Тепловизор — это прибор, необходимый для бесконтактного измерения температуры. С его помощью можно видеть тепловые излучения любых окружающих объектов в любое время суток. Тепло — это энергия электромагнитный волн, находящихся в неком веществе. Любое вещество состоит из атомов, что в свою очередь означает тепло — это вибрация этих атомов, и чем больше они вибрируют, тем горячее становятся. Создается тепловая сигнатура, которую обнаруживают тепловизионные камеры. Основным предназначением тепловизора является измерения температур с целью обнаружения, слежения за объектами живой и неживой природы, мониторинга, поиска неисправностей оборудования, электрики, выявления недочетов в строительстве, в обследованиях, пожаротушении, поисковых и спасательных мероприятиях.
Тепловизионные камеры создают четкие тепловые изображения, основываясь на разнице температур. А сложные алгоритмы простых с виду камер считывают с этих изображений температурные значения. Самые горячие места окрашиваются в красный, желтый и оранжевый цвета, холодные в синий и черный.
Современные методы инспекций предлагают использование тепловизоров, установленных на беспилотных летательных аппаратах. Это значительно упрощает работу, обеспечивая работы не только вручную с помощью специальных групп людей или наземной техники, но и поддержку с воздуха. Разберем в материале, как работает тепловизионная съемка, как расшифровывать изображения с тепловизора, тепловые карты и цветовые шкалы.
Технология процесса
Говоря простыми словами, мы — люди, все объекты, живые и неживые вокруг нас вырабатывают тепловые излучения. Это простая физика. Не тот видимый свет и солнечная энергия от прямых лучей, которые обогревают нас летом, когда солнце ярко светит в небе, но именно инфракрасное тепловое излучение, выделяемое из объектов. Это излучение или энергия называются тепловой сигнатурой. Чем горячее объект, тем больше тепла он излучает. Солнце излучает значительно больше энергии в виде инфракрасных лучей, чем, например, чашка горячего чая или человек, вышедший только что из парилки. Выделяемая температура влияет и на длину волн, и на частоту из излучения. В виде инфракрасных волн отображаются в тепловизоре объекты с типичными средними температурами. При отображении их на фото и видео, энергия, излучаемая объектами, обычно представляет собой диапазон длин волн, или спектр излучения. При увеличении температуры объекта длины волн в спектрах испускаемого излучения также уменьшаются. Более горячие объекты испускают более короткую волну, более высокую частоту излучения. Например, нагретая батарея зимой, работающий тостер или духовка, нагретая до 180 градусов, когда вы запекаете картошку с мясом, значительно более горячие, чем температура выключенных, но поддерживающихся электросетью чайника или холодильника. На картинке ярким красным цветом будут отображаться сильно нагретые предметы, оранжевым, желтым, зеленым — другие.
При этом обычная камера передает только видимый свет, но не видит тепловых сигналов, и наоборот. Тепловизоры могут обнаруживать сигналы за счет разницы температур вплоть до значений 0,01° C. Эта информация затем отображается в виде различных цветов на дисплее, в программном обеспечении или приложениях.
Тепловизор с воздуха. Суть работы
Как мы уже сказали, тепловизионные камеры измеряют температуру поверхности объектов и предназначены для обнаружения любых, даже самых незначительных, изменений температуры. При этом важно понимать, что не все объекты излучают мощную тепловую сигнатуру. Степень, в которой объект поглощает или отражает тепло, называется излучательной способностью, и она может значительно различаться, в зависимости от конкретного объекта. Например, различные блестящие объекты, светоотражающие, зеркала, отражают тепло в меньшей степени. Не отражающие поверхности (люди, животные, дерево, бетон, железо) имеют, наоборот, повышенный коэффициент излучения, они явно видны в тепловизор и легко измеряются.
В основе тепловизионной камеры — специальный объектив, пропускающий инфракрасные излучения, или частоты. Встроенный термодатчик и процессор изображения, расположенные в защитном корпусе, измеряют температуры, как бы впитывая ее в себя, и проецируют их путем создания термограмм на видимое устройство (пульт управления дрона, экран телефона с установленным приложением). Камеры обычно устанавливаются на подвесе беспилотника, который помогает стабилизировать изображение. Во время облета объектов, тепловой датчик камеры считает длину волн инфракрасного излучения и преобразует ее в электронные сигналы. После этого процессор изображений преобразовывает данные в термограмму или термографическое изображение, где отображается цветная карат с различными значениями температур.
