呂 威，王 珅，吳婧姝，朱紅光

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083； 2.中冶建筑研究總院有限公司，北京 100088)

我國(guó)現(xiàn)存的歷史保護(hù)建筑多為磚木結(jié)構(gòu)，是近代民用建筑典型結(jié)構(gòu)形式[1]。由于經(jīng)年累月的風(fēng)吹日曬雨淋以及地震影響、人為作用等因素，歷史文物建筑的砌體墻表面普遍存在風(fēng)化、缺損、裂縫等缺陷。文物保護(hù)勘查和安全評(píng)估工作中常常需要對(duì)這些缺陷的范圍和程度進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)。

歷史文物建筑具有唯一性和不可再生性，根據(jù)文物保護(hù)的“最小干預(yù)原則”，文物建筑的安全性檢測(cè)應(yīng)盡可能采用無(wú)損或微損的檢測(cè)手段。紅外檢測(cè)技術(shù)是一種非接觸性的檢測(cè)技術(shù)，目前應(yīng)用范圍較廣，但在歷史文物建筑勘查和安全評(píng)估中的應(yīng)用場(chǎng)景尚不明確。國(guó)內(nèi)外對(duì)紅外檢測(cè)技術(shù)在歷史建筑缺陷檢測(cè)方面的研究已有不少[2-7]。Y.Yamano等探索了紅外熱成像技術(shù)在崖壁時(shí)刻文物檢測(cè)應(yīng)用的可行性，并利用紅外熱像儀對(duì)崖壁片落病害進(jìn)行了檢測(cè)。2010年，吳育華等利用紅外熱像儀對(duì)廣西花山巖畫的病害進(jìn)行了檢測(cè)[8]。2016年，劉一等提出了一種基于紅外圖像的建筑物外墻裂縫檢測(cè)方法[9]，該方法可以對(duì)此缺陷進(jìn)行定量分析?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)沒(méi)有對(duì)歷史建筑的磚砌墻體風(fēng)化在紅外檢測(cè)中的溫度分布規(guī)律和變化特征方面進(jìn)行研究，且對(duì)墻體缺損的程度在紅外角度的體現(xiàn)沒(méi)有細(xì)致的研究。

基于紅外檢測(cè)技術(shù)的非接觸性和易操作性，將其應(yīng)用于勘查和評(píng)判歷史文物建筑磚砌墻體的風(fēng)化范圍和程度，對(duì)各類缺陷進(jìn)行有效識(shí)別具有巨大的技術(shù)前景。因此開(kāi)展對(duì)歷史文物建筑磚砌墻體在紅外條件下的表面溫度分布特征這類基礎(chǔ)性研究是十分有必要的。本文對(duì)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)案例的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究缺陷部位墻面在紅外條件下的溫度分布特征，提出一種墻面風(fēng)化表面的識(shí)別方法，為紅外檢測(cè)技術(shù)在歷史文物建筑缺陷勘查和評(píng)估的后續(xù)研究、設(shè)備研發(fā)和實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 紅外熱像法識(shí)別風(fēng)化缺陷的原理

1.1 紅外熱成像的基本原理

任何高于絕對(duì)零度(-273 ℃)的物體都會(huì)發(fā)出熱輻射，當(dāng)溫度較低時(shí)，熱輻射以不可見(jiàn)的紅外光形式進(jìn)行傳播，借助紅外熱像儀進(jìn)行探測(cè)后，可將電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并以紅外熱像圖的形式將物體表面的溫度分布情況呈現(xiàn)出來(lái)[10]。

被檢測(cè)物表面受到熱輻射作用后，溫度升高。在材料均勻的區(qū)域，材料的熱學(xué)特性相近，溫度升高的值大致相等；當(dāng)物體表面發(fā)生了一系列的物理、化學(xué)變化，導(dǎo)致該區(qū)域的材料發(fā)生劣化，材料均勻度下降，導(dǎo)熱系數(shù)、密度、平均比熱容發(fā)生變化，在相同強(qiáng)度的外部激勵(lì)熱源的作用下，物體表面溫度變化也呈現(xiàn)出不均勻性。

