[文獻速遞]基于熱紅外成像的巖畫空鼓邊界檢測方法研究

新用戶5761CeW4 2025-05-02

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前言

親愛的父老鄉(xiāng)親、親朋好友們大家好。許久未見，甚是想念。不知大家最近過得如何，希望大家都順順利利吧。

鄰近畢業(yè)季，同門師兄弟文章錄用的消息紛至沓來。個人感覺幾位準碩士們的工作都很有新意的，因此在這里分享一下。

摘要

針對現(xiàn)有巖畫空鼓病害邊界檢測精度不足的問題，使用熱紅外成像獲取二維溫度場數(shù)據(jù)，結(jié)合傅里葉定律重構(gòu)熱流密度場，構(gòu)建高斯函數(shù)模型表征的溫度分布，通過參數(shù)敏感性分析，提出以熱積比率為核心的寬度判斷依據(jù)，建立空鼓邊界的量化識別準則。為驗證所提方法的有效性，在大麥地巖畫中采用硬度測試法與所提方法開展 50組對比實驗，結(jié)果表明，離散采樣的硬度法受到探針尺寸和標尺分度限制，邊界插值誤差達±1.5 cm，且難以實現(xiàn)連續(xù)邊界刻畫。相較之下，所提方法通過高斯模型解析特征線的溫度分布，提升空鼓邊界空間分辨率，實現(xiàn)連續(xù)病害表征。

研究背景

巖畫是一種石刻文化，人類祖先以石器作為工具，用粗獷、古樸、自然的方法進行石刻，以描繪、記錄他們的生產(chǎn)方式和生活內(nèi)容。

大麥地巖畫

在長期自然因素的風化作用下，巖畫會出現(xiàn)各種病害。相較于其他巖畫病害，空鼓病害對巖畫的危害程度較大，可能使巖畫表面脫落和損壞，并且空鼓病害的范圍和程度難以直觀觀察和描述。巖畫由于其文物的特殊性，采用傳統(tǒng)地學方法易對巖畫本體產(chǎn)生擾動，破壞文物的完整性，不符合文物保護的理念。因此，尋找創(chuàng)新方法來精確識別和定位空鼓病害，并據(jù)此制定有針對性的保護策略具有重要意義。

紅外熱波無損檢測技術(shù)通過主動或被動激勵獲取物體表面的熱響應(yīng)信息，以達到檢測材料表面損傷和內(nèi)部缺陷的目的。近年來，該技術(shù)已成為材料缺陷檢測的重要手段。然而，紅外熱成像技術(shù)在文物檢測領(lǐng)域的應(yīng)用仍相對較少，尤其在巖畫、壁畫等文化遺產(chǎn)的空鼓和分層病害檢測方面，其適用性和精度仍需進一步驗證。由于巖石表面的非均勻熱傳導特性和空鼓區(qū)域的復雜幾何形態(tài)，這些方法對不規(guī)則形狀缺陷的熱敏感性不足，降低了缺陷邊界識別的精度。為解決上述問題，本文基于熱傳導學理論，分析空鼓區(qū)域的溫度分布，提出一種基于熱紅外敏感參數(shù)與空鼓寬度擬合的邊界識別方法。

方法

通過紅外熱成像儀拍攝含有空鼓的巖石，獲得熱紅外成像圖，該圖可反映巖石表層的瞬時溫度分布。為確定空鼓邊界，需要一條穿過空鼓邊界的溫度線。通過該線的溫度分布，可基于溫度分布參數(shù)初步確定空鼓的邊界點。當該線以空鼓中心為起點向外延伸時，稱其為特征線，它能較精確地反映空鼓區(qū)域的熱響應(yīng)特性。在空鼓區(qū)域內(nèi)，可以繪制多條特征線，通過這些特征線確定空鼓的邊界點，并將這些邊界點連接，從而獲取空鼓的大致邊界形狀。

識別空鼓的關(guān)鍵在于求出含空鼓巖石表面的溫度分布，并基于其溫度分布的參數(shù)值進行空鼓半徑的計算。升溫過程中的空鼓區(qū)域熱傳導簡化模型示意圖如下。

通過公式推導（詳見pdf），發(fā)現(xiàn)空鼓表面的溫度分布曲線可以用高斯分布進行擬合，擬合公式為：

一條特征線上的溫度分布

由特征線溫度分布方程可以得到幾個熱敏感參數(shù)：

1、熱積比率

2、擴散寬度參數(shù)

3、溫度梯度

3、面積比

4、最大溫差

這幾個參數(shù)哪個對空鼓檢測最有效呢，通過數(shù)值模擬計算不同空鼓大小情況該參數(shù)的變化，可以得到參數(shù)對空鼓的敏感性。

數(shù)值模型

得到結(jié)果如下：

空鼓寬度變化下熱敏感參數(shù)與其敏感性分析圖

可以發(fā)現(xiàn)，熱積比率 R 在 5個熱敏感參數(shù)中表現(xiàn)出最佳的敏感性和適用性，它對空鼓寬度 X變化敏感，且保持較高的穩(wěn)定性，適合作為主要參數(shù)表征空鼓寬度。同時發(fā)現(xiàn)在不同升溫階段，R與空鼓寬度存在不同擬合關(guān)系。

升溫階段劃分

不同階段下熱積比率與空鼓寬度的關(guān)系

最后得到空鼓寬度與熱積比率的擬合公式如下

在實際使用過程中，首先采用紅外熱像儀對含空鼓病害的巖畫表面進行紅外輻射數(shù)據(jù)采集，獲取紅外熱成像圖；其次通過對紅外熱成像圖進行預處理和特征提取，獲取表面特征線的溫度分布曲線；基于熱傳導理論，對熱紅外溫度分布特性進行高斯函數(shù)擬合，建立熱擴散數(shù)學模型并求解熱積比率參數(shù) R；最終結(jié)合特征線提取與熱積比率 R，計算空鼓邊界點的響應(yīng)位置，實現(xiàn)空鼓寬度 X的計算。

熱紅外空鼓計算方法流程

方法驗證

將大麥地現(xiàn)場的硬度測試結(jié)果和所提方法的空鼓邊界識別結(jié)果進行對比，可以驗證由參數(shù) R 推導出的邊界點是否準確。兩種方法得到的空鼓邊界如下圖所示。

利用硬度計在空鼓邊界處的測量布置與方法

紅外熱成像與硬度測試法在巖畫空鼓檢測中的對比

主要結(jié)論

1、含空鼓巖石的特征線溫度分布曲線呈現(xiàn)典型的高斯分布：通過熱紅外成像對溫度分布的高斯擬合分析，發(fā)現(xiàn)空鼓區(qū)域的溫度分布在特征線上表現(xiàn)出典型的高斯曲線形態(tài)。

2、基于熱積比率的熱紅外成像計算空鼓邊界的方法，能準確識別空鼓的邊界點。這些參數(shù)能有效區(qū)分空鼓區(qū)域與未空鼓區(qū)域，尤其在熱傳導差異顯著的區(qū)域邊界表現(xiàn)出較高的準確性。

3、通過現(xiàn)場照片結(jié)合大麥地現(xiàn)場的硬度測試結(jié)果，空鼓表面硬度在空鼓邊界點附近呈下降趨勢，驗證了基于熱積比率的邊界識別方法的可靠性。

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