Тепловая ИК аэросъемка дорожных покрытий, в том числе взлетно-посадочных полос аэропортов, позволяет решать следующие задачи:
- выявление зон неблагоприятного гидрогеологического режима (зоны обводнения или подтопления) подушки дорожного полотна;
- выявление участков нарушения дорожного покрытия (трещины, выбоины, ямы и т.п.);
- выявление зон возможного развития техногенных суффозионных процессов под воздействием утечек из подземных тепловых сетей.
Применимость метода тепловой ИК аэросъемки для решения первой из поставленных задач определяется следующими предпосылками. Качество дорожного покрытия прямо пропорционально связано с качеством подушки, на которой размещается это покрытие. В первую очередь разрушению подвергаются участки разуплотнения подушки в связи с их повышенной проницаемостью. В таких местах должна наблюдаться повышенная обводненность области под дорожным полотном за счет грунтовых вод и инфильтрации атмосферных осадков, причем, степень обводнения может существенно изменяться в зависимости от погодных условий. Переменная обводненность приводит к разрушению подушки под воздействием атмосферных условий, особенно в зимнее время года, когда происходит вспучивание полотна дороги при промерзании грунта, а также за счет выщелачивания и вымывания мелкой фракции (обычное явление в зоне аэрации почвенного покрова). В свою очередь, это приводит к разрушению (просадкам) дорожного полотна.
Фрагмент взлетно-посадочной полосы.
Аэропорт г. Тулы. Август 1995г.
(Обводненные участки выделяются, как более холодные зоны
- синие, зеленые цвета и оттенки на рисунке).
Обводненные участки дороги вследствие более высокой теплоемкости воды и ее испарения, должны под действием солнечных лучей (как прямым, так и при наличии облачности) прогреваться медленнее. Следовательно, на тепловом изображении поверхности асфальта дневного цикла наблюдений (выполненных до или сразу же после захода солнца) эти области будут выделяться как отрицательные аномалии теплового поля ("холодные"), которые, однако, не следует путать с участками неравномерного прогрева исследуемого полотна за счет экранирования солнечного света облаками и тенью, отбрасываемой придорожными объектами (деревьями, домами и др.). На материалах ночного цикла наблюдений (выполняемых под утро до утренней температурной инверсии) области обводненности должны выглядеть как более теплые на фоне дорожного покрытия, находящегося в нормальном состоянии.
В случае контроля дорожных магистралей, проходящих по незастроенным или слабо застроенным территориям, выявление зон обводнения выполняется достаточно однозначно. Это, как правило, участки, где магистраль подпруживает естественные водные потоки при отсутствии организованного водопропуска. Это приводит к заболачиванию территории, обводнению дорожной подушки, а в последствии и к разрушению дорожного полотна. В тепловом поле такие участки отображаются в дневное время как достаточно выразительные отрицательные аномалии, тяготеющие к краевой части дороги, при этом наиболее контрастная часть аномалии располагается на прилегающей территории.
Меньшим контрастом характеризуются аномалии, приуроченные к зонам обводнения за счет подпора грунтовых вод или инфильтрации атмосферных осадков на участках трещиноватости дорожного покрытия.
В условиях плотной городской застройки контроль состояния дорожной подушки с помощью тепловой ИК аэросъемки осложняется тем, что на формирование теплового поля здесь влияют многочисленные природные и техногенные факторы.
- Наличие сплошного асфальтового покрытия и близко стоящих домов на пограничных участках затрудняет обнаружение естественных водных потоков или зон подтопления.
- Различное плановое положение дорог приводит к неравномерному солнечному прогреву отдельных участков. Особенно это влияние сказывается при простирании полотна в субширотном направлении. В этом случае южная половина полотна дороги находится в тени от домов или деревьев практически в течение всего светового дня и прогревается меньше северной, поэтому даже при съемке в ночное время эта часть выглядит "холоднее". При этом величина отрицательного радиационного контраста сопоставима с ожидаемой от обводненных участков. При субмеридианальном простирании дороги солнечный прогрев сравнительно однородный. Наибольшее значение имеет профиль дороги. Максимальный перепад высот профиля дороги наблюдается при подъеме на мост и при спуске в туннель. В этих случаях образуются склоны северной и южной экспозиции, которые также неравномерно прогреваются солнцем, а следовательно, отображаются разным уровнем теплового поля.
