Laboratoire national de métrologie et d’essais -...

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Laboratoire nationalde métrologie et d’essais

Thermographie aérienne

22 octobre 2008 MESUREXPO

Présentation du LNE

Surveillance des eaux de refroidissement de

centrales EDF

Conception et intégration des systèmesPOLMAR de la Douane Française

Thermographie aériennes de dizaines de villes

Diagnostic duréseau de chaleur et

détection de fuites (DOUA de

Lyon)


Présentation du LNE

1983 : Thermographie sol et vol de Meaux- Données aérienes pour carte- Données de toutes les façades (camion scanner )

1984 : Etude AFME : Evaluation de la thermographie aérienne pour la mesure des pertes de chaleur par les toitures. BURKHALTER, LNE

Développement de 3 capteurs IR dédiés- 2 scanners aériens équipés d’un ou deux corps noir dans le champs du miroir- scanner sol 3-5 µm pour des images de façades


Besoins - Exigences des clients

Besoin :Technique :

- disposer d’un outils capable de prioriser les actions de rénovation/réhabilitation- interpréter les données sur certains bâtiments pour comprendre le bâtiment

Communication : - Sensibiliser la population à la nécessité d’améliorer les performances de l’enveloppe

Concrètement, ce dont le donneur d’ordre a besoin :

Une thermographie aérienne qui donne des informations sur les déperditions des bâtiment (classification).Les images doivent être orthorectifiées (intégration à un SIG)Les rendus sont adaptés à l’objectif:

- communication- pré-diagnostic


Méthode proposée : Hypothèses générales

Essayer de réaliser une thermographie qui permette de comparer les bâtiments entre eux

Hypothèses « transferts thermiques »Les toitures et les conditions aux limites doivent être en régime permanent

- températures (int, ext, ciel)- coeff. éch. conv.

Les pertes par infiltrations/exfiltrations sont négligéesLes températures intérieures sont supposées identiques

Hypothèses « thermographie»Les émissivités sont connues ou supposées égales à 0.9Les toitures sont lambertiennes


Méthode à employer : Conditions de mesures

La température doit être basse � Chauffage, contrasteLe temps doit être sec

� transmission atmosphérique � condensation/givrage

Le vent doit être faible/constant� coefficient d’échange constant et faible (masques, pans de

toit…)� stabilité du porteur

Le travail de nuit est préférable- insensible aux différences de facteurs d’absorption CLO- pas de réflexions (ciel ou soleil)- conditions aérologiques favorables

Ciel clair (si vol de nuit)- contribution radiative faible- sécurité du vol


Méthode proposée : les acquisitions

Scanner à balayage optomécanique (mono ou multi éléme nts)� Refroidissement par azote liquide� Correction de dérive� Optique catadioptrique (focale peu sensible aux variations de tp)MAIS� Images très déformées (nécessite une modélisation mathématique du capteur)


Du point de vue thermiqueSi Text = 0°alorsLes températures apparentes des bâtiments s’échelonnent de 0°(isolation parfaite) à 6°env.�Env. 1°C par classe (s’il y a 6 classes)

La résolution thermique n’est donc pas un paramètre critique ! (0.04°C pourquoi faire ???)

En revanche, l’exactitude de mesure est critique (1°C est difficile à atteindre).Or, pour les systèmes à optiques

- non-uniformité de réponse spatiale (d’un point à l’autre du champs, d’un pel à l’autre) - non-uniformité de réponse temporelle (dérive différentielle des éléments).

Solutions ?- Corps noir dans le champs périodiquement (assez fréquemment) ou points de repères sol…- ou utiliser un scanner - …

Parenthèse capteurs


Du point de vue cartographiquePour le scanner, le géo référencement est compliqué !

- Calcul de la position du centre de chaque pixels,- nécessité de connaître les données de trajectographie pour chaque ligne (X, Y, Z, Roulis, Tangage, Lacet)



Du point de vue cartographique


L’o vecteur scan dans le repère localLo vecteur scan dans le repère terrestreR matrice de rotation en roulis (Roll)P matrice de rotation en tangage (Pitch)H matrice de rotation en cap (Heading)

Intersection direction scan - MNT


Calcul assez lourd mais :

Mais, le référencement est dit rigoureux et peu sensible aux conditions extérieures (par construction du capteur)

Pour une caméra, a priori plus simple , quoique…- une image est formée à chaque acquisition mais- les distorsions radiales de l’optique doivent être mesurées rigoureusement (banc)- l’indice du germanium varie très sensiblement avec la température (donc la focale)- le faible champs (36°en 640 ou 18°en 320 pour une taille pixel de 50 cm à 500 m) impose pratiquement de stabiliser pour éviter les trous.