Как расшифровываются тепловые изображения
Давайте взглянем на снимок, сделанный с помощью тепловизора. На изображении, как видно, отображаются несколько участков в различных цветах: белого, серого и черного цветов с различными оттенками.
Изображение: нефтяной разлив, снято с БПЛА
Чем ярче цвет (более белый), тем более горячая поверхность объекта. Другая популярная цветовая палитра может показывать тепло в цветном диапазоне. Здесь более горячие элементы отображаются белым, красным, оранжевым или желтым цветами, более низкие температуры — голубым, синим, фиолетовым и черным.
Изображение: жилой дом, снято с БПЛА
Современные беспилотные летательные аппараты с полезной нагрузкой предлагают более широкий выбор цветовых палитр, обеспечивая пользователям возможность выбрать наиболее оптимальный дисплей для конкретных потребностей. Например, тепловизионная камера DJI Zenmuse H20T предоставляет до двенадцати цветовых палитр, которые разделяются на 256 цветов и отображаются в 8-битных форматах JPEG или MPEG-4.
Обработка изображений с тепловизионной камеры
Когда термодатчик камеры получил изображение, процессор обработал его и передал его в программное обеспечение для дальнейшего отображения на пульте управления, запускается этап обработки этих изображения в виде фотографий или видео. Для этого можно использовать различные ПО, которые предлагают современный рынок.
Материалы съемки обрабатываются в DJI Terra или Pix4D. С помощью ПО автоматически восстанавливаются исходные положения центров фотографирования, получают облака точек и полноценные текстурированные 3D-модели. Таким образом происходит обработка изображений в видимом диапазоне, после чего центры снимков тепловизора и фотокамеры совмещаются (с учетом поправок на положения центров съемочных матриц), что позволяет получать высокую точность геопривязки инфракрасных кадров, создавая точные тепловые модели, на которых видны все очаги высоких температур. Инфракрасные изображения преобразовываются в псевдоцветные, легко воспринимаемые человеческим глазом, как, например, на данных иллюстрациях, где темным оттенкам соответствуют низкие температуры, а светлым — высокие.
Большинство простых тепловизионных камер только снимают тепловые изображения без измерения температуры. Более дорогие аналоги, в частности Zenmuse H20T, измеряют термографические данные в каждом отдельном пикселе и, следовательно, записывают фактические показания температуры вместе с тепловыми изображениями. Такой уровень детализации, наряду с данными GPS с геотегами для каждой фотографии, значительно ускоряет и упрощает оценку изображения.
Применение БПЛА с тепловизором на практике
Мы разобрали теорию. Теперь все предельно ясно, что представляет собой и как работает тепловизор. Главным остается вопрос, где использовать тепловизоры, в чем польза и практика применения таковых.
Специалисты знают, что наиболее широкое применение тепловизионного оборудования распространяется на военную сферу. В последнее время с развитием технологий для этого используют БПЛА с тепловизионным подвесом. Стремительно развивается и гражданская сфера, где дроны с тепловизором применяются при инспекциях, во время поисково-спасательных мероприятий, при обследовании газо- и нефтепроводов, ЛЭП, в строительстве и в сельском хозяйстве. Интеграция тепловизионного оборудования с дронами помогает добиваться высокой эффективности и безопасности при проведении сложных операций.
При наземном использовании тепловизора процессы усложняются. Вам необходимо находиться максимально близко к объекту, а если это аварийный объект, осмотр места пожара или инспекция опасного промышленного объекта, тогда увеличиваются риски для здоровья и даже для жизни. Беспилотник позволяет безопасно, а к тому же быстрее и качественнее выполнить вашу работу.
Во-первых, он может охватить гораздо бо́льшую площадь для проверки и сделать это за минуты. Во-вторых, камера сможет передать вам изображение не только сверху, но и с любых нужных ракурсов. Это позволяет лучше и детальнее определять ситуацию на местах. В-третьих, вся информация будет передана оператору и специалистам, работающим с ней, в реальном режиме времени. В экстренных случаях время — решающий фактор. Быстро полученная информация, ее качество и полнота помогут принимать правильные и адекватные решения на ситуации.
Тепловизор для воздушных инспекций
К инспекциям промышленных объектов относятся осмотры подстанций, линий электропередач, газо- и нефтепроводов и других инфраструктурных или промышленных объектов. На примере инспекций ЛЭП можно сказать сразу, что в первую очередь это очень сложный и затратный процесс. Необходимо бо́льшее количество ресурсов, людей и значительное количество времени на проведение работ. И все равно этого оказывается недостаточно, особенно если использовать традиционные методы. Кроме того, проверки часто сопряжены с риском для здоровья и жизни самих сотрудников компаний. Попытки использовать для проверки высотных объектов вертолеты оказались слишком затратными для бюджета компаний. Ни самолет, ни вертолет также не смогут провести проверку по соображениям безопасности.
