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基于红外热成像的非法采砂全天候监测关键技术研究与应用

2024-09-19 74 上传者：管理员

摘要：非法采砂对河流生态和防洪安全构成了严重威胁。这种活动往往隐蔽性强，给监管工作带来了巨大挑战。在采砂过程中，河床受到扰动，导致水体浊度、透明度及总悬浮颗粒物浓度等关键指标异常升高，这些变化不仅影响了水体的物理特性，还可能对河流生态系统产生负面影响。为了有效监管非法采砂活动，可以利用红外热成像技术来监测水体温度的微小变化。这种技术能够追踪水体浊度和总悬浮颗粒物浓度的变化，从而为非法采砂活动的监测提供了一种新方法。结合自行研制的温度数据自动远程传输系统和信息推送系统，可以根据预设的温度报警阈值，通过电子邮件自动向管理人员发送警报，实现对采砂活动的常态化、全天候动态监测。

关键词：
智能监管
热成像
自动预警
采砂监管
非法采砂
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红外热成像技术因其独特的优势，在科研、医疗、电子等多个行业已有广泛应用，但其在水质检测等环境监测领域的应用尚处于起步阶段。特别是在采砂监管方面，我国多数地区面临监管人员不足、执法资源有限的挑战，包括专用码头、基地、船只和设备的缺乏，这些都增加了监管的难度。

非法采砂行为通常隐蔽性强，传统监管手段难以有效取证和打击，导致执法工作面临困难。非法采砂的危害广泛而深远，它不仅改变河床地貌，威胁下游基础设施的安全，还会扰乱水生生物的栖息地，破坏河流生态系统的平衡。此外，非法采砂活动会影响地表水与地下水的自然分配，可能导致地下水位下降和水质恶化，甚至改变河流流向，给防汛工作带来严峻挑战。因此采取便捷有效的非法采砂监管措施，有效打击非法采砂活动非常必要。

1、红外热成像原理

红外线是电磁波谱中位于可见光红光之外的一部分，所有温度高于绝对零度（-273.15℃）的物体都会根据其分子运动辐射出红外能量，这一现象构成了红外测温技术的基础。事实上，任何具有温度的物体都会因其分子的振动和转动而发射出红外线。

红外探测器能够捕捉这些辐射的红外能量，并将其转换为电信号。随后，成像装置将这些电信号转换为可以模拟物体表面温度分布的图像信号。经过电子系统的处理，这些信号最终在显示屏上呈现为与物体表面热分布相对应的热像图。

利用红外热成像技术，能够实现对目标物体远距离的热状态图像成像和温度测量，并进行相应的分析和判断。通过精确捕捉和分析热图像，红外热成像技术提供了一种强有力的工具，以便于监测和评估各种设备和环境的热特性。

2、红外热成像监测非法采砂可行性实验

红外热成像技术在监测非法采砂活动方面展现出巨大潜力。该技术通过在河岸安装的红外热成像仪来实现对河道内水体温度的全天候监测。这些红外热成像仪能够精确捕捉水体的温度变化，这些变化通常与水体中颗粒物浓度的变化相关联，因为采砂活动会扰动河床，导致水体颗粒度和温度分布的变化。

2.1 实验方案设计

实验采用两个坐标点同时测量并进行重复实验，分别设计了如下方案：分别测量了（a）静态清水；（b）静态浑水①；（c）静态浑水②；（d）静态浑水③；（e）静态浑水④；（f）动态清水；（g）动态浑水。其中浑水①～浑水④水的浑浊度以一定比例增加，动态浑水浑浊度与浑水④一致。由于采砂时，水体受扰动会产生动态浑水，本实验通过测量动态浑水模拟采砂活动中红外辐射产生的温度值。

2.2 实验过程及结果

在该实验中取清水5升，标准土壤组共四组每组200克，通过双坐标点测出两点温度取其平均值进行记录，测量四次并取平均值记录进表格中。先测量出静态清水和动态清水的温度值，之后逐步往平静的水体中加入标准土壤组，每加入一组后待水体平静后测量其温度值，在四组全部加入并分别测量过后搅动水体使呈现运动状态，用于模拟采砂活动造成的水体波动。具体测量数据见表1、表2。

2.3 可行性分析

通过实验记录，模拟了采砂活动对水体浑浊度及温度变化的影响。实验中，利用红外热成像仪观察到，随着清水逐渐变得浑浊，水体的温度测量值出现了变化。特别是在向清水中倒入浑水时，水面图像的颜色变化明显，这揭示了水体颗粒度浓度的变化。

在模拟采砂活动的动态实验中，通过红外热成像仪的水平线测量记录了水体温度的动态数据。河沙搅动时，温度数据出现明显波动，这与自然状态下物体温度变化的平滑曲线形成对比，后者通常只会缓慢上升或下降。

采砂活动会在瞬间搅动大量泥沙，导致水体瞬间变浑。水体垂直方向上的温度分层以及泥沙与水体吸热量的差异，在采砂机搅动时，水体的温度会瞬间发生变化。水流的自上而下的运动使得浑浊的、带有泥沙的水流向下游移动，形成一个由点散开的浑浊条带。

表1 不同浑浊度水体温度值表（℃）

表2 不同状态下浑水温度值表（℃）

红外热成像仪的应用可以有效地捕捉到采砂活动引起的水体温度和浑浊度的变化。通过分析不同时间点的热图像及其数值变化，可以识别出可疑河段区域的非法采砂行为。

3、监测系统研制

3.1 系统结构

通过红外成像监控仪进行前端数据采集，利用无线接入点（AP）将数据传输至5G基站。采集到的数据通过大屏显示、流媒体分发，并存储至机房服务器中。实时软件记录并根据预设阈值对数据进行分析比较，判断数据是否存在异常。

