红外热成像应用基础

8.2.1　红外热成像应用基础

石质文物局部危岩体的分布范围调查是研究工作中的一项重要内容。本次调查除了采用传统的工程地质方法进行裂隙研究外，还利用了红外热成像对裂隙病害、危岩体及修补体进行了辨识。

在文物保护中，许多部位难以近距离观察，特别是已经开放、每天有大量游人参观的遗址，需要借助间接的手段对危岩体发育进行调查。另外，许多危岩体具有很强的隐蔽性，常规方法在调查过程中主观性较强，结果需要通过检测手段进行校正。

不同介质的热学参数具有明显差异。构成云冈石窟的主要材料有新鲜砂岩、风化砂岩、修补混凝土、空气等，另外在部分时段介质中存在冰和水。对于危岩体而言，控制危岩体发育的结构面导致岩体的不连续性，结构面张开形成相对隔热的空气层（空气的热传导系数为0.023），导致热传导出现明显中断。而山体内部的温度相对恒定，起着缓冲外部温度变化的作用。表8.2为云冈石窟主要构成材料的热学参数。

表8.2　常用介质热学参数表

对于存在结构面的岩体，晚上低温表层受冻，而内部山体热量难以补给表层，有结构面影响的岩体温度将明显低于周边连续体。白天太阳照射导致崖壁表面温度升高，同样有结构面控制的岩体热量难以向山体内部传导，这样崖壁表面热量聚集，导致裂隙岩体温度高于周边（图8.1）。

另外，岩体表面温度的变化与岩石表面风化状态有密切关系。当岩石表面风化比较严重时，岩石结构疏松，内部充填大量空气，会降低岩石的热传导效率。因此，通过对石质文物表面温度场的研究，也可用于辅助评价岩石表面的风化情况。在检测过程中，如果需要明确岩石温度场的异常是由于裂隙形成还是受风化控制，则必须通过其他手段研究是否有结构面的发育。

图8.1　云冈石窟热成像模型

云冈石窟历史上进行过多次维修，例如第11～13窟顶部就有一道类似现代挡土墙的结构，下部坍塌崖壁采用过混凝土支撑等。上述材料与云冈石窟砂岩的热力学参数迥异，因此，通过对温度场的研究也可以对上述修补材料的范围和性质进行分析。

对热成像数据的分析主要通过如下两个方面进行。

（1）某一时刻的温度场异常。如果岩石未遭受破损，岩性相对均匀或成层展布，则在外界温度影响下，岩石表面温度变化应该是均匀和渐变的。当岩石遭受破损，破损岩石的表面温度将出现明显差异。因此，可以通过测试某一散热过程或吸热过程的岩石表面温度场，分析推测出石窟危岩体的分布。

（2）不同时刻的温度变化异常。可以通过对温度变化过程进行分析来研究内部裂隙的张开情况。例如，现场调查已经发现某个位置可能有一危岩体，而裂隙内部情况并不是很清楚的情况下，可以借助温度连续观察来判定危岩体与山体的连结情况。如果温度变化与完整岩石类似，可以认为该裂隙内部基本未张开。如果变化曲线差异非常大，则推断裂隙张开明显。同时，根据温度变化曲线，可以近似推断危岩体的厚度。

下面主要对2011年5月18日的红外影像数据进行分析，该日的大气温度变化曲线见图8.2。

图8.2　云冈石窟2011年5月18日温度变化过程曲线

该日早上属于多云天气，中午以阴天为主，在13：30左右有短时太阳辐射，下午总的说来为阴天。因此，太阳光基本为散射光，不会造成像晴天那种局部曝露部位温度升高非常快而相对荫蔽部位温度保持不变的现象。

该日最高温度约为25℃，上午温度较高，平均在22℃左右，下午温度基本呈直线降低。到监测工作完成，最低温度约为18℃。