研究报告：红外热成像与3D路面不平整测量算法在混凝土桥面板损伤评估中的应用

1. 研究团队与发表信息

本研究由Mikiko Yamashita（西日本高速道路工程四国有限公司）、Koichi Kawanishi（同机构）、Kenji Hashizume（同机构）及Pang-Jo Chun（东京大学土木工程系）合作完成，发表于期刊Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering（2025年，卷40，页2772–2792），DOI: 10.1111/mice.13406。研究获日本学术振兴会（JSPS）科研资助（编号21H01417、22H01561、23H00198）。

2. 学术背景与研究目标

科学领域：本研究属于土木工程中的桥梁健康监测与非破坏性检测（NDT）领域，结合红外热成像（Infrared Thermography, IRT）与激光表面轮廓测量技术，旨在解决混凝土桥面板隐蔽性损伤的早期检测难题。

研究背景：
- 问题：混凝土桥面板的劣化（如解体、铺装层与面板剥离）通常隐藏在沥青铺装层下方，传统方法（如钻芯取样）需在损伤严重时才能发现，导致维修成本高昂（日本高速公路维修成本达450亿日元/33公里）。
- 现有技术局限：电磁雷达（GPR）需近距离检测（10 cm内），无法覆盖车道接缝区域；单一红外技术仅能检测水平向空洞或水分，难以评估损伤深度进展。

研究目标：
开发一种结合IRT（检测水平损伤）与激光轮廓测量（评估深度损伤）的非破坏性方法，实现桥面板早期损伤的高效筛查，减少漏检并优化维修优先级。

3. 研究流程与方法

3.1 红外热成像技术开发

设备选择：
- 对比两种红外相机（表1）：长波红外（LWIR，Camera A）与短波红外（SWIR，Camera B）。最终选择Camera B（InSb传感器，NETD≤0.025°C，3–5 µm波长），因其更高的热灵敏度与抗干扰能力。
- 车载系统：相机以80 km/h速度拍摄路面（覆盖宽度3500 mm），通过投影变换（公式1）校正图像畸变。

检测条件优化：
- 瞬态热传导分析：建立有限元模型（FEM），模拟不同环境（日照、湿度）下损伤区域的表面温度差异。验证显示模型与实际桥面温度历史吻合度达99%（图8）。
- 实验验证：通过混凝土试件（含人工空洞，深度20–60 mm）确认Camera B可检测40 mm深度的100×100 mm空洞（图11）。

3.2 损伤自动检测算法

图像处理：
- 高斯滤波：提取温度异常区域（公式4），消除噪声。
- 多尺度滤波：针对不同损伤尺寸（0.2–3.8 m²），采用小滤波器（σx=0.1 m，σy=2 m）和大滤波器（σx=0.2 m，σy=4 m）结合，提升检测精度（F-measure达85%，图16-17）。

3.3 路面不平整测量

光切法（Light-Section Method）：
- 激光投影捕捉路面凸起（≥3 mm），与IRT结果融合（图19）。实验显示混凝土解体区域因密度降低导致体积膨胀，表现为路面凸起（图22）。

4. 主要结果

4.1 红外检测验证

• 桥梁A：检测894个网格点，严重损伤（钢筋暴露、解体）检出率100%，整体准确率85%（表3）。
  
• 桥梁C：红外筛查将锤击检测范围从368.03 m²缩小至8.98 m²（2.4%），显著提升效率（图27）。
  

4.2 损伤进展评估

• 时间序列分析：桥梁A的凸起区域逐年扩大（图25-26），表明混凝土解体呈加速趋势。
  
• 多模态融合：IRT与轮廓测量结合可区分损伤等级（图29）：IRT筛查早期损伤（阶段III），轮廓测量识别深度解体（阶段IV）。
  

5. 结论与价值

科学价值：
- 提出首个结合IRT与路面轮廓的多模态桥面板评估框架，解决了单一技术无法兼顾水平与深度损伤的难题。
- 通过FEM模型与实验验证，明确了水分滞留对红外检测的影响机制（图12-15），为检测时机选择提供理论依据。

应用价值：
- 经济效益：相比传统方法，无需车道封闭即可完成高速检测（80 km/h），单桥维修成本节省约1135万日元（桥梁A）。
- 安全性：早期预警可避免坑洞形成，延长桥面使用寿命。

6. 研究亮点

1. 技术创新：开发高灵敏度SWIR车载系统（Camera B）及多尺度滤波算法，实现亚毫米级温度差异检测。
   
2. 方法整合：首次将IRT与光切法结合，覆盖损伤全生命周期评估。
   
3. 工程适用性：通过参数调整（如温度阈值0.4°C），适配不同管理需求（避免漏检或仅筛查严重区域）。
   

7. 其他价值

• 数据积累：为未来基于深度学习（DL）的损伤预测模型提供数据集。
  
• 扩展应用：方法可推广至钢筋混凝土桥及机场跑道检测（如识别内部腐蚀裂缝）。
  

（报告字数：约2000字）