- Наличие вдоль городских магистралей домов высокой и различной этажности приводят к появлению в тепловом поле светлых и темных полос.
- Существенное искажение естественного теплового поля вызывает полив дорог, который обычно производится в ночное время, поэтому его влияние особенно сказывается на материалах утренней съемки. Очень важно, чтобы эти работы были выполнены в наиболее короткий отрезок времени и до начала съемки прошло не менее 3-4 часов, с тем чтобы тепловое поле вернулось в свое естественное состояние. Все это требует согласования с соответствующими городскими службами.
- Выполнение дешифрирования и интерпретации материалов тепловой съемки осложняется и разнообразными дорожными работами (снятие дорожного полотна, укладка асфальта, прокладка и ремонт коммуникаций и т.п.), особенно если предварительные сведения о них отсутствуют.
Перечисленные выше факторы в меньшей степени влияют при выявлении участков нарушения дорожного полотна и зон возможного развития техногенных суффозионных процессов под влиянием утечек из подземных тепловых сетей. Первые проявляются в тепловом поле как "холодные" малоразмерные объекты различной конфигурации, вторые - как высококонтрастные ("теплые") узкие линейные аномалии.
ИК аэросъемка для определения состояния автомагистралей проводится, как правило, в летний период при практически полном отсутствии осадков. Выбор сезона съемки определяется особенностями формирования теплового поля контролируемых объектов. Исходя из общих предпосылок, участкам обводнения дорожной подушки должны отвечать слабоконтрастные аномалии теплового поля, которые легко могут "потеряться" на фоне шумов. Такими помехами являются региональное обводнение за счет талых вод или обильных атмосферных осадков. Решение остальных перечисленных задач в принципе возможно в любой сезон.
Выбор времени съемки диктуется следующими соображениями. Наиболее контрастно "холодные" аномалии, связанные с обводнением, должны проявляться в дневное время. Однако, организовать такие работы в городе, например, в Москве, практически невозможно, т.к. днем основные магистрали заняты плотным потоком автомобилей. Поэтому съемка первого цикла выполняется после захода солнца (в 23 - 24 часа), когда вечерняя инверсия (смена знака контраста "вода-суша" с положительного на отрицательный) еще не произошла, следовательно, съемку можно условно считать "дневной". Второй цикл съемки производится в период максимального охлаждения суши (4 - 5 час.) до обратной инверсии, поэтому съемку можно считать "ночной". Совместная обработка и сопоставление материалов двух циклов съемки позволяют более уверенно выполнять интерпретацию получаемых данных.
Примером решения задач контроля состояния дорожных покрытий могут служить работы для "Тулавтодора" в 1995г. и аэросъемка крупных автомагистралей в г. Москве в 1998г. по договору с ГУП "Доринвест".
Аэросъемочные работы производились на вертолете МИ-8МТВ-1 непосредственно над контролируемыми объектами. Высота съемки - минимально допустимая для г. Москвы при выполнении аэросъемочных работ -200 м в дневное время и 150 м ночью. При скорости съемки 120 км/час эффективная маршрутная скорость составила 60 км/час. Для проложения маршрутов и плановой привязки измерений использовалась система спутниковой навигации GPS+GLONASS (приемник GG24 фирмы ASHTECH), обеспечивающая абсолютную погрешность определения координат ±2,5 м.
Этап глубокой камеральной обработки заключался в сканировании топоосновы масштаба 1:2000, ее увязке, стыковке, масштабировании и размещении в координатном пространстве. Отсканированные топопланшеты послужили основой, по которой по системе взаимноопознаваемых точек была выполнена трансформация и подшивка тепловых изображений. Если размеры апертуры (пространственное разрешение) исходных маршрутных изображений составили порядка 0.15м - 0.20м (в зависимости от высоты съемки) то масштабированный результат формировался с разрешением 0.25м. Полученные попланшетные тепловые изображения могут быть размещены в качестве растрового слоя в любой геоинформационной системе.
