[发明专利]野外大型石质文物渗水病害热像检测技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种石质文物病害遥感检测技术。

背景技术：

风化、破裂、渗水、剥离、微生物腐蚀等是野外大型石质文物(包括岩画、石窟、石刻、石雕等)的主要病害^[1-3]。对该类病害进行现场非接触式无损检测时，物探方法实施难度大^[4]，肉眼观测或可见光照相一般难以奏效。比如，当目标颜色与周围环境相近时，肉眼观测或可见光照相就很难判别和区分石质文物渗水及表层剥离的位置与程度。

自然界中任何温度高于绝对零度(-273℃)的物体都会产生红外辐射，辐射能量的大小与物体表面的物理温度、发射率有关。斯蒂芬-玻尔兹曼定律描述了辐射能量、物理温度、发射率三者的关系如下：

W_λ＝εσT⁴

式中：σ为一常数，称为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，等于5.6696×10-8W·m-2·K-4；ε为发射率，T为物理温度(K)。

因此，当物体表面的温度发生微小变化时，其红外辐射能量会发生很大变化，红外辐射也称为热辐射。发射率与物体的材料性质和结构有关，一般地物的发射率较大，通常在0.95左右。例如：纯净水的发射率为0.96，干燥土壤为0.92，石灰岩为0.95。热成像技术是将目标体不可见的红外辐射转化为可见图像的技术，它利用目标体与环境之间由于温度与发射率的差异所产生的热对比度不同，来生成红外辐射能量的密度分布图——热像，并形成相应的“热区”和“冷区”。

由于热成像技术具有全天候、全场性、实时性、非接触、无损伤等突出优点，被广泛用于固体材料和建筑结构缺陷的遥感检测中^[5-7]。由于水的热容量、热惯量及热传导性比一般物质(如岩石、泥土等)大，当有热源作用(如太阳照射)时，干燥物体的温度上升很快，而含水或渗水体的温度上升较慢，其温差可在热像上清晰反映出来。此外，即使无热源作用，由于水蒸发作用的降温效应，也将导致含水部位比干燥部位温度低，其温差也可在热像上清晰反映。文献^[8]研究揭示岩石表面温度与岩石湿度成反比关系：湿度越大，岩石表面温度越低，故可利用热成像技术将不同湿度的岩石区分开来；文献^[9-11]探索了热成像检测建筑物(包括古建筑)湿度的方法；文献^[12]则利用屋顶水分蒸发过程中的降温效应提出了定量测定屋项湿度的方法。

在文物病害热成像检测方面，热成像技术主要用于古建筑健康状况和病害检测^[13-14]、壁画墙体的离层病害检测^[15]、文物不同部位的湿度检测^[16]以及文物结构和保存状态的检测^[17]等，而关于岩画病害的热成像检测研究较少。文献检索表明，目前仅有日本学者曾于1995年利用红外热像仪检测崖壁石刻文物的片落和爆裂区位置^[18-19]。国内利用红外热成像进行文物病害检测工作相对较少，而将热成像技术用于岩画渗水病害检测还未见报道。

无论何种野外石质文物，无论它出现何种病害，当受到外界热源(如太阳光照射)作用时，都会因病害区不同于环境和健康区的热传输特性(热容量、发射率、热惯量及热传导性等)，导致热畅和热阻差异，进而产生相应的“热区”和“冷区”。这种差异可以使用热成像技术检测出来。尤其是渗水病害，由于水的热容量大于岩石，渗水病害区的热变化特征将显著区别于健康区，可以通过热红外成像技术进行遥感检测。

参考文献：

[1]张红梅，马国栋，速宝玉.大同云岗石窟文物渗水病害防治方案探讨[J].水文地质工程地质，2004(5)：64-67

[2]钟世航，黄克忠.用物探技术探查乐山大佛内部状况[J].工程地球物理学报，2004，1(3)：226-230.