Анализ поверхности исторических зданий с использованием наземных гиперспектральных техник

Ключевые слова: Гиперспектральные методы, культурное наследие, определение содержания влаги.

Экспертиза состояния фасадов исторических зданий, является решающей при оформлении документации о культурном наследии. Из‑за большого количества деталей на поверхности большинства исторических поверхностей, ручное сопоставление часто может быть очень длительный и трудоемкий. Поэтому методы дистанционного зондирования, являются лучшим решением. Общая форма и структура здания могут быть получены с помощью оборудования для наземного лазерного сканирования. Лазерный сканер, однако, не подходит для сбора данных, касающихся определенных разрушительных природных процессов, происходящих на поверхности конструкций. Такие пагубные процессы включают атмосферное воздействие, коррозию, засоление и цветущие биологические изменения, например мхов, лишайников, плесени и влаги.

Система гиперспектральных изображений идеально подходит для обнаружения этих изменений. Последовательность изображений в 420–1100 нм 10 нм полосы пропускания и 10 нм шаг приобретается с помощью гиперспектральных систем визуализации. Зарегистрированые изображения, особенно в инфракрасном диапазоне, могут быть очень полезны для выявление областей избыточной влаги на поверхности здания. Измерения содержания влаги имеют особое значение, так как большинство вышеуказанных повреждений, вызванны уровнем влажности выше среднего. Получив последовательность гиперспектральных изображений это можно выполнить простой неконтролируемой классификацией изображений, которые будут указывать участки на которых уровень влаги выше среднего. Эти области могут контролироваться более тщательно и анализируются для определения характера и размера убытков, вызванных влагой. В результате создается изображения, представляющие определенные повреждения на поверхности здания.

1. Документирование конструкций культурного наследия

В настоящее время цифровое документирование конструкций и участков культурного наследия получает гораздо больше внимание. Это объясняется тем, что новые технологии, обеспечивая быстрые и точные результаты становятся широко доступными. Существует большое количество методик, которые позволяют приобретение цифровые данные о размере и форме здания или сооружения. Различают три основных подхода для оптической записи информации, документирования и визуализации конструкций культурного наследия:

1. методы на основе изображений (напр. фотограмметрия): эти методы широко используются для 3D реконструкции архитектурных объектов, для точного моделирования, а в последнее время также для точного и детального моделирование сложных объектов с использованием неспециализированных цифровых камер.

2. На основе методов лазерного сканирования: эти приемы основаны на активных датчиках, которые непосредственно получают геометрическую 3D информацию объекта с помощью искусственного лазерного света.

3. Сочетание методов основанных на изображении и методов лазерного сканирования: фотограмметрия и активные датчики часто комбинируются в частности, для съемки крупных архитектурных объектов или археологических комплексов, где ни одна из методик сама по себе не может качественно и быстро предоставлять полную и подробную модель.

В процессе документирования объекта культурного наследия, одной из основных частей исследования и отчета является его состояние. Все выше перечисленные методы используются только для измерения и моделирования конструкции в общем виде. Однако они не позволяют нам получить информации о состоянии строительных материалов, из которых строения были построены. Ухудшение этих материалов может быть вызвано изменением климатических условий, повышением влажности в конструкции, грибков и насекомых, пожара или других стихийных бедствий. Для того, чтобы определить, есть ли какие‑нибудь ухудшения этих материалов, как правило, должны использоваться очень агрессивные методы. Эти методы, несмотря на то, что очень точную и подробную информация о структуре, могут быть очень вредны и вызывают дальнейшие разрушительные последствия.

С развитием дистанционного зондирования, многие институты работали над разработкой метода неагрессивного определения физических и химических факторов, влияющих на исторические здания и памятники. Международный научный Комитет по документированию культурного Наследия (CIPA) – это один из международных комитетов ICOMOS (международный совет Памятников и достопримечательных мест) и он был создан в сотрудничестве с ISPRS (Международного общества Фотограмметрии и дистанционного зондирования). Главной ее целью является совершенствование методов обследования культурных памятников и мест, особенно с использованием взаимодействующих эффектов, полученный в комбинации методов с особым учетом фотограмметрии и всеми ее аспектами, в качестве важного вклада в запись и мониторинг восприятия культурного наследия, с целью консервации и реставрации каких‑либо ценных архитектурных и других памятников культуры, объектов или участков в качестве поддержки архитектурных, археологических и другие арт‑исторических исследований [6]. ISPRS и ICOMOS создали CIPA, потому что они оба считают, что памятник может быть восстановлены и защищены только тогда, когда он был полностью измерян и задокументирован, и когда его развитие было документировано снова и снова, т.е. выполнялся мониторинг, с уважением к окружающей его среде, и накапливается в соответствующей наследуемой информационной и управленческий системах.

