| 作者：Volkovitsky A.A., Sklovsky S.A. |
航空热红外（IR）成像与其他遥感方法一样，在地质和环境调查中发挥重要作用。该技术长期服务于军事目的，自20世纪70年代末开始，先在试验工作、后在生产工作中成功应用于研究区域地质结构和环境状况，并解决城市公用事业中广泛的实际问题。
简要历史
批量生产的民用VULKAN热像仪问世，标志着热像仪在苏联航空地球物理遥感手段中得到广泛使用。该仪器由亚速光学机械厂在20世纪70年代末按照地质部的技术要求研制，此后十年内几乎是此类工作唯一可用的仪器。热像仪采用当时常见的双通道光机扫描器结构，将影像记录在胶片上。扫描器出乎意料地成功的光学方案至今仍未过时，使这些仪器拥有很长的使用寿命和广泛的升级可能。
最初使用热像仪的试验就伴随着一系列重大研发成果，显著拓展了航空热成像的能力。GNPP Aerogeofizika的工作人员积极参与了这一过程。他们的成果包括首次试用机载热影像显示系统（1984年），以及将热像仪光学头安装到陀螺稳定平台上（1987年）。然而，胶片记录作为唯一的标准数据记录方式，制约了该方法硬件技术的发展。只有计算机技术的迅速发展，才使一种实质上全新的航空红外成像及其结果处理技术成为可能。
Aerogeofizika高度重视该方法的潜力，发起了数字热影像记录系统的研发。工作由公司自有利润资助，并委托一个有俄罗斯科学院控制科学研究所（IPU RAN）人员参与的研发团队承担。明确规定了以下要求：
- 信息必须以数字形式记录在技术先进、可靠的计算机存储介质上（机载计算机硬盘）；
- 信息必须通过抗差错编码防止记录错误；
- 为减小记录数据量，必须对数字影像采用无损压缩编码。
记录系统基于PC 386DX-40，热像仪与计算机的硬件接口由A.V. Sherstyuk（IPU RAN）以较高水平实现。工作还包括开发抗差错压缩编码方法和程序，以及用于将两个光谱通道快速、连续地写入硬盘并进行无任何限制实时显示的系统软件（A.N. Drobotenko，Aerogeofizika）。系统还包括将已记录影像解压为常规地球物理数据格式的软件，以及用于快速查看和技术校正的工具。
研发团队半年的工作成果投入实际应用，取代了胶片记录，并消除了怀疑者对系统可靠性的疑虑。1993年秋季，首次对莫斯科开展生产性航空红外测量，采用数字信息记录，并在PC上完成全部处理。
然而，数字数据不是胶片，不能拿在手中翻转或透光观察。几乎同时，人们开始开发提供所得数据全部必要处理方法的软件。如今已无法划分硬件与软件的界线：二者共同决定了作为统一技术流程的系统组成。
人们曾寄希望于在同一光学和信号支路中使用双通道接收器，预计这会使总通道数加倍，从而拓展系统的潜在能力。
一年后，热像仪信号调理单元问世，其中包括：
- 四个用于热像仪视频信号箝位与缩放的通道；
- 用于测量外部信号的标量和矢量模数转换器；
- 用于控制光机扫描器驱动电机的逻辑控制器；
- 热像仪所有主要信号的控制和监测线路。
研发人员完成了信号调理系统的设计和制造、所有部件的调试，以及热像仪控制指令交换协议与记录系统的对接，实现了四通道成对交替记录，且不损失任何几何分辨率。系统状态的可视化监测工具不仅可观察接收信号，还可对测量值进行非线性标定。机载软件计算输入影像信号的统计量，从而可在解压过程中直接校正影像。
旧VULKAN仅保留了光学头外壳、反射镜系统、棱镜和电机……改进后的热像仪更名为Vulkan-4000，除与机载控制计算机相连的通信通道外，已无任何其他操控部件；目前该计算机采用Pentium-100。
Vulkan-4000是一套高分辨率热成像系统。
GNPP Aerogeofizika开发的航空热红外成像软硬件系统（图1）可执行：
- 以高几何分辨率接收四个光谱通道（2个可见光通道、近红外和远红外通道）的热成像信号，每条扫描影像行最多4096点，每通道扫描速度为每秒100—200行；
- 使用无损编码对接收数据进行实时压缩，压缩倍数超过两倍；