1.2 墻體表面風(fēng)化部位的傳熱原理

熱傳導(dǎo)過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，由于組成材料復(fù)雜、傳導(dǎo)過(guò)程非穩(wěn)態(tài)、工況復(fù)雜，熱傳導(dǎo)方程的求解變得極其繁雜。王永茂等[11]對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)化，將三維傳熱問(wèn)題簡(jiǎn)化為一維勻質(zhì)平板的熱傳導(dǎo)，得出了平面表面溫度隨時(shí)間變化的解析式，該式表明同一平面在太陽(yáng)輻射的作用下，溫差來(lái)源于平面不同部分的材料導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散系數(shù)的不同。

磚墻的風(fēng)化往往會(huì)使得墻磚表面出現(xiàn)酥化現(xiàn)象，表面結(jié)構(gòu)疏松多孔。在這樣的表層結(jié)構(gòu)中存在大量的空氣，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)及密度極低，因此使得風(fēng)化表面的平均導(dǎo)熱系數(shù)、熱擴(kuò)散率及比熱容低于正常表面，在同樣的熱荷載作用下，風(fēng)化表面的溫度理論上更高。利用紅外熱像法對(duì)風(fēng)化區(qū)域進(jìn)行識(shí)別具有可行性。

2 風(fēng)化磚墻的溫度分布特征研究

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象及方法

北大人民醫(yī)院白塔寺院區(qū)的前身是北京中央醫(yī)院，始建于1918年，位于西城區(qū)阜成門內(nèi)大街133號(hào)，現(xiàn)為北京市西城區(qū)文物保護(hù)單位。該建筑的結(jié)構(gòu)形式為磚混結(jié)構(gòu)，磚墻承重，磚墻由青磚+白灰砂漿砌筑。本次選取的試驗(yàn)對(duì)象為該院主樓西側(cè)外墻，外墻表面有抹灰，墻面局部抹灰脫落，抹灰脫落處外露青磚表面存在不同程度的風(fēng)化、粉化現(xiàn)象，這一現(xiàn)象在歷史文物建筑中普遍存在。如圖1所示為墻面現(xiàn)狀。

實(shí)驗(yàn)時(shí)天氣晴朗，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較大，墻面受熱充分。在距離目標(biāo)區(qū)域5 m距離架設(shè)紅外熱像儀，對(duì)墻面進(jìn)行精確對(duì)焦、調(diào)節(jié)適當(dāng)?shù)臏y(cè)溫范圍后進(jìn)行拍攝，同時(shí)記錄環(huán)境濕度、溫度。

測(cè)試儀器為InfReC R550，紅外波長(zhǎng)范圍8 μm～14 μm；測(cè)量溫度范圍：-40 ℃～650 ℃；溫度分辨率：0.025 ℃；測(cè)量精度：±1 ℃；分辨率：640×480像素。該設(shè)備符合JGJ/T 277—2012紅外熱像法檢測(cè)建筑外墻飾面粘結(jié)質(zhì)量技術(shù)規(guī)程[12]規(guī)定的建筑用紅外熱像儀技術(shù)參數(shù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 風(fēng)化區(qū)域與完好區(qū)域紅外熱像對(duì)比

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，實(shí)驗(yàn)墻面包括抹面完好區(qū)域、抹面脫落外露磚墻風(fēng)化區(qū)域，且外露區(qū)域的風(fēng)化程度不盡相同。如圖2，圖3所示為含風(fēng)化墻面的紅外熱像圖與可見(jiàn)光圖的對(duì)照。

通過(guò)紅外熱像圖與可見(jiàn)光圖的對(duì)照，磚墻外露區(qū)域和抹灰起皮疏松區(qū)域處于高溫狀態(tài)，而抹灰完好處始終處于低溫狀態(tài),初步確定風(fēng)化墻面的溫度分布特征，初步判定風(fēng)化區(qū)域處于高溫區(qū)，正常墻面處于低溫區(qū)。