2. Гиперспектральный подход

Исследовательская группа из отдела дистанционного зондирования и Фотограмметрии в Варшавском военном университете технологий работает над использованием методов гиперспектральных изображенийприв анализе состояние строительных поверхностей, особенно в районах с высокой влажностью.

Гиперспектральные методы позволяют получение изображений в очень узких и сопредельных спектральных полосах. Подробная информация о спектральных характеристиках объектов, обнаруженных в пределах полученной сцены, может быть использована для создания достаточно точных спектральных кривых этих объектов. Спектральные кривые отклика описывают процент падающего света, излучаемыми, отражаемыми или поглощенными объектами, в зависимости от длины волны. Детальный анализ спектральных кривых отклика для объекта с немного различными химическими свойствами (напр. содержание влаги), может указывать на спектральные полосы, по которым данные объекты будут различимы. Знание этих спектральных различий можно использованы в дальнейших исследованиях для быстрого выявления подозрительных мест.

Вышеупомянутые исследовательской группой был разработан и собран набор для гиперспектрального приобретение гиперспектральных изображений в диапазоне 400–1100 нм электромагнитного спектра с шагом 10 нм. Набор состоит из одноцветной камеры, двух сменных оптикоэлектронных сменных фильтров (один в диапазоне 400–720 нм и другие в диапазоне 650–1100 нм ) и компьютера оснащен соответствующим программным обеспечением, используемым для контроля всего набора.

2.1 Эксперимент

Эксперимент был проведен на территории военного университета технологии с использованием гиперспектрального набора. Набор позволил получение двух серий изображений в видимом диапазоне электромагнитного спектра (VIS – 420–720 нм) и серии в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR – 650–1100 нм). Даже если видимый фильтр может регистрировать изображения в диапазону 400–720 нм, съемки в диапазоне 400–420 нм не была получена из‑за очень низкой передачи фильтра и как следствие долгое время экспозиции (более 30 минут). Такие длинные выдержки служат причиной большого количества шума и ошибок, вызванные изменения условий освещения происходящих в полевых условиях.

Далее, зарегистрированного изображения был обработан, чтобы гарантировать, что любые изменения в условиях освещения происходящие между экспозициями не влиять спектральные кривые отклика. Обработку можно было выполнять, т. к. белая отражающая пластина видна на всех полученных изображениях. Белая пластина, используемая в этом эксперименте имеет отражение 95 %. Цифровые номера (DN) пикселей с изображением этого опорную пластину на всех изображениях должны быть в равными 95 % от максимально возможной DN (243, при работе с 8‑битным изображением). Если это не так, в любом из изображений, их гистограммы соответствующим образом корректируются

Рисунок 1 – Представляет собой цветовую композицию снимков в видимом диапазоне электромагнитного спектра

3. Анализ результатов и выводы

Области, отмеченные на рисунке выше, представляют собой области, где спектральные анализы были проведены. Был произведен анализ как засушливых районах, так и влажных . Спектральные кривые отклика показаны на рис. 2.

Рисунок 2 – Спектральные кривые отклика для 3‑х помещений, полученных гиперспектральных изображений

Спектральные кривые отклика показаны на рис. 2 подтверждают, что гиперспектральные методы могут быть использованы для различия сухих участков на фасадах зданий от участков с высоким содержанием влаги. В видимый диапазон, в районах с высоким содержанием влаги примерно отражают на 20 % меньше энергии по сравнению с засушливыми районами. Аналогичное явление происходит в ближнем инфракрасном диапазоне, но здесь различия гораздо более заметны. Сухие стены отражают 40–60 % больше радиации по сравнению с влажными местами на стене. Результаты представлены в этой статье, были получены только на основании одной стены. Полный эксперимент будет проводится по трем стенам. Результаты, полученные из оставшихся двух испытательных полигонов совпадают с результатами, представленными выше.

Спектральные кривые отражения для обоих типов поверхности почти параллельны, что означает, что нет никаких конкретных границ в которых такие анализы могут быть проведены. Однако, есть видимая вершина в 1010–1050 нм в диапазоне, что может свидетельствовать о чтобы эти группы могут содержать дополнительную информацию о влажности тестируемых сооружений. Дополнительная работа проводиться будет, сосредоточив основное внимание на 1000–1100 нм диапазоне электромагнитного спектра.

Спектральные кривые отклика, производных от таких исследований могут быть использованы для создания спектральной библиотеки, которая позволит быстро и автоматически обнаруживать проблемные участки на поверхности сооружений.

Исследовательская команда также планирует провести эксперимент и анализ в тепловом инфракрасном диапазоне. Данные, полученные с помощью этой технологии должна обеспечивать быстрое обнаружение влажных помещений, строительных поверхностей.