Методика дешифрирования и интерпретации.
При дешифрировании и интерпретации данных тепловой инфракрасной аэросъемки необходимо учитывать ее основные особенности, которые сводятся к следующему:
- при тепловой съемке регистрируется ИК излучение объектов земной поверхности или температурные контрасты на земной поверхности от глубинно залегающих объектов (тепловые сети, подземные очаги самовозгорания и т.п.). Как правило, по интенсивности этого воздействия можно судить и о состоянии самих объектов.
- по характеру сбора полезной информации в пространстве тепловая ИК аэросъемка основана на обзоре двумерного поля излучения. Обзор пространства осуществляется поэлементно путем сканирования в направлении вкрест линии полета. Формирование изображения местности по второй координате происходит за счет перемещения летательного аппарата.
- по характеру взаимодействия с объектом наблюдения метод является пассивным, т. е. во время проведения съемки отсутствует воздействие на объект исследования;
- получаемые тепловые изображения дают представление о распределении радиационных контрастов ("теплее" - "холоднее") и не позволяют определять абсолютные значения радиационных или термодинамических температур;
- два идентичных объекта с одинаковой термодинамической температурой характеризуются равной энергетической яркостью только при условии их размещения на одинаково излучающем фоне и при одинаковом состоянии излучающей поверхности;
- при одинаково излучающем фоне более "теплые" объекты отображаются более светлым тоном.
Следует отметить, что тепловое поле по сравнению с другими геофизическими полями (магнитным, гравитационным и др.) отличается ультрадинамичностью. Даже незначительные изменения метеорологической обстановки (скорости ветра, облачности, влажности, температуры воздуха, положения солнца над горизонтом) способны весьма существенно изменить тепловую картину исследуемой территории. Следовательно, получаемая картина теплового поля справедлива именно на данный момент съемки и не может быть абсолютно точно воспроизведена в последующем. Поэтому-то так важен методически правильный, исходя из конкретных задач, выбор периода проведения съемки.
Приемы дешифрирования и интерпретации материалов ТИКАС имеют следующую последовательность:
- "привязка" съемочных маршрутов к топооснове масштаба 1:2000;
- общий анализ теплового поля;
- опознавание объектов, имеющих отражение в тепловом поле;
- обнаружение и опознавание контролируемых объектов (автомагистралей);
- изучение пространственной динамики контролируемых объектов;
- изучение временной динамики контролируемых объектов (сопоставление материалов дневной и ночной съемок);
- определение основных факторов, обуславливающих существование тепловой аномалии;
- заключение о состоянии контролируемого объекта.
На первом этапе работы с материалами ТИКАС определяется плановое положение маршрутов на топооснове.
Анализ теплового поля начинается с опознавания объектов, попавших в поле зрения: жилые и производственные здания и постройки, асфальтовые и грунтовые дороги, тротуары и тропинки, реки и водоемы, подземные тепловые сети и т.д.
Жилые здания опознаются достаточно уверенно. Как правило, они имеют прямоугольные или сложно-прямоугольные очертания. Крыши домов в тепловом поле отображаются либо как "холодные" (темные) объекты, иногда с "теплыми" точками вентиляционных шахт, либо как "теплые" (от серого до белого тона), что обусловлено, в основном, свойствами материалов кровли, например, оцинкованная жесть или гудрон. Боковые стены домов выглядят как "теплые" или очень "теплые" (светло-серый до белого тон), что связано с конструктивными особенностями и качеством теплоизоляции домов. Производственные здания и сооружения в тепловом поле обычно представлены сочетанием очень "горячих" (ярко-белых) объектов (например, горячие цеха) и очень "холодных" (черных) объектов (не отапливаемые складские помещения, навесы и т.п.). Очертания промышленных зданий имеют характерную форму. На территории промышленных зон, как правило, проложено большое количество местных воздушных теплосетей и продуктопроводов.