Что дают дроны?
Инспекции промышленных объектов подразумевают проведение работ быстро и качественно. С помощью дрона работы упрощаются в разы. За небольшое количество времени они способны преодолеть бо́льшие расстояния, собирая максимально точно информацию и передавая ее для обработки специалистам. Компании существенным образом экономят время: как самой организации, так и ее сотрудников. Экономия времени также позволяет изменить подходы к проведению инспекций. Например, отказаться от длительных отключений некоторых линий электропередач во время проверок.
Использование БПЛА подразумевает также значительную экономию затрат на оборудование и работы. Конечно, как отмечают специалисты, предприятиям придется закупать это оборудование, осуществлять подготовку или переподготовку кадров для управления новыми технологиями, и тем не менее, использование тепловизионных и визуальных летающих камер стоит намного дешевле с точки зрения эксплуатационных расходов.
С помощью тепловизора можно как инспектировать общее состояние линий электропередач, так и выявлять различные повреждения, недостающие конструкции располагающихся рядом зданий и объектов, наличие воды под кровлей, проблемы с электроснабжением и многое другое. Зачастую для выполнения инспекции подобного рода достаточно всего одного дрона. Выявление повреждений с помощью поддержки с воздуха, например, можно выполнить за несколько минут, в том время как раньше на это уходило несколько часов или даже дней.
Тепловизор для пожарных подразделений и аварийных служб
Практика применения БПЛА при пожарах уже имеется, опыт положительный. Известны случаи, когда в США, Германии, Китае и других странах беспилотники для анализа при тушении пожаров, устройство помогает лучше координировать работу всех сотрудников и в более короткие сроки справляться с огнем.
Практическое применение дронов Mavic 2 Enterprise Dual или Enterprise Advanced с подвесными тепловизионным оборудованием показало на практике свою максимальную эффективность в сфере обеспечения безопасности и в аварийных ситуациях. В случае пожарных инспекций прежде всего ценным становится способность тепловизора видеть разницу в температурных параметрах, причем это возможно даже в условиях задымления. Летающие тепловизионные камеры доказали свою эффективность при борьбе с самыми разными типами пожаров: в плотной городской застройке, в лесах или на больших открытых участках.
“Миссии по тушению лесных пожаров, — говорит Хуан Хесус Ролдан-Гомес, автор исследования об использовании БПЛА и других новейших технических разработок в сфере пожарной безопасности. — Включают в себя множество задач, связанных с предотвращением, наблюдением и тушением”.
Так, согласно данным автора со ссылкой на отчет World Fire Statistics Международной ассоциации пожарных и спасательных служб, ежегодно в мире происходит до 7 миллионов пожаров, в которых гибнет более 30 тыс. человек. Около 50% возгораний происходит в зданиях и на транспорте, на них же приходится 90% всех жертв. Применение БПЛА в сфере пожарной безопасности является относительно новым направлением и призвано внести свой огромный вклад в понимание процессов и защиту населения и мира от текущих проблем. В чем преимущество беспилотников?
Во-первых, они способны видеть обстановку, проникая сквозь задымления и выявляя очаги возгорания. Это также помогает выявлять не только очаги, но и людей, находящихся в опасности или под завалами. Детальное знание о происходящем внутри здания или другого объекта помогает принимать оперативные правильные решения. Кроме того, дронами проводится разведка мест возгорания с целью выявления:
- наличия особо ценных участков и пожароопасных зон и объектов;
- оценки состояния кровли объектов поблизости;
- наличия преград, естественных или искусственных;
- вида, силы и локации пожара;
- направления потоков огня и дыма;
- наличия влаги;
После оценки полученных данных с БПЛА, специалисты приступают непосредственно к ликвидации пожара. Учитываются также погодные условия, имеющиеся технические средства и другие факторы.
Городские пожары
В городских условиях пожарные подразделения прибывают на место происшествия в течение нескольких минут. Работа идет на минуты, а использование БПЛА в этом случае призвано значительно ускорить процессы по выявлению очага возгорания, виды и силы пожара, направления потоков огня. Дроны серии Mavic 2 Enterprise способны в считанные минуты преодолевать расстояния и маневренно облетать здания и сооружения, с их помощью можно также заглядывать в охваченные огнем помещения, а также видеть все детали сквозь дым, используя возможности тепловизионных камер.