- 不限制飞行参数，将数据写入机载计算机硬盘；单次记录时长仅由硬盘存储容量决定；
- 记录补充信息，包括完整GPS数据、陀螺系统参数、飞行高度，以及最多15个用户自定义通道；
- 控制热像仪工作模式，包括启动、扫描频率、视频信号各通道增益，以及补充信息模拟通道的采样顺序和速率。
系统硬件采用最先进的电子元器件，以较高技术水平实现。系统包括一台机载计算机和两块电路板，一块为内置扩展板，另一块安装在一个单元中，系统的所有仪器均连接到该单元。
系统的全视场角为90，瞬时视场角为0.001弧度。
热像仪工作模式控制通道按照抽象热像仪设计，可轻松适配任何线扫描器（VULKAN、ZIMA等）。
自1996年秋季起，系统开始使用陀螺航向和陀螺垂直值的测量与记录设备。最初的数据使用试验就显示出很高的应用前景。依据无线电大地测量数据、航向系统和无线电高度表进行校正后，热影像实际上已接近地形的地图投影。
接收器类型根据用户任务确定。我们的热像仪采用集成于同一外壳内的制冷红外敏感元件，光谱范围分别为3—5微米（InSb）和8—14微米（CdHgTe）。温度灵敏度为0.1。冷却方式为注入液氮（77 K）。此外，热像仪还配有可见光谱敏感元件，配合滤光片，可解决传统多光谱成像任务。
自1997年起，系统采用ASHTECH公司的GPS+GLONASS组合接收机GG24，作为确定航空器位置和控制直升机导航的主要仪器。其主要优点是更新速率高（每秒5次测量）、通信协议方便，最重要的是结果质量高。为实现交互，开发了导航软件，具备广泛的飞行控制功能以及航空器导航所需的全部显示指示。这改善了实际飞行轨迹，减少了进入测量航线的飞行时间，并降低了影像几何畸变校正阶段的处理工作量。
这些研发成果不仅提高了所获取信息的质量，也提高了工作的经济效益；后者此前一直被大量可靠性问题以及飞行计划和实施中的组织协调问题所掩盖。1997年春季，我们在不降低资料质量的情况下，将飞行高度提高一倍，相应将测量航线数量减半。再加上直升机导航改善所带来的收益，经济效果相当显著。此外，日益增长的工作量也能安排在十分短暂的适宜成像季节窗口内完成。因为人们早已注意到，最适合红外成像的天气条件与供热管网温度组合，持续时间总比完整拍摄一座城市所需时间恰好少一天。
因此，GNPP Aerogeofizika航空热红外成像系统的技术发展现已达到相当良好的水平，即使与国外同类系统相比亦然。积累的研发经验不仅使高质量生产性测量成为可能，还使公司能够按外部机构委托开展设备升级。同样，Aerogeofizika能够根据各类要求开发处理环境监测资料的软件。与客户合作的一种方式是交钥匙提供完整的全流程技术，包括硬件系统和人员培训。
热红外影像处理系统
原则上，在处理和解释阶段可以不同程度地使用流行的栅格图形软件包和程序（ER Mapper、TNT mips、ERDAS Imagine、Corel Photo Paint、Paint Shop Pro等）。但我们开发了自己的软件包，主要原因在于扫描影像的特点，以及希望拥有覆盖整个处理流程的最高效工具。
我们（A.K. Volkovitsky、A.N. Drobotenko、D.V. Kaplun）开发的IRIT（Infra Red Image Tools）软件包，是在组成和工作原理方面独具特色的统一操作环境，提供广泛的影像处理程序，是从测量完成到报告资料生成的完整全流程技术基础。该程序主要用于以交互方式制作规定比例尺的热影像。输出影像可作为后续解释工作的地形底图，其中部分解释操作可直接在程序内完成。
IRIT具有友好的多窗口界面，可对每个影像窗口执行多种操作：移动、旋转、缩放、相互拼接、裁切等。程序采用特殊的文件访问方法，可处理大量输入数据并快速将其显示在屏幕上。详细的俄语帮助系统使用户能够较快掌握程序的结构和功能。
利用IRIT，用户可以：
- 将各种数据格式（包括矢量格式）的原始影像加载到窗口中，并叠加查看；
- 通过旋转、移动和缩放操作这些窗口；
- 使用鼠标指定后续拼接或坐标测量所需的点；
- 进行坐标系与比例尺转换；
