本發(fā)明屬于文物保護(hù),具體涉及土遺址底部表面病害控制,尤其涉及一種基于智能傳感和紅外圖像技術(shù)土遺址底部表面病害預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、土遺址是各種文物遺跡保護(hù)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。隨著氣候變暖和降雨增多，尤其是極端降雨情況增多，引起地下水位年變化增大，通常土遺址所處地面地勢較低，造成土遺址周圍易積水，而土遺址本體強(qiáng)度較低且水理性質(zhì)較差，在雨水和地下水共同作用下，土遺址經(jīng)常出現(xiàn)返堿、脫落及微生物病害，這些病害暴露前表面并無顯著變化，但病害暴露后，產(chǎn)生的時間長，對表面產(chǎn)生顯著破壞，因?qū)λ诌w移認(rèn)識不足和目前技術(shù)等方面的限制，文物界認(rèn)為水引起的返堿和生物病害是文物保護(hù)研究的難點(diǎn)。

2、隨著電子技術(shù)和圖像技術(shù)的發(fā)展，人類對自然現(xiàn)象的認(rèn)識已經(jīng)從“眼睛”看和“”人腦“”記憶的時代進(jìn)入到了無線感知和圖像（光學(xué)和紅外）認(rèn)知現(xiàn)象的信息化和智能化的時代，對自然現(xiàn)象的認(rèn)識從表面現(xiàn)象進(jìn)入到數(shù)據(jù)化的時代，促使文物保護(hù)技術(shù)的發(fā)展也從經(jīng)驗時代進(jìn)入到理性時代，理性的認(rèn)識依賴于數(shù)據(jù)的收集和規(guī)律的認(rèn)識，獲取土遺址返堿和生物病害的數(shù)據(jù)成為文物保護(hù)的熱點(diǎn)和關(guān)鍵。許多學(xué)者嘗試建立可見光-近紅外光譜的反射率與樣品的水分、鹽分等性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系,然而土壤的含水量預(yù)測模型很難應(yīng)用于土遺址表面含水量的測定；也有學(xué)者嘗試用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法建立高光譜反演土壤水分的模型，但模型的變量眾多,模型運(yùn)算效率較低,穩(wěn)定性較差,實用性差。也有學(xué)者用紅外攝像儀檢測土遺址表面的溫度變化，嘗試用紅外圖像發(fā)現(xiàn)水對土遺址返堿和生物病害的影響，但目前的紅外檢測設(shè)備圖像容易受外界環(huán)境（溫度、光線）的影響，測試結(jié)構(gòu)只有文物含水量比較大時才有效，結(jié)果偏差較大且工作量，實際解決問題的效果差。可見，單一的技術(shù)無法解決土遺址底部表面病害預(yù)測，充分考慮土遺址土體不可破壞原則，建立快速、可靠的土遺址底部表面病害預(yù)測方法是土遺址保護(hù)科學(xué)化和規(guī)范化的必然趨勢。

3、為此,我們提出基于智能傳感和紅外圖像技術(shù)土遺址底部表面病害預(yù)測方法，為古建筑返堿和生物病害預(yù)防提供指導(dǎo)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有土遺址表面返堿等病害的認(rèn)知、評價和預(yù)測尚處于“眼睛”層面定性評價的現(xiàn)狀,依據(jù)智能感知和紅外圖像技術(shù)，通過土遺址基礎(chǔ)濕度實時監(jiān)測、土遺址底部表面紅外圖像實時監(jiān)測、圖像濕度特征值計算等方法，建立底部表面返堿和生物病害演化數(shù)據(jù)庫、病害演化濕度特征曲線為關(guān)鍵指標(biāo)的病害預(yù)測體系,以解決現(xiàn)有土遺址表面病害評價的隨意性和病害處理的盲目性，本發(fā)明提供了一種基于智能傳感和紅外圖像技術(shù)土遺址底部表面病害預(yù)測方法。

2、為實現(xiàn)發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

3、為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用的具體技術(shù)方案如下:

4、一種基于智能傳感和紅外圖像技術(shù)土遺址底部表面病害預(yù)測方法，包括以下步驟：

5、s1、?利用底部表面紅外傳感圖像獲取系統(tǒng)獲得遺址底部的紅外圖像，形成基于紅外圖像的毛細(xì)水上升高度的變化曲線；

6、s2、基礎(chǔ)濕度監(jiān)測傳感系統(tǒng)采集遺址基礎(chǔ)位置的濕度、溫度、鹽分?jǐn)?shù)據(jù)；

7、s3、繪制遺址基礎(chǔ)位置的濕度、溫度、鹽分與時間的關(guān)系曲線，然后根據(jù)紅外圖像中的溫度建立遺址表面位置的平均拐點(diǎn)值、濕度、鹽分與時間關(guān)系的曲線，進(jìn)而得出土遺址表面位置返堿和生物病害的基本曲線特征，根據(jù)基本曲線特征的形狀和變化趨勢，形成產(chǎn)生病害特征曲線數(shù)據(jù)庫，從而預(yù)判監(jiān)測土遺址病害發(fā)展趨勢。