一旦检测到异常情况，系统将自动触发告警措施，包括发出声光报警、向值班人员发送邮件通知、并生成日志记录异常情况，确保及时响应和处理。这种高效的监控和告警系统不仅提高了监管效率，也为河道资源的可持续利用和水生态环境的保护提供了有力支持。系统结构图见图1。

3.2 系统页面设计

系统主页面具备视频区、温度区、曲线区和告警区等多个功能区域，以及温度告警设置阈值和相应的告警推送功能。在列表模块中，集成了视频树和画面树两个板块，使用户能够查看不同监控设施的画面，并在选定设备后，在同一视频显示功能区域同时观察到正常监控画面及红外热成像监控画面。监控画面视需求可切换为单画面、四画面、九画面或十六画面模式，以实现对监控区域的优化观察。

图1 系统流程图

图2 红外热成像采砂监控系统页面图

程序主界面的右侧是温度模块，配备了三个圆形表盘，分别显示最高温度、最低温度和平均温度，以及随时间变化的温度曲线。这种设计使监控者能够直观地观察到瞬时温度及整体时间段的温度变化情况。

下方的输出区有数据采集和新告警栏两个板块。数据采集板块展示了在一定时间间隔内采集的区域温度、温差比较、DVR IP地址等信息，而新告警栏则展示出现异常的数据指标，便于监控人员快速识别和回顾异常情况。此外，日志板块为用户提供了方便，可以查看当天的监控指标情况及告警抓图记录，便于后期的查找和分析。红外热成像采砂监控系统页面见图2。

3.3 自动告警设置

为有效监测非法采砂行为，采用了先进的自动预警机制。该机制通过比较连续帧图像中的温度值来实现。当检测到的温度变化超过预设的阈值时，系统会自动捕捉该帧图像，并收集温度值、时间、温差以及通道等关键信息。随后，这些信息通过电子邮件的方式自动发送给负责监管的人员。同时，系统界面上的显示框中相关条目将变为红色，并自动加入到新告警区域中，提醒值班监控人员注意并备查记录。

在阈值设定方面，考虑到不同监控环境和应用场景的多样性，系统允许通过现场调查和实验来调整阈值。用户可以在系统设置中根据需要进行修改，以适应特定的监控需求。此外，系统还允许修改值班人员的邮箱地址、告警声音等设置。

系统还包括一个针对水体浑浊度异常变化的监测模块，该模块支持多点信息收集和阈值预警。用户可以回顾区域历史信息，并进行总体趋势分析，以判断是否存在异常情况。一旦发现异常，系统将自动通过邮件将信息发送给相关人员，实现全自动的分析、告警、推送和跟踪，有效打击非法采砂行为。

此外，通过红外热成像仪，系统还能够监测可疑区域内船只的热量变化和船上人员的活动。结合这些信息，系统可以更精确地定位非法采砂活动，从而提高监控效率和响应速度。

4、结论

4.1 可行性

在采砂活动中，采砂机在特定位置作业时会迅速搅动河床，导致大量泥沙悬浮于水中，使水体变得浑浊。这种搅动不仅改变了水体的透明度，还影响了水体垂直方向的温度分层，因为泥沙与水体对热量的吸收能力存在差异，所以在采砂机作业时，水体的温度会瞬间发生变化。随着水流自上而下的自然流动，携带泥沙的浑浊水流会向下游扩散，形成一条从点源向外扩散的浑浊带。

利用红外热成像仪对这一过程进行监控，可以通过对比不同时间点捕获的图像及其温度数值变化，来监测可疑河段的非法采砂活动。红外热成像技术能够敏感地捕捉到由采砂引起的水体温度和浑浊度的变化，通过分析这些变化，监管人员可以及时发现并采取行动，从而有效打击非法采砂行为。

4.2 优点

在打击非法采砂方面，通过全自动的全天候监测，节省了以往通过人工定期巡查的资源成本，大大提高了打击效率，能有效提高对于非法采砂的威慑力度。红外热成像技术因其成本效益高而被广泛应用于监控系统中。其较低的购置和维护费用使得该技术在广泛部署时能够节约大量费用。红外热成像仪的运用，能有效监控和保护河道，维持其健康生态，对于保障河道堤防安全、保护人民生命财产安全具有重要意义。

此外，红外热成像技术的应用还有助于提升监管效率和响应速度，确保河道资源的合理利用和河道环境的可持续发展。通过这种技术，监管机构能够快速识别非法采砂活动，及时采取措施，从而有效维护河道秩序和生态平衡。

4.3 推广价值

红外热成像技术在打击非法采砂方面表现出色，在其他水体杂质颗粒监测领域同样具有广泛的应用潜力。例如，该技术可以有效地预警洪水爆发，通过监测水体温度分布的变化来预测洪水风险。此外，对于水体蓝藻爆发的监控，红外热成像技术也能够提供及时的监测和预警，帮助相关部门采取措施，减少水质污染和生态破坏。

总的来说，红外热成像技术因其高效、精准和多场景适用性，具有很高的实用价值和广泛的应用前景。通过这种技术，可以实现对多种环境和情况的实时监控，提高预警和应急响应能力。

文章来源:董治仪,宋伯宇,董乐妍.基于红外热成像的非法采砂全天候监测关键技术研究与应用[J].治淮,2024,(09):35-37.