- 调整输入数据的色彩关系；
- 按所选方法，利用指定点进行拼接；
- 在相互叠加拼接的影像接缝区域进行曲线裁切；
- 将工作影像保存为栅格图形文件或IRIT项目文件；
- 将选定的影像调色板保存到单独文件中，随后在把处理后的栅格转换为常见格式（BMP、TIF）时使用；
- 按所选比例尺，在激光打印机或彩色喷墨打印机上打印窗口镶嵌图的任意部分。
扩展IRIT功能的实用程序基于该软件包的数据格式，对输入数据执行预先自动化操作。它们最初作为辅助工具开发，但在实际工作中应用广泛，尤其适用于较复杂的处理任务。
实用程序包括用于以下操作的程序：
- 原始航线影像的预先拼装：利用导航数据，将连续影像文件转换为一组相邻片段；有时其结果质量已足以满足后续解释阶段的合理要求；
- 影像的技术校正；
- 裁取影像片段；
- 提高影像锐度（不要与对比度混淆！）；
- 快速查看机载数据；
- 数据格式转换（转换为BMP和TIF），包括应用选定调色板；
- 修改栅格文件（使亮度一致、将信号动态范围的一部分设为透明图层等）
生产流程的细节。
接下来介绍航空红外成像的方法、机载数据的处理方式，以及客户最终获得的成果。
航空成像系统安装在Mi-8T直升机上。为获得区域热场图像，采用平行航线测量，航线间距须保证影像重叠率不低于40%。
飞行结束后，可移动硬盘中的资料送至内业处理组。机载文件解压后立即进行影像技术校正，使所有航线影像的亮度一致，必要时也统一对比度。结果写入CD-ROM，确实可在测量后的第二天交付客户。客户的专业人员可立即将这些资料用于快速处理，因为同时提供了所需软件（IRIT及必要实用程序）。原则上，此阶段我们的工作即可视为完成，因为客户已掌握后续红外影像处理所需的全部技术。不过，大多数客户要求我们完成所得信息的全部处理，直至制作用于地理信息系统的比例尺底图。
此类处理需要较多时间和一定技能。依据卫星导航系统数据以及记录的航向、横滚、俯仰和飞行高度参数，将影像切分为准线性片段，并以半自动方式“拉直”，即转换为符合实际飞行状态的形式。根据我们的评估，该操作生成的新校正影像文件和IRIT项目文件达到1:5000—1:10000比例尺要求；若缺乏精确的大比例尺地形资料，可作为比例尺底图提供给客户。在某些情况下，这已足够，此处理阶段的资料即可作为最终成果，以CD-ROM交付客户。
然而，许多主要涉及城市公用设施状态监测的任务，对所得红外影像的比例尺精度要求更高。此时需要增加一个处理阶段：依据扫描地形底图对影像进行比例尺变换。城市通常采用1:2000比例尺。地形图幅扫描后作为底图，通过一组相互可识别的点，对热影像进行变换和拼接。随后只需在影像接缝区域进行曲线裁切，并将结果导出至与图幅边界对应的窗口。原始影像的孔径尺寸（空间分辨率）通常约为0.25米，而按比例尺处理的结果采用0.5米孔径，使1平方千米的文件大小为4 Mb，使用十分方便，同时研究对象的所有特征仍清晰可见。所获得的分幅热影像可作为任何城市GIS的栅格图层。
在某些情况下，我们还按比例尺将变换后的红外影像打印为彩色或黑白图件。这无疑是一种非常直观的展示方式，对于客户那些技术流程尚未计算机化的部门尤其有意义。
最后，在解决某些任务时（下文略述），我们对所得资料进行解释，并将结果绘制在规定比例尺的地形底图上。此阶段仍有相当大部分工作由高水平专业人员手工完成，尽管近期我们一直积极推进自动化，即便不能覆盖整个过程，也力求覆盖其中重要部分。
航空热红外成像：投入资金的高回报
当前俄罗斯各类生产活动普遍削减资金，整个科研和应用研究领域面临危机。Aerogeofizika所处的市场领域也不例外。我们的传统客户往往缺乏资金，对供热管网、产品输送管道等开展计划维修。在这种情况下，出人意料的是，航空红外成像非但不会增加支出，反而能够使资金得到有针对性、最有效的使用，甚至节约资金。
航空热红外成像可解决广泛的任务：