8、其中，基本曲線特征有明顯拐點(diǎn)，表示土遺址在拐點(diǎn)區(qū)域，含水率高且變化劇烈，容易產(chǎn)生水分運(yùn)移和遺址表層水分蒸發(fā)，進(jìn)而引起表層開裂和鹽分集聚等病害。根據(jù)返堿和生物病害發(fā)生前后的拐點(diǎn)值曲線形狀和變化趨勢，形成產(chǎn)生病害特征曲線數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而預(yù)判監(jiān)測土遺址病害發(fā)展趨勢

9、進(jìn)一步地，所述利用底部表面紅外傳感圖像獲取系統(tǒng)獲得遺址底部的紅外圖像，形成基于紅外圖像的毛細(xì)水上升高度的變化曲線具體步驟為：

10、s101、首先對遺址底部的紅外圖像的溫度數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行上邊界分析：選取上邊界以上區(qū)域的紅外圖像的溫度數(shù)據(jù)，對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行均值計算；

11、s102、采用冪函數(shù)對溫度矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)上邊界數(shù)據(jù)的變化；

12、s103、把冪函數(shù)處理的溫度數(shù)據(jù)矩陣轉(zhuǎn)化為增強(qiáng)的紅外圖像，以圖像的方式判定毛細(xì)水上升的高度；

13、s104、在圖像的中部區(qū)域選取多個位置，自下而上畫出多條溫度曲線，記錄每個溫度曲線的拐點(diǎn)，并求出平均拐點(diǎn)值；

14、s105、獲得不同時間紅外圖像的平均拐點(diǎn)值，畫出平均拐點(diǎn)值與時間的關(guān)系曲線，形成基于紅外圖像的毛細(xì)水上升高度的變化曲線。

15、進(jìn)一步地，選取上邊界以上10-20cm高度以下的區(qū)域的溫度數(shù)據(jù)作為分析對象。

16、進(jìn)一步地，采用冪函數(shù)對溫度數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)上邊界數(shù)據(jù)的變化得過程為：

17、對原始溫度數(shù)據(jù)矩陣除以平均溫度得到均一化的矩陣，定義冪函數(shù)的冪指數(shù)n，選取2-4之間的范圍，構(gòu)造冪數(shù)函數(shù)公式（1）

18、

19、采用冪函數(shù)對均一化矩陣進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化，以增強(qiáng)上邊界數(shù)據(jù)的變化。

20、進(jìn)一步地，采集遺址底部的紅外圖像時，首先云臺把紅外相機(jī)移動到圖像采集位置，延時1s后工控機(jī)打開紅外相機(jī)并拍攝紅外圖像，然后將紅外圖像數(shù)據(jù)反饋給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的處理器，獲得紅外圖像的溫度數(shù)據(jù)。

21、進(jìn)一步地，步驟s3的具體過程為：首先根據(jù)基礎(chǔ)濕度監(jiān)測傳感系統(tǒng)根據(jù)不同測點(diǎn)的位置的數(shù)據(jù)，繪制濕度、溫度、鹽分與時間的關(guān)系曲線；

22、其次，建立溫度平均拐點(diǎn)值、濕度、鹽分與時間關(guān)系的數(shù)據(jù)，繪制溫度平均拐點(diǎn)值、濕度、鹽分與時間關(guān)系的曲線；

23、最后，分析溫度平均拐點(diǎn)值、濕度、鹽分與時間關(guān)系的曲線變化趨勢規(guī)律及其相互關(guān)系，獲得表面溫度與基礎(chǔ)濕度間的關(guān)聯(lián)度指標(biāo)，獲得土遺址表面返堿和生物病害的時對應(yīng)的溫度平均拐點(diǎn)值、濕度、鹽分與時間關(guān)系的基本曲線特征，進(jìn)而預(yù)判監(jiān)測土遺址病害發(fā)展趨勢；并進(jìn)行提前防范病害。

24、具體的，對于土遺址中的某點(diǎn)，可以根據(jù)紅外圖像和溫度與濕度的關(guān)系，繪制出該點(diǎn)每天的濕度變化曲線，并找出每天的曲線中的拐點(diǎn)值，把每天的拐點(diǎn)值集中在一起，得到拐點(diǎn)變化曲線，再根據(jù)土遺址表面的鹽分變化和表層風(fēng)化進(jìn)展，可以總結(jié)產(chǎn)生土遺址表面返堿和生物病害的基本曲線特征，這樣有明顯拐點(diǎn)的曲線，表示土遺址在拐點(diǎn)區(qū)域，含水率高且變化劇烈，容易產(chǎn)生水分運(yùn)移和遺址表層水分蒸發(fā)，進(jìn)而引起表層開裂和鹽分集聚等病害。根據(jù)返堿和生物病害發(fā)生前后的拐點(diǎn)值曲線形狀和變化趨勢，形成產(chǎn)生病害特征曲線數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而預(yù)判監(jiān)測土遺址病害發(fā)展趨勢，建立土遺址基于智能傳感和紅外圖像技術(shù)土遺址底部表面病害預(yù)測方法，提前采取措施，控制土遺址表層水分變化幅度，減小特征曲線的拐點(diǎn)值，為土遺址保護(hù)提供依據(jù)和預(yù)防性保護(hù)提供指導(dǎo)。

