高光谱成像技术在公共基础设施结构和材料降解检测中的应用

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高光谱成像技术在公共基础设施结构和材料降解检测中的应用 对于公共基础设施来说，材料的降解以及腐蚀是个严重的问题。所有的材料都会随着时间的推移而被降解腐蚀，这些材料在公共基础设施中能够保证其结构的完整性，例如建筑物、水坝、塔、大桥、铁路以及公路上，或者在输油管道及电力线这类设施上起到传递能量的作用。所以材料腐蚀问题对于这些公众基础设施来说是致命的，越早越有效率的对材料腐蚀状态作出探测，既可以保护生命也可以节省资金。 图1.美国在商用，民用以及公共交通方面每年因侵蚀所带来的损失在1380亿美元 据综合研究统计，美国每年因材料侵蚀带来的直接损失失1380亿美元。间接损失更多于2750亿美元。而且随着时间的推移，损失也在不断递增。 对于材料侵蚀的传统现场检测方法需要大量人力，而且工作面积覆盖很小。这种费时费力费财力的办法没法给出一个大面积的，细致的现场检测结果。但是如果利用了高光谱成像技术，这些问题将迎刃而解。 图2.高光谱成像(HIS)技术可以为基础设施业主与操作员提供检测材料退化的能力，特别是在材料严重受损之前。利用无人机来代替有人机可以减少费用以及人员伤亡的危险。下方3张小图展示了在可见光近红外以及短波近红外波段的金属光谱特征 美国 Headwall 公司可为客户提供标准化高光谱成像传感器、定制化高光谱成像传感器和应用于不同遥感领域的全套解决方案，光谱范围覆盖可见光至近红外波段。高光谱成像系统可用于多个领域的检测应用：沥青的降解，高分子材料的侵蚀，铁类金属的氧化，涂料状态，植被侵袭以及降水沉积对于公共设施带来的影响。 除了高光谱成像系统， Headwall 也提供多种传感器集成平台，例如将高光谱成像仪和LiDAR 同时搭载到一个轻型无人机上，同时获取数据并进行数据融合。这样获取到的点云数据可生成带有高光谱信息的高分辨率数字高程模型 (DEM)。 无人监测系统在基础设施业主中已经获得广泛的关注，因为有人机监测需要高额的费用，这些费用不仅包括操作费，还有保险费以及潜在的事故责任赔偿费用。特别是在有人机监测电力线和高塔时，如果发生事故，即使在很低的飞行高度下，致死率也要有35%以上。 相比于传统监测方法，高光谱成像系统监测有以下优点， 更先进的监测方法 ● 优化的维修方案 降低人员人身安全威胁 降低责任赔偿 可以超视距作业 无论是对道路还是跑道的表面检查，肉眼或者连续拍照监测都需要花费大量时间。然而，使用 Headwall 高光谱成像仪 Nano-Hyperspec 或者 Co-Aligned VNIR-SWIR 搭载到到疆 M600 pro 无人机的解决方案，可以按照规划好的飞行路线精确飞行。这种解决方案即优化又高效。 图3搭载全波段高光谱成像仪 Co-Aligned VNIR-SWIR与激光雷达 (LiDAR) 传感器的大疆 M600 pro 在亚特兰大国际机场进行飞机跑道监测作业 进行繁冗的地面测试需要关闭好多天繁忙的跑道，r而采用无人机搭载高光谱成像仪与LiDAR 监测则在几个小时内就可以完成。相对于有人机飞行监测，无人机监测规划更简单快捷，大量减少繁重的操作工作和花费。无人机飞行记录的数据包括：高光谱成像和LiDAR 数据，以及同步的高精度 GPS地理信息坐标数据。 图4管线、电力线和高塔是由于环境条件和运输物质而导致的结构老化、腐蚀的例子，耗时且存在潜在危 害的视觉检测成本高且危险，高分辨率的RGB相机检测则可能错过早期发现预警信号，这些早期信号可以用高光谱成像仪来检测 Headwall 高光谱成像仪提供多种波长范围和形状结构供客户选择，也提供用于验证机载成像真实性的地面成像光谱仪。这些传感器结构坚固、重量轻、体积小，方便运输、设置简单。可见光-近红外波段 (VNIR)传感器可以鉴定植被侵袭的影响，短波近红外 (SWIR)传感器则可用于鉴定地形地貌、人造结构，甚至通过鉴定化学物质的光谱特性来反演监测底层材料的情况。 Headwall 还专为实验室检测提供 Scanning Kit 室内水平扫描架(包括平移台，光源，控制单元，支架)，可用于在户外采集到的样本或者材料的分析检测，进而建立一个光谱数据库，利用光谱库可对野外被测物进行快速检测。 