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高光譜成像技術(shù)在公共基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)和材料降解檢測中的應(yīng)用

2019-07-31 13:57 性質(zhì)：轉(zhuǎn)載 作者：歐普特科技 來源： 高光譜及多光譜遙感技術(shù)與應(yīng)用
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對于公共基礎(chǔ)設(shè)施來說，材料的降解以及腐蝕是個(gè)嚴(yán)重的問題。所有的材料都會隨著時(shí)間的推移而被降解腐蝕，這些材料在公共基礎(chǔ)設(shè)施中能夠保證其結(jié)構(gòu)...

  對于公共基礎(chǔ)設(shè)施來說，材料的降解以及腐蝕是個(gè)嚴(yán)重的問題。所有的材料都會隨著時(shí)間的推移而被降解腐蝕，這些材料在公共基礎(chǔ)設(shè)施中能夠保證其結(jié)構(gòu)的完整性，例如建筑物、水壩、塔、大橋、鐵路以及公路上，或者在輸油管道及電力線這類設(shè)施上起到傳遞能量的作用。所以材料腐蝕問題對于這些公眾基礎(chǔ)設(shè)施來說是致命的，越早越有效率的對材料腐蝕狀態(tài)作出探測，既可以保護(hù)生命也可以節(jié)省資金。

圖1. 美國在商用，民用以及公共交通方面每年因侵蝕所帶來的損失在1380億美元

  據(jù)綜合研究統(tǒng)計(jì)，美國每年因材料侵蝕帶來的直接損失為1380億美元。間接損失更多于2750億美元。而且隨著時(shí)間的推移，損失也在不斷遞增。

  對于材料侵蝕的傳統(tǒng)現(xiàn)場檢測方法需要大量人力，而且工作面積覆蓋很小。這種費(fèi)時(shí)費(fèi)力費(fèi)財(cái)力的辦法沒法給出一個(gè)大面積的，細(xì)致的現(xiàn)場檢測結(jié)果。但是如果利用了高光譜成像技術(shù)，這些問題將迎刃而解。

圖2. 高光譜成像（HIS）技術(shù)可以為基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)主與操作員提供檢測材料退化的能力，特別是在材料嚴(yán)重受損之前。利用無人機(jī)來代替有人機(jī)可以減少費(fèi)用以及人員傷亡的危險(xiǎn)。下方3張小圖展示了在可見光近紅外以及短波近紅外波段的金屬光譜特征

  美國Headwall公司可為客戶提供標(biāo)準(zhǔn)化高光譜成像傳感器、定制化高光譜成像傳感器和應(yīng)用于不同遙感領(lǐng)域的全套解決方案，光譜范圍覆蓋可見光至近紅外波段。高光譜成像系統(tǒng)可用于多個(gè)領(lǐng)域的檢測應(yīng)用：瀝青的降解，高分子材料的侵蝕，鐵類金屬的氧化，涂料狀態(tài)，植被侵襲以及降水沉積對于公共設(shè)施帶來的影響。

  除了高光譜成像系統(tǒng)，Headwall也提供多種傳感器集成平臺，例如將高光譜成像儀和LiDAR同時(shí)搭載到一個(gè)輕型無人機(jī)上，同時(shí)獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)融合。這樣獲取到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可生成帶有高光譜信息的高分辨率數(shù)字高程模型（DEM）。

  無人監(jiān)測系統(tǒng)在基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)主中已經(jīng)獲得廣泛的關(guān)注，因?yàn)橛腥藱C(jī)監(jiān)測需要高額的費(fèi)用，這些費(fèi)用不僅包括操作費(fèi)，還有保險(xiǎn)費(fèi)以及潛在的事故責(zé)任賠償費(fèi)用。特別是在有人機(jī)監(jiān)測電力線和高塔時(shí)，如果發(fā)生事故，即使在很低的飛行高度下，致死率也要有35%以上。