Лесные пожары
В первую очередь лесные пожары затруднены особенностями местности и рельефа. Сложный ландшафт очень часто затрудняют патрулирование лесных районов, использование наземной техники попросту невозможно из-за частичной или полной непроходимости. Наблюдение лесных пожаров с земли небезопасно также для пеших групп. В Интернете и по телевизору мы часто можем наблюдать, что леса выгорают огромными площадями, в свою очередь их попросту не тушат. Причины возгораний, очаги выявляют позже. Данные с БПЛА позволяет пожарным быстро определять и выявлять очаги возгорания, что позволяет оперативно определить, где и какие ресурсы необходимы разместить и какую тактику тушения и ликвидации возгорания выбрать.
Пожары на опасных объектах
Речь идет об объектах, связанных в взрывоопасными веществами. Любое неосторожное действие или промедление в этом случае может привести к еще более серьезным проблемам. В данном случае особое значение имеет прогноз продвижения линии огня с учетом мер по его локализации и ликвидации. В критических ситуациях, когда счет идет на минуты, дроны помогают быстро сканировать участки, дистанционно оценивать характер угроз с помощью тепловизоров или газоанализаторов.
Поисково-спасательные операции
Отдельного внимания и поистине уважения у поисковиков заслуживают беспилотники в поисково-спасательных миссиях. Дроны — это “глаза”, “уши” и “нос” спасателей как на больших открытых участках, так и в лесах или в труднодоступных зонах и опасных районах в случае пожара и ЧС. Вертолеты — это дорого и затратно, а дроны уже сегодня используются отрядами “Лиза Алерт”, “Рысь” по Нижегородской области, “Ангел” в Белоруссии. Невозможно передать всей ценности БПЛА с тепловизором во время поисковых мероприятий, но сами поисковики уверены, что это не только современный и удобный способ, но и то, что в будущем станет основным инструментом в любых миссиях.
“Еще пять лет назад не было тех технологии, которые предлагают сегодня беспилотные летательные аппараты. Банально аккумуляторные батареи, которые способны были удерживать аппарат незначительное время в воздухе. Сегодня это в зависимости от типа беспилотника от 30 минут до нескольких часов. Сегодня даже потребительские дроны обладают мощными двигателями и современными камерами и способны помочь поисковым отрядам находить пропавших быстрее. Дроны дополняют другие методики поисков, выполняя задачи на открытых пространствах. Система будет совершенствоваться и улучшаться. А нам необходимо способствовать этому, показывать на примере, что это возможно, реально и эффективно”, — комментирует действующий пилот по Нижегородской области Андрей.
Современные платформы позволяют как находить людей на огромных площадях, когда пешие группы обходят эти участки часами и днями. В среднем стандартный “квадрат поисковика”, составляющий 500 на 500 метров обходится пешими группами за 4 часа. Беспилотник преодолевает это же расстояние за 15 минут. Использование вертолетов невыгодно. Если они применяются в рядах МЧС, то для поисковиков вертолет — это роскошь. Тепловизорами с помощью дрона находят людей, дронами доставляют первую необходимую помощь, корректируют работу пеших групп, передают сигналы по громкой связи. Визуальная съемка с воздуха помогает спасателям корректировать эвакуацию, точно прогнозировать дальнейшее развитие ситуации, правильно оценивать масштаб катастрофы.
Проверка целостности объектов, зданий, кровли
Не только во время пожаров, но и в любых ЧС необходимо знать реальное состояние зданий, которые могут в неожиданный момент обрушиться на людей. С помощью беспилотника это сделать гораздо проще. Используете ли вы DJI Mavic 2 Enterprise Advanced или DJI Matrice 600 Pro / Matrice 300, оборудованные тепловизорами, не важно. Важен результат, который оперативно поступает в режиме реального времени оператору. Специалисты с помощью дронов могут видеть те области кровли, которые представляют опасность. Разница температур четко укажет на это. Для этого также очень хорошо подходит функция Isotherm. Можно быстрее обнаружить возможное обрушение кровли и тем самым спасти находящихся внутри людей.
Горячие точки
Речь идет о тех местах, где даже после уничтожения основных очагов пожара может сохраняться слабый огонь или тление. Такие точки потенциально опасны, так как могут спровоцировать новое возгорание. С помощью тепловизионных камер гораздо легче и проще выявлять подобные зоны и быстро ликвидировать их, чтобы не допустить возможности для нового распространения огня.
