Тепловая аэросъемка как метод превентивной диагностики наледей на крышах
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА
УДК 621. 384.3: 528. 711
ТЕПЛОВАЯ АЭРОСЪЕМКА КАК МЕТОД ПРЕВЕНТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ НАЛЕДЕЙ НА КРЫШАХ
© 2012 г. Б. В. Шилин, доктор геол.-мин. наук; В. Н. Груздев
Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН, Санкт-Петербург
E-mail: vicgruz@gmail.com
В последние годы средства массовой информации и Администрация СанктПетербурга отмечают исключительную актуальность разработки новых методов борьбы с наледями на крышах. Тепловая аэросъемка может быть использована как превентивный метод обнаружения участков тепловых аномалий на верхних ограждающих конструкциях зданий, где возможно образование наледей.
Ключевые слова: тепловизор, тепловая аэросъемка, теплопотери зданий.
Коды OCIS: 110.3080, 120.1880.
Поступила в редакцию 16.03.2012.
Важнейшей в проблеме энергоэффективности и энергосбережения является задача разработки быстрых и объективных методов контроля. Такой метод – инфракрасная (или тепловая) аэросъемка разработан в последние десятилетия учеными и инженерами нашего города. Была создана и освоена промышленностью отечественная тепловизионная аппаратура, размещаемая на авианосителях; разработана методика тепловой аэросъемки и интерпретации ее результатов. В первую очередь последнее относится к контролю состояния подземных систем теплоснабжении [1]. Первые работы в нашем городе были выполнены в 1986 году с отечественным авиационным тепловизором “Вулкан”. С 2003 года тепловая аэросъемка Васильевского острова, Петроградской стороны и всех районов южнее р. Невы по заказу “Теплосетей Санкт-Петербурга” проводится ежегодно. Новейший отечественный авиационный тепловизор “Малахит” [2] с полем обзора 120 позволяет выполнять аэросъемку большей площади, т. е. в поле зрения аэросъемки попадают не только теплосети, но и все городские объекты.
Предварительный просмотр материалов тепловой аэросъемки последних лет показывает, что на них могут быть выделены участки аномальных теплопотерь верхних частей ограждающих конструкций (крыш) зданий, а именно эти участки являются наиболее благоприятны-
ми местами образования наледей из-за повышенного теплового потока.
Тепловая аэросъемка регистрирует температурное поле земной поверхности в виде изображения (аэроснимка), контрасты которого являются функцией температуры. Современные авиационные тепловизоры фиксируют температурное поле с высоким геометрическим (для тепловизора “Малахит” это примерно 30 см при высоте полета 250 м) и высоким температурным (десятые доли градуса) разрешением, т. е. на земной поверхности могут быть зафиксированы малоразмерные и малоконтрастные объекты*. Это предопределило высокую эффективность и широкое внедрение тепловой аэросъемки для целей диагностики состояния подземных городских систем теплоснабжения. Теплотрассы в целом и их аномальные зоны, связанные с предаварийными и аварийными участками, уверенно регистрируются тепловой аэросъемкой [1].
Кроме теплотрасс, и многие другие объекты городской инфраструктуры характеризуются наличием аномалий на тепловых аэроснимках. Это, в первую очередь, промышленные предприятия и объекты энергетики с большими потерями тепла; заметные аномалии наблюда-
* Тепловизор “Вулкан” при той же температурной чувствительности имеет геометрическое разрешение примерно 1,8 мрад и поле обзора 90.
“Оптический журнал”, 79, 12, 2012
77
ются над многими объектами гражданской застройки. Как известно, это в основном связано с такими техническими нарушениями, как плохая изоляция “верхнего розлива”, вывод вентиляционных каналов на чердак, плохая изоляция кровли и т. п. За счет возникающих по этим причинам теплопотерь формируются стационарные тепловые аномалии на различных участках верхних ограждений зданий. Эти аномалии и являются участками, наиболее благоприятными для образования наледей.
Для оценки эффективности применения тепловой аэросъемки при решении задачи борьбы с наледями были использованы материалы тепловой аэросъемки, полученные при исследовании состояния подземных систем теплоснабжения Санкт-Петербурга. Такие работы выполняются в нашем городе с 2003 года регулярно в режиме мониторинга (в 2011 году дважды – весной и осенью). Технические характеристики отечественного серийного авиационного тепловизора “Малахит” позволяют эффективно и экономично проводить площадную тепловую аэросъемку города, как это делается при аэрофотосъемке. При этом формируется площадная тепловая карта города, где находят отображение все объекты теплоэнергетики города и его инфраструктуры, т. е. все верхние ограждающие конструкции зданий (крыши).