將所得紅外熱像數(shù)據(jù)用NS9500 Standard軟件進(jìn)行后處理，選取圖2和圖3中的典型區(qū)域進(jìn)行溫度提取，取墻體中含風(fēng)化表面的局部區(qū)域若干，提取出該區(qū)域內(nèi)的各項(xiàng)溫度信息,各項(xiàng)信息如表1所示。

表1 典型區(qū)域的溫度信息

在墻體上從上到下等距取8個(gè)抹面完好的區(qū)域面積，提取相應(yīng)的溫度信息作為對(duì)比，如表2所示。

表2 正常區(qū)域的溫度信息

表1，表2中的數(shù)據(jù)表明，含風(fēng)化表面的區(qū)域最高溫度范圍為35.58 ℃～37.40 ℃，平均溫度的范圍為32.63 ℃～34.52 ℃；正常區(qū)域最高溫度范圍33.72 ℃～34.72 ℃，平均溫度的范圍為31.91 ℃～33.10 ℃，由此可以看出，風(fēng)化表面的存在普遍提高了局部區(qū)域的溫度，與理論分析的結(jié)果一致。

2.2.2 風(fēng)化缺陷識(shí)別的溫度閾值

在后處理軟件中，將紅外熱像圖和可見(jiàn)光圖進(jìn)行配準(zhǔn)后，我們用多邊形工具選取實(shí)際的風(fēng)化表面，軟件可以計(jì)算出所選范圍的像素?cái)?shù)，然后調(diào)節(jié)透明度和顯示溫度的最低閾值，當(dāng)風(fēng)化表面基本被彩色覆蓋時(shí)，以該最低溫度閾值作為風(fēng)化識(shí)別的最佳識(shí)別溫度。如圖4所示為風(fēng)化表面選區(qū)及調(diào)整溫度閾值后的對(duì)比圖。

按照這一判定方法，我們對(duì)上述8個(gè)含風(fēng)化表面的區(qū)域進(jìn)行最佳識(shí)別溫度的選取，選取結(jié)果如表3所示。

表3 風(fēng)化選區(qū)最佳識(shí)別溫度及識(shí)別率

表3中數(shù)據(jù)顯示，本文提到的利用最佳識(shí)別溫度作為風(fēng)化區(qū)域的識(shí)別溫度閾值的識(shí)別率大多數(shù)在90%以上，識(shí)別效果良好。

2.3 溫度閾值的計(jì)算方法

從紅外熱像圖中我們可以很容易地獲得目標(biāo)區(qū)域的溫度最值、平均值，可以通過(guò)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)獲取風(fēng)化表面識(shí)別的最佳溫度閾值。從2.2節(jié)我們已經(jīng)知道，同一區(qū)域內(nèi)，風(fēng)化表面的溫度高于正常表面，風(fēng)化表面在區(qū)域內(nèi)的占比、風(fēng)化程度會(huì)影響區(qū)域的溫度最值、平均值；同時(shí)，風(fēng)化表面的不同同樣影響溫度閾值的選擇。因此我們認(rèn)為溫度閾值的選擇與區(qū)域的溫度最值、平均值有一定的聯(lián)系。下面利用Origin數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)溫度閾值與最值、平均值進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。適用于Pearson相關(guān)性分析的數(shù)據(jù)需服從于正態(tài)分布，各項(xiàng)數(shù)據(jù)在顯著性為5%水平下的正態(tài)分布檢驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 溫度數(shù)據(jù)正態(tài)性檢驗(yàn)

通過(guò)正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果可知，各項(xiàng)數(shù)據(jù)在顯著性水平為5%時(shí)是服從于正態(tài)分布的，因此可對(duì)其進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析，顯著性水平為5%。分析結(jié)果如表5所示。

表5 Pearson相關(guān)性分析結(jié)果

根據(jù)分析結(jié)果可以看出，在顯著性5%水平下，溫度閾值與區(qū)域的平均溫度呈強(qiáng)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.911。因此，利用區(qū)域的平均溫度求得溫度閾值具有可行性。

