Всё самое главное, что вы должны знать о дронах с тепловизором

В последние годы популярность тепловизионной фотосъемки с БПЛА все возрастает. сферы применения дронов с тепловизорами при этом могут быть совершенно разными: от оценки состояния земельных угодий в сельском хозяйстве до инспектирования ЛЭП, от проведения поисково-спасательных операций до определения очагов лесных пожаров. 

Даже события последних нескольких месяцев показывают, что беспилотные платформы DJI здорово помогают людям со всего света добиваться выполнения сложных и многоступенчатых задач. Так, дроны работают на нефте- и газодобывающих заводах Аргентины, в Беларуси беспилотники помогают локализовывать лесные пожары, а во Вьетнаме именно коптеры DJI использовали для обнаружения выживших людей после наводнения и схождения оползня. И это лишь некоторые примеры того, как дроны с тепловизором на борту могут работать эффективнее людей и при этом более безопасно.

Ну, а если вы все еще раздумываете над тем, не настало ли время перейти на беспилотную платформу с тепловизионной возможностью съемки, надеемся, эта статья поможет вам лучше понять технологию такой съемки, а вместе с тем и оценить функциональность дронов с тепловизионной камерой.

Что такое термография

Тепло – это ничто иное, как вибрация атомов. Чем больше атомы вибрируют, тем теплее они становятся. В процессе вибрации они создают так называемый “тепловой след”. Именно его могут улавливать тепловизионные камеры.

Термография занимается тем, что запечатлевает тепло, или инфракрасное излучение (ИИ), которое объект испускает естественным образом. Такие термографические инструменты, как тепловые камеры, определяют и отображают тепловой след как живых, так и неживых объектов.

Есть несколько ключевых особенностей термографии, о которых стоит упомянуть перед тем, как с головой погрузиться в хитрости термофотосъемки. Первое – это то, что человек может чувствовать тепло, но не может видеть его. А все потому, что тепло – это волны инфракрасного спектра. Кроме того, видимый глазу человека свет – это, на самом деле, только небольшая часть всего электромагнитного спектра. При этом тепловизоры улавливают инфракрасную энергию и обрабатывают картинку таким образом, что она становится понятна даже человеку, который при других обстоятельствах не увидел бы это испускаемое тепло.

Во-вторых, важно заметить, что не все объекты оставляют точный тепловой след. Степень, с которой предмет поглощает или отражает тепло, называется коэффициентом излучения и может существенно варьироваться у разных объектов. Например, такой материал, как дерево, с высоким коэффициентом излучения может быть легко определено тепловизором, а керамическая плитка с низким коэффициентом излучения, наоборот, не слишком хорошо определяется тепловизионной камерой.

Как работает тепловизор

Тепловизионные камеры преимущественно измеряют температуру поверхности объекта и спроектированы таким образом, что определяют незначительные изменения температуры. Тем не менее, зеркала, блестящие предметы и тщательно отполированные поверхности отражают тепловую радиацию, а это значит, что их настоящую температуру невозможно определить при помощи тепловизора. В то же время такие материалы с низкой отражающей способностью, как бетон или дерево, а также живые существа, включая людей, обладают высоким коэффициентом излучения. Таким образом, их температуру намного проще и точнее измерить при помощи тепловизора.

Тепловизионная камера имеет особый объектив, который улавливает ИИ и пропускает его через себя. Более того, такая камера оснащена тепловизионным датчиком и процессором обработки изображений, которые “упакованы” в защитный корпус. Обычно тепловизионная камера устанавливается на подвес дрона, вращающийся на 360 градусов, тем самым помогая стабилизировать камеру. Во время зависания дрона над определенным местом тепловизионный датчик камеры определяет длину инфракрасных волн и преобразует эту информацию в электронные сигналы. После получения сигналов процессор изображения создает то, что мы называем термограммой, или тепловым изображением. Она состоит из цветовой карты, отображающей различные значения температуры. 