图5 Scanning Kit 室内水平扫描架 对于公共基础设施来说，材料的降解以及腐蚀是个严重的问题。所有的材料都会随着时间的推移而被降解腐蚀，这些材料在公共基础设施中能够保证其结构的完整性，例如建筑物、水坝、塔、大桥、铁路以及公路上，或者在输油管道及电力线这类设施上起到传递能量的作用。所以材料腐蚀问题对于这些公众基础设施来说是致命的，越早越有效率的对材料腐蚀状态作出探测，既可以保护生命也可以节省资金。                     图1. 美国在商用，民用以及公共交通方面每年因侵蚀所带来的损失在1380亿美元据综合研究统计，美国每年因材料侵蚀带来的直接损失为1380亿美元。间接损失更多于2750亿美元。而且随着时间的推移，损失也在不断递增。对于材料侵蚀的传统现场检测方法需要大量人力，而且工作面积覆盖很小。这种费时费力费财力的办法没法给出一个大面积的，细致的现场检测结果。但是如果利用了高光谱成像技术，这些问题将迎刃而解。图2. 高光谱成像（HIS）技术可以为基础设施业主与操作员提供检测材料退化的能力，特别是在材料严重受损之前。利用无人机来代替有人机可以减少费用以及人员伤亡的危险。下方3张小图展示了在可见光近红外以及短波近红外波段的金属光谱特征。美国Headwall公司可为客户提供标准化高光谱成像传感器、定制化高光谱成像传感器和应用于不同遥感领域的全套解决方案，光谱范围覆盖可见光至近红外波段。高光谱成像系统可用于多个领域的检测应用：沥青的降解，高分子材料的侵蚀，铁类金属的氧化，涂料状态，植被侵袭以及降水沉积对于公共设施带来的影响。除了高光谱成像系统，Headwall也提供多种传感器集成平台，例如将高光谱成像仪和LiDAR同时搭载到一个轻型无人机上，同时获取数据并进行数据融合。这样获取到的点云数据可生成带有高光谱信息的高分辨率数字高程模型（DEM）。无人监测系统在基础设施业主中已经获得广泛的关注，因为有人机监测需要高额的费用，这些费用不仅包括操作费，还有保险费以及潜在的事故责任赔偿费用。特别是在有人机监测电力线和高塔时，如果发生事故，即使在很低的飞行高度下，致死率也要有35%以上。相比于传统监测方法，高光谱成像系统监测有以下优点，l  更先进的监测方法l  优化的维修方案l  降低人员人身安全威胁l  降低责任赔偿l  可以超视距作业无论是对道路还是跑道的表面检查，肉眼或者连续拍照监测都需要花费大量时间。然而，使用 Headwall高光谱成像仪Nano-Hyperspec或者Co-Aligned VNIR-SWIR搭载到大疆M600 pro无人机的解决方案，可以按照规划好的飞行路线精确飞行。这种解决方案即优化又高效。                      图3 搭载全波段高光谱成像仪Co-Aligned VNIR-SWIR与激光雷达（LiDAR）传感器的大疆M600 pro在亚特兰大国际机场进行飞机跑道监测作业。进行繁冗的地面测试需要关闭好多天繁忙的跑道，而采用无人机搭载高光谱成像仪与LiDAR监测则在几个小时内就可以完成。相对于有人机飞行监测，无人机监测规划更简单快捷，大量减少繁重的操作工作和花费。无人机飞行记录的数据包括：高光谱成像和LiDAR数据，以及同步的高精度GPS地理信息坐标数据。图4管线、电力线和高塔是由于环境条件和运输物质而导致的结构老化、腐蚀的例子，耗时且存在潜在危害的视觉检测成本高且危险，高分辨率的RGB相机检测则可能错过早期发现预警信号，这些早期信号可以用高光谱成像仪来检测。Headwall高光谱成像仪提供多种波长范围和形状结构供客户选择，也提供用于验证机载成像真实性的地面成像光谱仪。这些传感器结构坚固、重量轻、体积小，方便运输、设置简单。可见光-近红外波段（VNIR）传感器可以鉴定植被侵袭的影响，短波近红外（SWIR）传感器则可用于鉴定地形地貌、人造结构，甚至通过鉴定化学物质的光谱特性来反演监测底层材料的情况。Headwall还专为实验室检测提供Scanning Kit室内水平扫描架（包括平移台，光源，控制单元，支架），可用于在户外采集到的样本或者材料的分析检测，进而建立一个光谱数据库，利用光谱库可对野外被测物进行快速检测。                                                                                        图5 Scanning Kit室内水平扫描架