Для уменьшения влияния солнечного нагрева, создающего ложные тепловые аномалии, тепловая аэросъемка теплосетей проводится в пасмурную погоду глубокой осенью или ранней весной на высоте полета около 300 м. Для увеличения достоверности интерпретации материалов тепловой аэросъемки одновременно проводится аэрофотосъемка сопровождения с помощью современных цифровых фотоаппаратов. Аэрофотоснимки имеют лучшее геометрическое разрешение и позволяют более уверенно идентифицировать аномалии теплосетей и отделить различные ложные аномалии, например связанные с солнечным нагревом. Все эти положения относятся и к тепловым аномалиям верхних ограждений зданий. По сравнению с теплосетями эти аномалии менее контрастны и могут иметь любую форму.
Бортовая цифровая информация – тепловизионная, фотосъемочная, навигационная – в дальнейшем обрабатывается по специальным программам, позволяющим осуществить вывод тепловых и фотоизображений, их геометрическую и радиометрическую коррекцию, постро-
ить тепловые карты города и отдельных районов, создать каталоги тепловых и аэрофотоснимков с привязкой к цифровой карте города.
Наиболее детально были проанализированы результаты аэросъемки 2011 года городских районов южнее реки Невы, Васильевского острова, а также некоторые материалы прошлых лет. Анализ материалов аэросъемки начинается с тепловой карты, на которой могут быть выделены площади или группы строений для детальной интерпретации. На тепловой карте и ее увеличенных фрагментах хорошо видны участки подземных теплосетей, четко выделяются отдельные дома с высокими общими потерями тепла, дома с удовлетворительной изоляцией верхних ограждений, мощные выносы из вентиляционных каналов зданий. Последние характеризуются правильной структурой местоположения и хорошо видны на аэрофотоснимках. Можно сразу выявить дома с высокими потерями тепла, где прежде всего можно ожидать образования наледей.
В качестве примера на рис. 1 представлен тепловой аэроснимок участка старой застройки. Представляют интерес интенсивные локальные аномалии на двух углах обширного квадратного в плане здания. На аэрофотоснимке (не приводится) не удается идентифицировать аномалии с вентиляционными каналами, и, скорее всего, они связаны с очень сильно нагретыми объектами в чердачном помещении. Этот вывод подтверждается анализом максимально увеличенного (до “развала на пикселы”)
Рис. 1. Тепловой аэроснимок участка старой застройки. Видны интенсивные локальные аномалии на углах здания (наилучшая наглядность имеет место в цветной палитре).
78 “Оптический журнал”, 79, 12, 2012
При наличии детальной цифровой топогра-
фической карты города привязка выявленных
аэросъемкой аномалий легко осуществляется
с помощью существующих специализирован-
ных программ, разработанных для контро-
ля состояниия подземных систем теплоснаб-
жения.
Результаты анализа большого фактиче-
ского материала тепловой аэросъемки Санкт-
Петербурга позволяют сделать достаточно обо-
снованные практические выводы.
Тепловая аэросъемка может оказать суще-
ственную помощь в борьбе с наледями, так как
она способна локализовать участки верхних
ограждений зданий, наиболее подверженные
образованию наледей.
Обнаружение этих участков позволит го-
родским службам ЖКХ принять превентивные
меры против образования наледей.
Наиболее достоверная интерпретация мате-
риалов тепловой аэросъемки и аэрофотосъемки
Рис. 2. Тепловой аэроснимок крупного торгово-развлекательного комплекса с аномалиями различной интенсивности.
сопровождения может быть достигнута только при совместной работе со специалистами районов, хорошо знакомыми с конкретным состоя-
нием обследуемых зданий.
Внедрение метода не потребует от районных
администраций значительных затрат, так как
теплового аэроснимка – здесь видно “располза- будут использованы уже имеющиеся материа-
ние” аномалии с уменьшением интенсивности. лы тепловой аэросъемки подземных систем те-
Площади, занимаемые аномалиями, несомнен- плоснабжения.
но, благоприятны для образования наледей.
Тепловая аэросъемка и аэрофотосъемка со-
Рисунок 2 – тепловой аэроснимок хозяй- провождения могут быть полезны при решении
ственного здания (торгово-развлекательный других задач городского хозяйства, например,
комплекс). Интенсивная тепловая аномалия при оценке эффективности мероприятий по
наблюдается в верхней части строения, при- улучшению теплоизоляции жилых и промыш-
мерно на одной трети длины от начала; наибо- ленных зданий, как это делается для подзем-
лее нагретая часть расположена ближе к краю ных теплотрасс [3].