Выражаясь техническими терминами, тепловой датчик называют микроболометром. Этот высокочувствительный датчик поглощает инфракрасные лучи и затем выдает термограмму, основанную на полученных им данных. Интересен тот факт, что раньше микроболометры нужно было помещать в особые охлаждающие материалы, при взаимодействии с которыми прибор номинально “охлаждался”. Это, разумеется, сказывалось на высокой конечной стоимости микроболометров. К счастью, технологии продвинулись вперед, и теперь такое “охлаждение” не считается обязательным, но при этом не страдает и результат измерений.

Как читать тепловизионные фотографии

Программа по обработке фото с тепловизионной камеры предлагает целую палитру оттенков на ваш выбор. Эта палитра, как правило, варьируется от оттенков белого, указывающих на более горячие объекты, и темных оттенков, обозначающих более холодные предметы, и до настроек, обозначающих температуру предметов с точностью до наоборот (более горячие предметы показаны в более темных оттенках). Другая часто встречающаяся разновидность цветовой палитры – настройка цветов радуги, когда предметы с наиболее высокой температурой поверхности отображаются красным, оранжевым или желтым цветом, а более холодные поверхности – синим или черным. 

Более совершенные дроны обычно предлагают на выбор сразу несколько цветовых решений, и пользователь сам может определиться с тем вариантом, который кажется наиболее оптимальным для его конкретных задач. Например, тепловизионная камера DJI Zenmuse H20T располагает двенадцатью вариантами цветовой палитры, что выражается в наличии 256 цветов для отображения в 8-битовом формате JPEG или MPEG-4.

Тепловизор и обработка снимков

Как только процесс тепловизионной съемки окончен, ПО дрона приступает к отображению каждого файла прямо на экране. Это очень похоже на процесс съемки видео на смартфоне. В итоге пользователи далее могут использовать всевозможные виды ПО для исследования и редактирования этих снимков.

В основном, более бюджетные тепловизионные камеры просто делают тепловые снимки без отсылки к точной температуре объектов. И напротив, более дорогие модели тепловизоров, как Zenmuse H20T, измеряют температурные данные для каждого отдельно взятого пикселя и последовательно записывают реальную точную температуру вместе с тепловизионными снимками. Такой уровень детализации вместе с привязкой данных о местоположении с GPS-датчика для каждого фото существенно убыстряет и делает более удобным процесс “прочтения” снимков. 

Точность данных

Будучи невероятно чувствительными, тепловизионные камеры, тем не менее, зависят в своей работе от ряда таких факторов, как время суток, состояние поверхности и отражательная способность объектов. Атмосферные условия (теплый воздух, влажность, облака, осадки) также могут существенно снизить точность температурных данных. Более того, дым, пыль и мусор на поверхности объекта могут также искажать данные.

Еще один фактор погрешности – наличие защитного покрытия на объекте. Например, два предмета или объекта сделаны из одного материала, но могут быть по-разному распознаны тепловизором, если один из них покрыт ржавчиной, недавно окрашен или его поверхность каким-либо образом изменена и отличается от поверхности другого такого же объекта. В этом случае тепловизор может зафиксировать различную температуру у каждого из объектов.

Другие факторы тоже могут серьезно влиять на температурные измерения. На фото внизу наглядно показано, что все солнечные батареи выполнены из одного материала, однако некоторые из них камера распознает с другой температурой, находясь при съемке в определенном положении по отношению к солнцу.

Именно по причине таких случаев очень важно всегда тщательно анализировать температурные показатели со снимков, прежде чем делать какие-либо выводы.

Еще одна распространенная ошибка – это утверждение, что тепловизоры могут “видеть” через стекло. На самом деле это не так. Они просто измеряют температуру поверхности стекла, но не проникают сквозь него. Тем не менее, для тепловизионной камеры может быть достаточно трудно производить точные измерения температуры стеклянного объекта, т.к. его поверхность попросту может отражать солнечный свет, а также земли около него или другого объекта поблизости.