D’un point de vue cartographique, les 2 solutions existent en photogrammétrie (visible).

Parenthèse capteursDu point de vue cartographique


Méthode possible : les acquisitions

Problématique Sur certaines villes, on observe des gradients de températures apparentes des toitures qui ne sont pas liés à leurs isolations propres mais à des différences de température d’air et des courants d’air, des effets climatologiques….

Relevés au solFacteur de transmission atmosphériqueCoefficients d’échanges par convectionTempératures d’air

ObjectifConstruire une carte de corrections prenant en compte les conditions extérieures des bâtiments

- Maillage de points choisis en fonction de la configuration des lieux- Construction d’un modèle d’échanges simplifié�Calcul d’une Température équivalente d’échanges�Construction (interpolation) de la carte des Températures équivalentes d’échange



5.025.1 )35.035.0()(9468.1 +−×=Φ vTT airsurfaceconvectif

)( 44cielsurfaceradiatif TT −××=Φ σε

Calcul des flux thermiques…

Calcul de la température équivalente d’échange tq :Hc (Ts – Tair) + Hr (Ts – Tciel) = Hglo (Ts-Teq)

L’objectif n’est pas de réaliser des calculs de flu x, mais une pondération entre les acquisitions !


Méthode proposée : le suivi des axes

TracéTient compte des contraintes

- zones d’exclusion, topographie, aéroport, direction du vent.

Suivi Logiciel Airscout (Becker)

- Permet de rentrer ses propres cartes- Suivi des axes précis (choix du zoom, rafraissiement > 5 Hz)- Possède un simulateur sol pour vérifier les coordonnées rentrées- Ecran pilote+ écran opérateur


Méthode proposée : le suivi des axes


Vecteur

Le Bimoteur : une nécessité� Sécurité� Obligation réglementaire pour les survols de nuit

L’avion : coût/efficacité sur les grandes surfaces� Rapide (qualité des mesures)�« Discret » (par rapport aux hélicoptères)� Installation du matériel dans l’avion certifiée par les organismes compétents.� Moins cher que l’hélicoptère (prix horaire et temps passé !)� Consommation raisonnable (surtout les avions les plus modernes)

Pour les grandes superficie, l’avion est le choix l e plus logique.

Lorsque le relief est compliqué ou que les villes so nt de petite taille (beaucoup de virages), l’hélicoptère est plus adapté.

Il ne faut pas exclure les autres moyens (ballons, dirigeables,..) .


Vecteur


Orthorectification et géoréférencement des images

Par le passé� utilisation de points d’appuis au sol � Interpolation « thin plate spline »�Des (dizaines de) milliers de points nécessaires à l’échelle d’une ville

Aujourd’hui� Géocodage paramétrique�Nécessite un matériels onéreux

Aujourd’hui comme hier, une étape importante : la m osaïque

Un moyen de contrôle-qualité.

Riche en information (fichier image codé 4096 niveaux)


Méthode proposée : la Classification

Pour le grand public, il est demandé d’établir une c arte sur quelques niveaux, ou chaque bâtiment est représenté par une s eule valeur.

� Les données doivent être comparables entre elles à l’échelle de la ville (ou par partie)

� Le passage de 4096 niveaux à 256 puis 6 niveaux doit être maîtrisé.



� Utilisation d’un grand nombre de bâtiments simultanés (distribution Gaussienne des niveaux des pixels en toiture)

� Exclusions des extrema (arbitrairement)

� Transformation d’histogramme (Nmax;Nmin) � 6 classes d’égale superficie



Le résultat, une classification discriminante perme ttant d’établir des priorités.

Exemple de mauvaise classification Exemple de bonne classification


Les rendus


Résumé sur la méthode

Des conditions de mesure strictement respectées

Un scanner avec correction de dérive

Une de prise en compte des conditions extérieures ( si possible)

Une mosaïque

Une classification statistique


Conclusion

Peu de retour de la part des villes

Le diagnostic thermique, ce n’est pas pour tout de suite !

Intérêt limité sur certain types de bâtiments

Nécessité de formation en aval – Interprétation d’ima ges

Nécessité d’information des donneurs d’ordre en amon t

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