здания; слабо аномальные зоны отмечаются
Наличие значительного количества “лож-
вблизи интенсивной аномалии и в средней ча- ных” аномалий, пестрая “температурная кар-
сти здания. Анализируя аэрофотоснимок со- тина” крыш (например, только что покрытые
провождения (не приводится), можно сделать оцинкованным железом участки выглядят
вывод, что аномалии не связаны с какими-либо очень холодными из-за низкого коэффициента
объектами на крыше и обусловлены только по- излучения, однако это не означает отсутствия
терями тепла от какой-то теплоэнергетической утечек тепла) ухудшают достоверность интер-
установки и плохой изоляцией. Наиболее опас- претации. Поэтому целесообразно рассмотреть
ными, с точки зрения интенсивного таяния возможность проведения аэросъемки в ночное
снега и формирования наледей, является зона время, как это делают в Москве, или улуч-
яркой интенсивной тепловой аномалии.
шить геометрическое разрешение тепловизора
Следует отметить, что для подобного типа и аэрофотоаппарата. По последнему пути идет
сооружений информация, полученная при те- аэросъемочное предприятие “Аэроэкология”.
пловой аэросъемке, имеет очень важное зна-
Исследования выполнены при финансовой
чение. Это показали аварии снежной зимы поддержке гранта Комитета по науке и высшей
2010–2011 гг. (обрушение крыш в больших школе Правительства Санкт-Петербурга (дого-
торговых комплексах и т. п.).
вор № 439/11 от 14.1 1.2011 г.).
*****
“Оптический журнал”, 79, 12, 2012
79
ЛИТЕРАТУРА
1. Шилин Б.В., Молодчинин И.А. Контроль состояния окружающей среды тепловой аэросъемкой. М.: Недра, 1992. 76 с.
2. Груздев В.Н., Зайцев В.В., Шилин Б.В. Развитие технических средств и методики тепловой аэросъемки // Труды Междунар. конф. “Прикладная оптика-2008” (СПб., 20–24 октября 2008 г.) Т. 3. С. 251–258.
3. Шилин Б.В., Груздев В.Н., Хотяков В.В. Теплоэнергетика: вид сверху // Берг-коллегия. 2006. Т. 29. № 2. С. 48–49.
80 “Оптический журнал”, 79, 12, 2012
УДК 621. 384.3: 528. 711
ТЕПЛОВАЯ АЭРОСЪЕМКА КАК МЕТОД ПРЕВЕНТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ НАЛЕДЕЙ НА КРЫШАХ
© 2012 г. Б. В. Шилин, доктор геол.-мин. наук; В. Н. Груздев
Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН, Санкт-Петербург
E-mail: vicgruz@gmail.com
В последние годы средства массовой информации и Администрация СанктПетербурга отмечают исключительную актуальность разработки новых методов борьбы с наледями на крышах. Тепловая аэросъемка может быть использована как превентивный метод обнаружения участков тепловых аномалий на верхних ограждающих конструкциях зданий, где возможно образование наледей.
Ключевые слова: тепловизор, тепловая аэросъемка, теплопотери зданий.
Коды OCIS: 110.3080, 120.1880.
Поступила в редакцию 16.03.2012.
Важнейшей в проблеме энергоэффективности и энергосбережения является задача разработки быстрых и объективных методов контроля. Такой метод – инфракрасная (или тепловая) аэросъемка разработан в последние десятилетия учеными и инженерами нашего города. Была создана и освоена промышленностью отечественная тепловизионная аппаратура, размещаемая на авианосителях; разработана методика тепловой аэросъемки и интерпретации ее результатов. В первую очередь последнее относится к контролю состояния подземных систем теплоснабжении [1]. Первые работы в нашем городе были выполнены в 1986 году с отечественным авиационным тепловизором “Вулкан”. С 2003 года тепловая аэросъемка Васильевского острова, Петроградской стороны и всех районов южнее р. Невы по заказу “Теплосетей Санкт-Петербурга” проводится ежегодно. Новейший отечественный авиационный тепловизор “Малахит” [2] с полем обзора 120 позволяет выполнять аэросъемку большей площади, т. е. в поле зрения аэросъемки попадают не только теплосети, но и все городские объекты.
Предварительный просмотр материалов тепловой аэросъемки последних лет показывает, что на них могут быть выделены участки аномальных теплопотерь верхних частей ограждающих конструкций (крыш) зданий, а именно эти участки являются наиболее благоприятны-
ми местами образования наледей из-за повышенного теплового потока.