我們以平均溫度為自變量、溫度閾值為因變量分別進(jìn)行線性擬合和二次多項(xiàng)式擬合，擬合結(jié)果如圖5所示。

從擬合優(yōu)度來(lái)看，二次多項(xiàng)式擬合的效果更佳。由擬合曲線得出的平均溫度與溫度閾值之間的關(guān)系為：

在選取含風(fēng)化表面的區(qū)域后，可以利用該公式計(jì)算區(qū)域內(nèi)風(fēng)化的面積及所占比例，為墻面的風(fēng)化程度評(píng)判提供數(shù)據(jù)支撐。

3 風(fēng)化表面的識(shí)別與評(píng)估

在2.3節(jié)中，我們得出了識(shí)別含風(fēng)化表面區(qū)域內(nèi)風(fēng)化缺陷的溫度閾值計(jì)算公式。給定一個(gè)溫度矩陣，計(jì)算出區(qū)域的平均溫度。將平均溫度代入溫度閾值計(jì)算公式得到給定區(qū)域的閾值，利用閾值分割法進(jìn)行圖像分割：

進(jìn)行閾值分割后的二值圖像中，白色區(qū)域表示風(fēng)化表面，黑色區(qū)域?yàn)榉秋L(fēng)化表面。

下面利用本文方法對(duì)墻面的風(fēng)化區(qū)進(jìn)行識(shí)別。在實(shí)驗(yàn)墻面選取10個(gè)隨機(jī)大小的含風(fēng)化表面的區(qū)域，根據(jù)可見(jiàn)光圖統(tǒng)計(jì)各區(qū)域內(nèi)實(shí)際風(fēng)化表面的大小，并計(jì)算風(fēng)化面積的占比，然后利用基于本文閾值計(jì)算的圖像分割方法，得到風(fēng)化表面的識(shí)別圖像，同時(shí)計(jì)算識(shí)別的風(fēng)化表面面積及占比，并得出識(shí)別準(zhǔn)確率。

如圖6，圖7所示為墻面選區(qū)及其風(fēng)化表面圖像分割結(jié)果。

通過(guò)上面的二值圖像，我們很容易觀察出風(fēng)化面積的大小和邊界。除此之外，利用圖像分割后的數(shù)據(jù)可以對(duì)風(fēng)化面積進(jìn)行定量分析，如表6所示為實(shí)際風(fēng)化面積與通過(guò)計(jì)算溫度閾值識(shí)別出的風(fēng)化面積，并得出本文方法的識(shí)別準(zhǔn)確率。

表6 識(shí)別準(zhǔn)確性驗(yàn)證

根據(jù)識(shí)別結(jié)果可知，利用本文方法識(shí)別風(fēng)化表面面積的準(zhǔn)確率在90%以上，識(shí)別效果良好。

4 結(jié)論

本文通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

1)在同樣的太陽(yáng)輻射條件下，風(fēng)化磚表面酥化，結(jié)構(gòu)疏松多孔，磚體的導(dǎo)熱性能和比熱容顯著降低，因此風(fēng)化磚表面與正常區(qū)域存在較大的溫差，利用紅外熱像法對(duì)風(fēng)化區(qū)域進(jìn)行識(shí)別具有可行性。

2)利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析含風(fēng)化表面的區(qū)域溫度分布特征與最佳識(shí)別溫度之間的規(guī)律，提出根據(jù)區(qū)域的平均溫度推算識(shí)別風(fēng)化表面溫度閾值的經(jīng)驗(yàn)公式：

3)對(duì)比一定區(qū)域內(nèi)實(shí)際的風(fēng)化面積與識(shí)別的風(fēng)化面積，驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算所得溫度閾值對(duì)風(fēng)化表面識(shí)別的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，根據(jù)本文方法識(shí)別風(fēng)化表面的準(zhǔn)確率在90%以上，有良好的識(shí)別效果。