  相比于傳統(tǒng)監(jiān)測方法，高光譜成像系統(tǒng)監(jiān)測有以下優(yōu)點(diǎn)：

  • 更先進(jìn)的監(jiān)測方法
  • 優(yōu)化的維修方案
  • 降低人員人身安全威脅
  • 降低責(zé)任賠償
  • 可以超視距作業(yè)

  無論是對道路還是跑道的表面檢查，肉眼或者連續(xù)拍照監(jiān)測都需要花費(fèi)大量時(shí)間。然而，使用Headwall高光譜成像儀Nano-Hyperspec或者Co-AlignedVNIR-SWIR搭載到大疆M600 pro無人機(jī)的解決方案，可以按照規(guī)劃好的飛行路線精確飛行。這種解決方案即優(yōu)化又高效。

圖3 搭載全波段高光譜成像儀Co-AlignedVNIR-SWIR與激光雷達(dá)（LiDAR）傳感器的大疆M600 pro在亞特蘭大國際機(jī)場進(jìn)行飛機(jī)跑道監(jiān)測作業(yè)

  進(jìn)行繁冗的地面測試需要關(guān)閉好多天繁忙的跑道，而采用無人機(jī)搭載高光譜成像儀與LiDAR監(jiān)測則在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)就可以完成。相對于有人機(jī)飛行監(jiān)測，無人機(jī)監(jiān)測規(guī)劃更簡單快捷，大量減少繁重的操作工作和花費(fèi)。無人機(jī)飛行記錄的數(shù)據(jù)包括：高光譜成像和LiDAR數(shù)據(jù)，以及同步的高精度GPS地理信息坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

圖4 管線、電力線和高塔是由于環(huán)境條件和運(yùn)輸物質(zhì)而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)老化、腐蝕的例子，耗時(shí)且存在潛在危害的視覺檢測成本高且危險(xiǎn)，高分辨率的RGB相機(jī)檢測則可能錯(cuò)過早期發(fā)現(xiàn)預(yù)警信號，這些早期信號可以用高光譜成像儀來檢測

  Headwall高光譜成像儀提供多種波長范圍和形狀結(jié)構(gòu)供客戶選擇，也提供用于驗(yàn)證機(jī)載成像真實(shí)性的地面成像光譜儀。這些傳感器結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、重量輕、體積小，方便運(yùn)輸、設(shè)置簡單?？梢姽?近紅外波段（VNIR）傳感器可以鑒定植被侵襲的影響，短波近紅外（SWIR）傳感器則可用于鑒定地形地貌、人造結(jié)構(gòu)，甚至通過鑒定化學(xué)物質(zhì)的光譜特性來反演監(jiān)測底層材料的情況。

  Headwall還專為實(shí)驗(yàn)室檢測提供Scanning Kit室內(nèi)水平掃描架（包括平移臺，光源，控制單元，支架），可用于在戶外采集到的樣本或者材料的分析檢測，進(jìn)而建立一個(gè)光譜數(shù)據(jù)庫，利用光譜庫可對野外被測物進(jìn)行快速檢測。

圖5 ScanningKit室內(nèi)水平掃描架


北京歐普特科技有限公司(Golden Way Scientific)， 注冊于1998年，是一家以發(fā)展高科技光學(xué)類產(chǎn)品為主導(dǎo)、生產(chǎn)貿(mào)易相結(jié)合的公司。多年以來，我公司憑著與國外多家公司良好的合作關(guān)系，及時(shí)掌握科技最新動態(tài)，不斷把國外最新的科學(xué)研究與工業(yè)產(chǎn)品介紹到中國來，以滿足中國客戶的需求。

公司在小型航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域有豐富的使用經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)已經(jīng)獲得美國DA模型航空發(fā)動機(jī)公司以及美國HFE公司獨(dú)家代理權(quán)，銷售小型活塞式航模汽油發(fā)動機(jī)以及小型活塞式電噴汽油發(fā)動機(jī)，并提供相關(guān)的技術(shù)服務(wù)。





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