Тепловая аэросъемка регистрирует температурное поле земной поверхности в виде изображения (аэроснимка), контрасты которого являются функцией температуры. Современные авиационные тепловизоры фиксируют температурное поле с высоким геометрическим (для тепловизора “Малахит” это примерно 30 см при высоте полета 250 м) и высоким температурным (десятые доли градуса) разрешением, т. е. на земной поверхности могут быть зафиксированы малоразмерные и малоконтрастные объекты*. Это предопределило высокую эффективность и широкое внедрение тепловой аэросъемки для целей диагностики состояния подземных городских систем теплоснабжения. Теплотрассы в целом и их аномальные зоны, связанные с предаварийными и аварийными участками, уверенно регистрируются тепловой аэросъемкой [1].
Кроме теплотрасс, и многие другие объекты городской инфраструктуры характеризуются наличием аномалий на тепловых аэроснимках. Это, в первую очередь, промышленные предприятия и объекты энергетики с большими потерями тепла; заметные аномалии наблюда-
* Тепловизор “Вулкан” при той же температурной чувствительности имеет геометрическое разрешение примерно 1,8 мрад и поле обзора 90.
“Оптический журнал”, 79, 12, 2012
77
ются над многими объектами гражданской застройки. Как известно, это в основном связано с такими техническими нарушениями, как плохая изоляция “верхнего розлива”, вывод вентиляционных каналов на чердак, плохая изоляция кровли и т. п. За счет возникающих по этим причинам теплопотерь формируются стационарные тепловые аномалии на различных участках верхних ограждений зданий. Эти аномалии и являются участками, наиболее благоприятными для образования наледей.
Для оценки эффективности применения тепловой аэросъемки при решении задачи борьбы с наледями были использованы материалы тепловой аэросъемки, полученные при исследовании состояния подземных систем теплоснабжения Санкт-Петербурга. Такие работы выполняются в нашем городе с 2003 года регулярно в режиме мониторинга (в 2011 году дважды – весной и осенью). Технические характеристики отечественного серийного авиационного тепловизора “Малахит” позволяют эффективно и экономично проводить площадную тепловую аэросъемку города, как это делается при аэрофотосъемке. При этом формируется площадная тепловая карта города, где находят отображение все объекты теплоэнергетики города и его инфраструктуры, т. е. все верхние ограждающие конструкции зданий (крыши).
Для уменьшения влияния солнечного нагрева, создающего ложные тепловые аномалии, тепловая аэросъемка теплосетей проводится в пасмурную погоду глубокой осенью или ранней весной на высоте полета около 300 м. Для увеличения достоверности интерпретации материалов тепловой аэросъемки одновременно проводится аэрофотосъемка сопровождения с помощью современных цифровых фотоаппаратов. Аэрофотоснимки имеют лучшее геометрическое разрешение и позволяют более уверенно идентифицировать аномалии теплосетей и отделить различные ложные аномалии, например связанные с солнечным нагревом. Все эти положения относятся и к тепловым аномалиям верхних ограждений зданий. По сравнению с теплосетями эти аномалии менее контрастны и могут иметь любую форму.
Бортовая цифровая информация – тепловизионная, фотосъемочная, навигационная – в дальнейшем обрабатывается по специальным программам, позволяющим осуществить вывод тепловых и фотоизображений, их геометрическую и радиометрическую коррекцию, постро-
ить тепловые карты города и отдельных районов, создать каталоги тепловых и аэрофотоснимков с привязкой к цифровой карте города.
Наиболее детально были проанализированы результаты аэросъемки 2011 года городских районов южнее реки Невы, Васильевского острова, а также некоторые материалы прошлых лет. Анализ материалов аэросъемки начинается с тепловой карты, на которой могут быть выделены площади или группы строений для детальной интерпретации. На тепловой карте и ее увеличенных фрагментах хорошо видны участки подземных теплосетей, четко выделяются отдельные дома с высокими общими потерями тепла, дома с удовлетворительной изоляцией верхних ограждений, мощные выносы из вентиляционных каналов зданий. Последние характеризуются правильной структурой местоположения и хорошо видны на аэрофотоснимках. Можно сразу выявить дома с высокими потерями тепла, где прежде всего можно ожидать образования наледей.
В качестве примера на рис. 1 представлен тепловой аэроснимок участка старой застройки. Представляют интерес интенсивные локальные аномалии на двух углах обширного квадратного в плане здания. На аэрофотоснимке (не приводится) не удается идентифицировать аномалии с вентиляционными каналами, и, скорее всего, они связаны с очень сильно нагретыми объектами в чердачном помещении. Этот вывод подтверждается анализом максимально увеличенного (до “развала на пикселы”)
Рис. 1. Тепловой аэроснимок участка старой застройки. Видны интенсивные локальные аномалии на углах здания (наилучшая наглядность имеет место в цветной палитре).