Реки и водоемы в летний период (когда выполняется данная целевая съемка) имеют отрицательный контраст с сушей при съемке в дневное время, ("холодные"), положительный ночью ("теплые") и практически сливаются с фоном в близинверсионное время. Коммунальные и промышленные выбросы в реки и водоемы отображаются как отчетливые аномалии теплового поля, приуроченные к береговой зоне, контрастность и размеры которых обусловлены температурой и дебитом сбросовых вод.
Наибольшую сложность при дешифрировании представляет опознавание подземных тепловых сетей, особенно при отсутствии или неточности схем их расположения. Достаточно уверенно теплосети опознаются в случае высокой утечки тепла. Если же ситуация близка к норме, то при отсутствии должного опыта тепловой след подземной теплотрассы (особенно малого диаметра) легко спутать с тепловым изображением асфальтовой дорожки, грунтовой тропинки, высокого бордюра. Тепловые сети при условии их "нормального" состояния выглядят как узкие линейные слабоконтрастные и весьма слабоконтрастные элементы теплового поля. При этом рисунок тепловых сетей отличается от дорожного наличием коленообразных и П-образных перегибов, светлых "узелков", отвечающих камерам и смотровым колодцам. Ширина теплового следа и его выразительность зависит от диаметра теплотрассы (при прочих равных условиях).
Асфальтовые дороги, дорожки и тротуары отображаются, как прямолинейные элементы теплового поля среднего и низкого уровня контрастности (различные оттенки серого тона). Грунтовые тропинки имеют ту же контрастность, но отличаются хаотичным извилистым рисунком.
На следующем этапе анализируется характер проявления в тепловом поле автомагистралей с учетом перечисленных выше особенностей формирования теплового поля в условиях городских агломераций и особенностей тепловых изображений. При этом сопоставляются как отдельные фрагменты магистралей одного этапа съемки, так и материалы дневной и ночной съемок. Вполне очевидно, что при равных условиях и равном состоянии дорожного полотна автомагистрали должны отображаться на материалах одного этапа однородным тепловым полем. Появление отрицательных или положительных аномалий может свидетельствовать об отклонении состояния объектов от "нормального". Задачей интерпретатора является установить причину появления неоднородностей теплового поля, отбраковать "ложные" аномалии, не связанные с состоянием контролируемых объектов и в конечном итоге выявить интересующие нас неблагоприятные участки.
Результаты работ
В результате дешифрирования материалов ИК аэросъемки могут быть выделены следующие элементы теплового поля
- однородное тепловое поле
- пониженный уровень теплового поля за счет северной экспозиции участка дороги
- повышенный уровень теплового поля за счет южной экспозиции участка дороги
- ямы, выбоины, колодцы
- зоны трещиноватости дорожного покрытия
- участки предполагаемого обводнения подушки дорожного полотна
- подземные теплотрассы с повышенной утечкой тепла
- подземные теплотрассы
- зоны подземных пешеходных переходов
- "заплатки" дорожного покрытия
- участки дорожных работ
- поверхностные потоки и лужи воды
Естественно, в каждом конкретном случае набор элементов теплового поля может быть несколько иным. Представленный вариант интерпретации теплового поля может служить основой для более глубокого анализа данных тепловой съемки с привлечением отсутствующей у нас дополнительной информации. При этом работать следует с исходными файлами маршрутных изображений, что позволяет варьировать яркость, контрастность, масштаб, добиваясь максимальной выразительности картины теплового поля. Так на распечатках масштаба 1 : 2000 зачастую невозможно показать малоразмерные объекты (выбоины, трещины), которые отчетливо определяются при увеличении масштаба. Слабоконтрастные аномалии при распечатке также теряют свою выразительность.
Заключение
Таким образом, полученные в ходе предыдущих исследований материалы позволяют сделать вывод о возможности решения поставленных задач. Тепловая инфракрасная аэросъемка, как высокопроизводительный дистанционный метод исследований, способна выявить локальные участки неблагополучного состояния дорожного полотна для последующего детального обследования более дорогими и информативными наземными методами исследований (наземная электроразведка, георадарная съемка и др.).