Факторы, влияющие на измерения температуры поверхности

Приведем список факторов, влияющих на точность измерения температуры поверхности объекта при помощи тепловизора:

1. Атмосферные условия;
2. Дым, пыль, мусор;
3. Коэффициент излучения объекта;
4. Прозрачность объекта;
5. Отражательная способность объекта;
6. Время суток;
7. Угол обзора;
8. Тип краски, которой обработана поверхность объекта;
9. Расстояние, на котором находится камера от объекта;
10. Объем тепловой энергии в зоне съемки;
11. Гладкость или шероховатость поверхности объекта.

Также следует заметить, что тепловизор не способен улавливать утечку газа. Но компания DJI предлагает для этих целей лазерный детектор утечки метана U10, который может быть без проблем установлен на беспилотные платформы Matrice 300 RTK и Matrice 210 RTK V2. 

Беспилотные системы с двумя камерами

БПЛА с двумя типами установленных на них камер могут одновременно делать как тепловизионные снимки, так и обычные цветные фото высокого качества. 

Хороший пример такой функции – гибридный подвес DJI Zenmuse H20T, оснащенный двумя камерами (традиционной и тепловизионной). Как правило, системы с двумя камерами применяют более усовершенствованное ПО для достижения более точных температурных измерений. 

Изотерма – это настройка, которую определяет пользователь. Эта функция позволяет устанавливать определенные температурные диапазоны, которые отображаются на панели управления дрона для выделения очагов высокой температуры. Например, для егерей и специалистов лесничеств важно выявлять очаги очень высокой температуры, которые будут указывать на наличие эпицентров лесных пожаров. А это значит, что дрон с тепловизором можно настроить так, чтоб он показывал только изотермические границы зон с очень высокой температурой для простоты прочтения данных. В результате лесничие будут получать сигнал о потенциальной угрозе пожаров в реальном времени, когда дрон еще находится в воздухе. Таким образом, не придется ждать конца полета коптера, последующей обработки данных и потом его анализа.

Новое поколение тепловизионной аэросъемки

Такие дроны с интегрированным тепловизором, как Mavic 2 Enterprise Advanced, могут измерять температуру объектов в затрудненных условиях тумана или задымленности. Более того, на Zenmuse H20T имеются усовершенствованные возможности ПО, которые позволяют устанавливать оповещения, если температура исследуемых объектов превышает определенные параметры, а также отслеживать температуру выделенных объектов, проверять температуру в реальном времени одним касанием экрана, накладывать видимый глазу объект в цвете поверх объекта с измеряемой температурой и оптимизировать четкость снимка.

Важные характеристики тепловизоров

Следует отметить, что не все тепловизионные камеры одинаковы. Именно поэтому перед покупкой такого прибора учитывайте наличие нескольких ключевых параметров при выборе тепловизора:

1. Поле обзора (FOV) означает размер просматриваемого снимка, который способна сделать камера.
2. Защита от неблагоприятных погодных условий означает то, насколько хорошо электронная начинка камеры может справляться с поставленными задачами, и выражается в уровне IP. Если вы предполагаете, что во время миссий дрон и тепловизор на нем будут работать в условиях тумана или дождя, то самое время подумать о приобретении комплекта M300 RTK + H20T из беспилотной платформы и подвеса, который является лидером на рынке в том, что касается надежности и защищенности во время полетов. 
3. Область спектра – это электромагнитный диапазон, который улавливает датчик камеры.
4. Тепловая чувствительность указывает на то, насколько чувствителен тепловизор и насколько хорошо камера улавливает разницу температур. 
5. Разрешение фото – это размер и число пикселей в каждом снимке, а также показатель того, насколько детальным получается фото.

Технологии шагают вперед, а значит и областей, в которых можно применять дроны с тепловизором, с каждым годом становится все больше. 

В статье были использованы материалы с информационного сайта https://enterprise-insights.dji.com.