1. 确定地下供热管网的位置和状态，包括发现泄漏点。应当指出，航空红外成像是唯一能够快速解决这些任务、并修订或编制供热管网布局图的遥感方法。根据测量条件，一个工作周期可绘制70%至100%的管网。我们在俄罗斯多个城市的工作经验表明，这项任务十分迫切，因为运行维护部门往往根本没有供热管网图，或现有图件存在严重误差。
在莫斯科十三年的工作经验表明，红外成像宜以监测方式每年开展两次，即供暖季开始和结束时，并应在没有较厚积雪（超过10厘米）的条件下进行。
我们的客户包括莫斯科市政府燃料与能源管理局、市政企业Mosteploenergo、Morsenergo股份公司的供热管网部门、市政企业Teploremontnaladka、Moskompriroda，以及图拉、利佩茨克、莫斯科州科罗廖夫（加里宁格勒）、列乌托夫、电钢城、柳别尔齐、梁赞等城市的行政机构。
客户利用所得资料编制和调整年度维修计划。处理城市供热系统任务时，我们通常对所得资料进行解释，并将地下供热管网状态诊断结果绘制在大比例尺地形底图上。
这样，客户不仅能够迅速收回成本，还能获得收益；客户越快理解所得信息并据此作出管理和技术决策，经济效果就越高。例如，对1平方千米区域开展一个周期的航空热红外成像及处理，其费用相当于更换10延米普通供热干管。因此，如果分析所得资料后能将供热管网更换长度减少10米，客户就已收回成本；若少更换20米，便是100%的利润……这还未计入及时发现和消除事故段、减少补水、更加合理地使用始终不足的资金、节约土方开挖费用（终于知道该在哪里挖了……），以及仅仅获得并使用自身供热管网图所带来的效益（见图2）……
然而，目前我们看到的最大困难恰恰在于如何最有效地使用航空热影像资料。这包括专业人员传统上不信任遥感诊断的思维惯性、客户企业仍然较低的计算机配备水平，以及无法安排两名人员和两台计算机处理所得资料。最后，还有不会或不愿计算仍非自己所有的资金的问题……例如，Mosenergo股份公司供热管网部门主任工程师A.M. Goncharov在1995年莫斯科测量完成一年半后，对资料进行了分析：热影像所显示的事故或临近事故情况中，80%得到证实，即最终发展成了全面事故。如果能够及时利用这些数据，就可避免40亿卢布的直接损失。利用红外成像数据优化大修计划，并结合关联设施档案数据库的分析，相当于将维修资金增加约30%（就1996年而言，约为1200亿卢布）。而这仅涉及一个客户的设施。遗憾的是，据我们所知，在这个具体案例中，这些收益仍停留在纸面上……
另一个航空红外成像有效性的例子也来自同一年。市政企业Mosteploenergo的专家依据航空红外成像资料，发现280处热载体泄漏段，其中包括163处针孔漏点。所有泄漏均通过应急或计划工作得到消除，所完成工作的经济效益达到支出的两倍。作为长期客户，Mosteploenergo不仅定期有效利用热影像资料，还经常提出更高层次的处理需求，并规定软硬件要求。总工程师V.P. Kashcheev认为，航空红外成像作为城市供热系统遥感诊断工具，如今已成为供热管网维护工艺流程的组成部分。
2. 产品输送管道的测绘与状态诊断，包括发现泄漏点。这里主要指总长达数千千米的输油和输气管道，超过二十年的运行年限意味着其磨损已相当严重。两类管道的温度均高于周围环境，因此即使埋设于地下，也会形成足以记录的热反差。我们的经验表明，可在低空（最高100米）对这些设施开展航空红外成像，实际分辨率为0.1—0.2米。这种质量的影像可清晰显示管道热迹的细节，识别遭地下水浸泡的区段（因此腐蚀风险较高）以及形成水合物堵塞的位置。泄漏点的表现各不相同：输气管道上为反差强烈的极冷局部区域，这是气体绝热膨胀所致；输油管道上则为温度高于周围环境的区域。石油泄漏范围可得到良好测绘。
3. 水体状态监测。
热成像能够发现未经许可的工业和市政废水排放口，包括流量小、反差弱、难以目视发现的排放。这使该方法可作为高度工业化地区解决环境问题的主要方法。排放水相对于受污染水体是明显偏暖还是偏冷，并不重要。该任务也可在城市区域红外成像过程中附带完成；当然，最佳结果来自专门的夜间测量，并将热成像设备专门调至适用于水体的状态（见图3）。
