2 红外影像节能检测图Fig.2 Infrared image energy-saving detection chart

2.5 管道检测中的应用

建筑管道使用过程中，会出现管道堵塞、内壁腐蚀、裂纹和泄漏等情况，可利用红外影像直接定位技术进行侦测，因为管道堵塞会产生温度变化，这些热容量差值可传递到管线外壳上。管道磨损会导致建筑结构发生变化，如果出现磨损，温度的传导速度会更快，更加容易传递热量，磨损部位温度上升，会与其他部位的温度产生差值。应加强建筑管道监测，对管道进行严格密封，确保生活污水的合理排放。大部分房屋管道埋在混凝土建筑结构中，传统的房屋管道检测较为隐蔽，很难直接观察了解管道的密封情况，因此，在管道检测中可以应用红外影像直接定位技术，通过温度差值，找到管道中存在堵塞和泄漏的具体位置，快速判断管道的故障问题，准确了解管道的具体情况。红外影像直接定位技术有利于快速识别管道障碍区域，一旦建筑管道密封连接出现误差，会导致管道中的气体和水体发生泄露，使得管道局部的导热性上升。管道出现渗漏，会使管道周边空气活动更加频繁，管道区域温度因为空气活动而下降，应用红外影像直接定位技术可以准确探测出故障部位，形成准确的故障报告，提高管道故障检测速度和质量。

3 结语

利用红外影像直接定位技术，通过寻找不同条件下红外成像中不同材料的温差算法，进行数据处理和整合，通过自动程序处理并迅速识别，可找到城市建筑工程中的缺陷，大大提高测量效率和准确率，为城市建筑工程测量提供快捷方便的途径，具有重要的现实意义。