78 “Оптический журнал”, 79, 12, 2012
При наличии детальной цифровой топогра-
фической карты города привязка выявленных
аэросъемкой аномалий легко осуществляется
с помощью существующих специализирован-
ных программ, разработанных для контро-
ля состояниия подземных систем теплоснаб-
жения.
Результаты анализа большого фактиче-
ского материала тепловой аэросъемки Санкт-
Петербурга позволяют сделать достаточно обо-
снованные практические выводы.
Тепловая аэросъемка может оказать суще-
ственную помощь в борьбе с наледями, так как
она способна локализовать участки верхних
ограждений зданий, наиболее подверженные
образованию наледей.
Обнаружение этих участков позволит го-
родским службам ЖКХ принять превентивные
меры против образования наледей.
Наиболее достоверная интерпретация мате-
риалов тепловой аэросъемки и аэрофотосъемки
Рис. 2. Тепловой аэроснимок крупного торгово-развлекательного комплекса с аномалиями различной интенсивности.
сопровождения может быть достигнута только при совместной работе со специалистами районов, хорошо знакомыми с конкретным состоя-
нием обследуемых зданий.
Внедрение метода не потребует от районных
администраций значительных затрат, так как
теплового аэроснимка – здесь видно “располза- будут использованы уже имеющиеся материа-
ние” аномалии с уменьшением интенсивности. лы тепловой аэросъемки подземных систем те-
Площади, занимаемые аномалиями, несомнен- плоснабжения.
но, благоприятны для образования наледей.
Тепловая аэросъемка и аэрофотосъемка со-
Рисунок 2 – тепловой аэроснимок хозяй- провождения могут быть полезны при решении
ственного здания (торгово-развлекательный других задач городского хозяйства, например,
комплекс). Интенсивная тепловая аномалия при оценке эффективности мероприятий по
наблюдается в верхней части строения, при- улучшению теплоизоляции жилых и промыш-
мерно на одной трети длины от начала; наибо- ленных зданий, как это делается для подзем-
лее нагретая часть расположена ближе к краю ных теплотрасс [3].
здания; слабо аномальные зоны отмечаются
Наличие значительного количества “лож-
вблизи интенсивной аномалии и в средней ча- ных” аномалий, пестрая “температурная кар-
сти здания. Анализируя аэрофотоснимок со- тина” крыш (например, только что покрытые
провождения (не приводится), можно сделать оцинкованным железом участки выглядят
вывод, что аномалии не связаны с какими-либо очень холодными из-за низкого коэффициента
объектами на крыше и обусловлены только по- излучения, однако это не означает отсутствия
терями тепла от какой-то теплоэнергетической утечек тепла) ухудшают достоверность интер-
установки и плохой изоляцией. Наиболее опас- претации. Поэтому целесообразно рассмотреть
ными, с точки зрения интенсивного таяния возможность проведения аэросъемки в ночное
снега и формирования наледей, является зона время, как это делают в Москве, или улуч-
яркой интенсивной тепловой аномалии.
шить геометрическое разрешение тепловизора
Следует отметить, что для подобного типа и аэрофотоаппарата. По последнему пути идет
сооружений информация, полученная при те- аэросъемочное предприятие “Аэроэкология”.
пловой аэросъемке, имеет очень важное зна-
Исследования выполнены при финансовой
чение. Это показали аварии снежной зимы поддержке гранта Комитета по науке и высшей
2010–2011 гг. (обрушение крыш в больших школе Правительства Санкт-Петербурга (дого-
торговых комплексах и т. п.).
вор № 439/11 от 14.1 1.2011 г.).
*****
“Оптический журнал”, 79, 12, 2012
79
ЛИТЕРАТУРА
1. Шилин Б.В., Молодчинин И.А. Контроль состояния окружающей среды тепловой аэросъемкой. М.: Недра, 1992. 76 с.
2. Груздев В.Н., Зайцев В.В., Шилин Б.В. Развитие технических средств и методики тепловой аэросъемки // Труды Междунар. конф. “Прикладная оптика-2008” (СПб., 20–24 октября 2008 г.) Т. 3. С. 251–258.
3. Шилин Б.В., Груздев В.Н., Хотяков В.В. Теплоэнергетика: вид сверху // Берг-коллегия. 2006. Т. 29. № 2. С. 48–49.
80 “Оптический журнал”, 79, 12, 2012