航空红外成像还可高效寻找水面油污染斑块，适用于油轮交通繁忙且可能排放压载水的水域、大型港口附近，以及发生石油产品泄漏事故或灾难的地区。与目视污染测绘方法不同，热成像可识别微米级厚度的油膜，即极轻微的污染。
航空红外成像在寻找水库上游水池的水下排泄带以及地下淡水向海洋的水下排泄带方面，同样具有独特能力。我们曾于1982年在格鲁吉亚黑海沿岸、1986年在巴尔喀什湖等地开展此类工作。
在干旱气候区，发现灌溉系统和地表输水设施的泄漏，包括局部泄漏，是一项重要任务。
从环境保护角度看，监测通常具有较强毒性的工业液体废物储存设施的状态，具有重要意义。红外成像可在泄漏初始阶段发现问题，从而预防严重环境后果。
4. 在废物填埋场（城市垃圾场）、泥炭地和森林中，尤其在早期阶段发现隐蔽的自燃部位，可迅速且以最低成本加以控制和扑灭。测量在火灾风险最高的夏季，以1—2千米高度巡逻飞行方式开展。火源可实时定位，也可通过地面后处理定位。在泥炭开采企业的场地内，可发现内部火源刚刚形成的泥炭堆。
5. 利用热成像资料识别地下水淹浸和沼泽化地段，依据是表层土壤湿润部位热惯性增大、反照率有所降低。该任务在自然景观地区最为有效。在城市集聚区，沥青覆盖、密集建筑等使任务复杂化。然而，在某些情况下，尤其在布局较疏松的地区，热成像资料可发现建筑物和构筑物受淹浸的地段。例如，1997年春季的航空红外成像发现，莫斯科波克隆山纪念建筑群中央建筑存在地下水淹浸区。
6. 过滤场和曝气场状态监测。
在莫斯科热监测工作中，我们曾多次拍摄柳布利诺过滤场（LFF）。所得资料可可靠地绘制场内活跃生物热过程区域，表明与官方资料相反，当前仍有污水流入部分池格。同时还能识别向径流调节塘的局部排水。以监测方式开展工作，可追踪放热过程的动态并建立其发展预测模型，从而确定建设开发的先后顺序。热成像资料显示，在过滤场西南部、过程最活跃的区域开展的大规模住宅建设，是对建设用地环境状况要求的严重漠视。
7. 道路铺面状态评估。
我国道路状况一直不尽如人意……维修和养护资金从未充足。因此，遥感诊断道路状态尤为重要，特别是采用航空红外成像这样效率高、费用相对低的方法。道路铺面的质量取决于其下垫层的质量。垫层松散地段因渗透性较高，首先容易损坏。在这些部位，地下水和降水通常使路面基础含水过饱和，且饱和程度可随天气显著变化。含水量持续波动使垫层在气象作用下损坏，冬季尤甚：土体冻结使路面冻胀；同时，细颗粒的淋滤和冲失也会造成破坏，这在土壤包气带是常见现象。继而导致路面破坏和沉降。
因此，受水浸影响的道路地段，由于水的热容量较高以及日照下的蒸发作用，升温较慢。在白天的沥青表面热影像中，它们表现为暗色（冷）斑块。
1995年，受Tulavtodor委托，我们在图拉—韦尼奥夫公路一段开展了试验方法研究，并采用地面地球物理方法组合（电法勘探和探地雷达测量）验证热成像数据。结果表明，航空红外成像能够有效监测硬质铺面公路的路面质量；在傍晚和清晨，即日落后及日出前重复成像，可提高结果可靠性，因为受水浸影响的地段可解释为热场反转区域。
最合理的调查技术是先进行航空成像，再采用地面方法对铺面受损区域开展详细调查。综合工作结果可将道路划分为状态良好的地段、需要表面修补的地段，以及需要加固垫层的地段。
机场跑道本质上是专用道路铺面，其状态研究也采用相同方式。
同于1995年获取的图拉机场影像资料已足以说明问题（见图4）……
8. 以及更多……
实际上，航空热成像的能力远不止于此。它还包括针对出露地区地质任务的构造与岩性填图、输电线路测量、工程地质勘察中多年冻土区融区的识别、岩溶和滑坡发育地段研究、土地管理任务、试验场地下核爆区测绘，以及许多其他用途。我们甚至曾在白海沿岸海豹繁殖聚集区统计白毛幼海豹的数量……读者，谁知道呢，也许本文会启发您将红外成像用于更为特殊的领域；我们愿意考虑任何建议和项目。
如果您委托我们开展测量，成果的完整性和质量将令您欣喜。正如中餐馆餐巾上的话：请尝尝这道菜。
参考文献
Antypko A.I. 城市集聚区地质环境遥感热监测基础. 莫斯科：Nedra，1992.