25、進(jìn)一步地，基礎(chǔ)濕度監(jiān)測傳感布置土遺址周圍地面以下0.5-2米范圍內(nèi)，采用陣列方法，一個點(diǎn)自上而下可以布置1個或多個。

26、其中，采用下述裝置實現(xiàn)上述方法，包括土遺址基礎(chǔ)濕度監(jiān)測傳感系統(tǒng)、底部表面紅外傳感圖像獲取系統(tǒng)、紅外圖像處理系統(tǒng)、返堿和生物病害演化數(shù)據(jù)庫；

27、所述基礎(chǔ)濕度監(jiān)測傳感系統(tǒng)，用于實時采集地下水位變化引起基礎(chǔ)濕度的變化值；

28、所述底部表面紅外傳感圖像獲取系統(tǒng)，用于實時采集土遺址底部表面的紅外圖像；

29、所述紅外圖像處理系統(tǒng)，用于強(qiáng)化紅外圖像的溫度差異值和獲取遺址底部表面溫度的特征值；

30、所述返堿和生物病害演化數(shù)據(jù)庫，用于獲得土遺址表面溫度的變化、表面溫度變化曲線、表面溫度與基礎(chǔ)濕度間的關(guān)聯(lián)度等指標(biāo)，形成返堿和生物病害預(yù)測方法。

31、所述基礎(chǔ)濕度監(jiān)測傳感系統(tǒng)包括傳感設(shè)備、數(shù)據(jù)采集軟件和筆記本電腦。傳感設(shè)備具有wifi功能，能夠采集濕度、溫度、鹽分等功能；采集軟件具有存儲數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)曲線顯示功能。

32、所述底部表面紅外傳感圖像獲取系統(tǒng)，包括紅外圖像采集相機(jī)、圖像采集軟件和筆記本電腦。紅外圖像采集儀具有wifi功能，具有縮放、旋轉(zhuǎn)、傳輸及圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能。進(jìn)行定點(diǎn)數(shù)據(jù)采集與傳輸時，首先云臺把紅外相機(jī)移動到圖像采集位置，延時1s后工控機(jī)打開紅外相機(jī)并拍攝紅外圖像，然后將圖像數(shù)據(jù)反饋給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的處理器。

33、發(fā)明的有益技術(shù)效果:

34、（1）本發(fā)明根據(jù)紅外圖像中溫度場分布及變化差異進(jìn)行強(qiáng)化分析，規(guī)避由外部環(huán)境產(chǎn)生的各類干擾，正確無誤的提取出所拍攝紅外圖像中溫度分布及變化規(guī)律；具有簡便高效、準(zhǔn)確性高的特點(diǎn)，采用智能傳感和紅外圖像技術(shù)，無需接觸測試，比起接觸式測試更為簡便，采用無線數(shù)據(jù)傳輸代替接觸式測試，提高了測試的效率和測試的范圍，尤其是紅外圖像技術(shù)提高了病害識別的范圍和效率。

35、（2）基礎(chǔ)前瞻性監(jiān)測數(shù)據(jù)提高了后續(xù)紅外圖像的監(jiān)測的針對性，根據(jù)毛細(xì)水傳遞的規(guī)律和遷移路徑，基礎(chǔ)部位傳感器的濕度和鹽分的變化是后續(xù)土遺址表面濕度和溫度變化的前提，當(dāng)溫濕度傳感器數(shù)據(jù)突然增加時，應(yīng)加強(qiáng)紅外圖像監(jiān)測遺址表面變化的頻率，以及時發(fā)現(xiàn)土遺址表面水分的變化。

36、（3）返堿和生物病害演化數(shù)據(jù)庫提高了遺址表面病害分析的科學(xué)性，為發(fā)現(xiàn)和減少土遺址表面病害提供了大量數(shù)據(jù)和依據(jù)，避免了出現(xiàn)病害單純專家靠經(jīng)驗討論下結(jié)論的現(xiàn)象。

37、（4）采用圖像增強(qiáng)技術(shù)，提高了發(fā)現(xiàn)毛細(xì)水上升邊界的準(zhǔn)確性，形成的增強(qiáng)數(shù)據(jù)的紅外圖像，更容易發(fā)現(xiàn)毛細(xì)水上升的高度，提高了識別的準(zhǔn)確性和可視性。