Úskalí práce s termokamerou v hydrogeologii

1. Úvod

Měření teplotních polí v reálném čase na principu termokamery není úplně z nejnovějších metod průzkumů souvisejících z pochopitelných důvodů hlavně s vojenským využitím. V osmdesátých letech minulého století se pomalu začaly uplatňovat termokamery i v civilním a průmyslovém sektoru. S možností detekce teplot v úrovni cca 300 °C a výše jsme koncem osmdesátých let experimentovali na mém bývalém pracovišti (vojenská výroba) v rámci dodávky prvních černobílých (systém greyscale, ne black and white) CCD kamer do tehdejší Československé socialistické republiky. Protože tyto kamery měly vlnový rozsah zasahující do oblasti infračerveného záření, bylo na nich možné pozorovat například prvotní počátky vzniku požáru. Po revoluci v roce 1989 se významným způsobem navýšily možnosti nákupu kvalitní techniky. V České republice tak nastal počátek výrazného rozmachu používání termokamer trvající až do současné doby.

Prvopočátky civilního výzkumu měření teplotních polí zemského povrchu a zemské atmosféry se zaměřovaly hlavně na klimatologii a meteorologii. Do konce milénia ale nebyly v České republice významné zkušenosti s využitím termokamer jak v geologii, tak i v hydrogeologii. V té době si pořídit termokameru za cenu přes milion bylo pro firmu střední velikosti nebo dokonce výzkumný ústav téměř nemožné. I zapůjčení termokamery pro geologický průzkum bylo obtížné, a to hlavně pro významnou možnost kameru poničit při pohybu v reálném terénu. Termokamera byla v té době využita při hydrogeologickém průzkumu v oblasti Děčínské termy. Výsledky průzkumu včetně specifika měření tepelných polí zemského povrchu termokamerou jsem prezentoval na hydrogeologické konferenci v Ostravě konané v roce 2001.

Od počátku milénia se termokamery stávaly více a více dostupné. Nicméně jsem se u kolegů, kteří si někde zapůjčili termokameru, neustále setkával s absolutní neznalostí základních principů měření. Pro kolegy bylo hlavně podstatné, že mají do zprávy barevný obrázek, bohužel mnohdy bez vypovídající schopnosti. Proto jsem na podkladě přednášky z roku 2001 sepsal v roce 2006 článek uveřejněný v časopisu Speleo o problematice měření teplotních polí. V současné době jsou k dispozici velmi kvalitní termokamery za relativně příznivé ceny, takže nastal i rozmach v jejich používání. Nicméně na hydrogeologickém kongresu konaném v roce 2017 bylo možné na přednášce o letecké termometrii opět sledovat, jak při zpracování dat z termokamery dělají operátoři stále stejné chyby, na které jsem upozorňoval již v roce 2001. Profesionální zpracovatelé tepelných polí pořízené z termokamery si ani v roce 2017 neuvědomovali základní fyzikální podstatu měření. K naměřeným tepelným polím země se v rámci zpracování dat chovali jako k měřením pro průmyslové účely. Zpracování bylo natolik zkreslující, že z prezentovaných výsledků jsme se maximálně mohli dozvědět, že komíny jsou horký a že na louce se pasou krávy. Vyhodnocených informací o teplotních polích využitelných v geologii a hydrogeologii bylo pomálu. Aby nedocházelo k další degradaci a dehonestaci měření teplotních polí termokamerou, prezentoval jsem přednášku z roku 2001 v rozšířenější formě na Hydrogeologickém kongresu v Ústí nad Labem v roce 2022. V obdobném rozsahu je i následující článek.

2. Termokamery

Prvotní znalosti o měření teplotních polí termokamerami jsem v roce 1999 čerpal od majitelů firmy TMVSS (TerMoVize Svoboda a Svoboda). Pan Svoboda senior se využitím termokamer zabýval už od osmdesátých let minulého století. V té době bylo použití termokamer pro terénní měření značně problematické. Nebyla to jenom jejich vysoká hmotnost, neskladnost a složitá manipulace, ale i nutnost chlazení kamer nejprve kapalným dusíkem, později kysličníkem uhličitým a posléze tzv. Peltierovými články. V současné době je nahrazují plně automatizované malé kamery od rozměrů souměřitelných s menší videokamerou VHS (pokud si ještě na tento formát vzpomenete) nebo mobilem. Snadná ovladatelnost, malá hmotnost a průmyslová robustnost, a hlavně vcelku rozumná cena předurčují využití těchto kamer i při náročných měření v terénu.

Termokamery se používají při měření teplotních polí infračerveného záření v intervalu vlnových délek 7,5 až 13 µm, odpovídajících teplotnímu rozsahu zhruba −40 až +1 500 °C a nechlazeného detektoru (optika je přesně broušená z monokrystalu germánia). V roce 2001 bylo rozlišení čipu v termokameře 320 × 240 pixelů a rychlost obrazové frekvence 50/60 Hz (fps). V současnosti je u komerčních termokamer rozlišení 2560 × 2048 pixelů s obrazovou frekvencí 8500 Hz (fps). Při takové frekvenci snímkování lze na externím monitoru sledovat změny tepelného pole v reálném čase. Svým technickým vybavením jsou termokamery předurčeny hlavně pro průmyslové využití, v zemědělství nebo v lékařství. Bohužel při měření teplotních polí v exteriéru nelze u termokamer vzhledem ke geometrii měření a vlivu okolního prostředí plně využít všech jejich vlastností a funkcí.

Obr. 1: Ukázky nově vyráběných termokamer

3. Fyzikální podstata a problematika měření teplotních polí termokamerou

Jak jsem psal v předchozím odstavci, současně dostupné termokamery využívají při měření teplotních polí infračerveného záření v intervalu vlnových délek 7,5 až 13 µm. Už jsem se ale dříve setkal u pracovníků renomované státní firmy, kdy fotografie dodané vojenským topografickým ústavem v Dobrušce, pořízené také v infračervené části elektromagnetického spektra, vydávali za snímky teplotních polí a odvozovali z nich teplotu zemského povrchu ve Strážském bloku. Problém byl v tom, že fotografie z Dobrušky zpracovávají část infračerveného záření blízké červené části spektra, tedy vlnové délky kolem 1,2 µm (využívají se k leteckému průzkumu vegetace, u vojáků k odhalení maskované techniky). To je o řád více, než s jakým vlnovým rozsahem pracují termokamery. Jen pro ilustraci – to by musel mít povrch Strážského bloku teplotu kolem 300 °C, aby na těch fotografiích mohli odečítat rozdíly teplot. V termokameře bývají nasnímaná primární data uložena v plném rozsahu naměřených teplot. Teprve zpracováním těchto dat lze získat žádané informace o tepelných polích zemského povrchu. Nejčastěji se data zpracovávají do podoby obrázku ve formátu greyscale nebo ve velice ilustrativním formátu barev tuhnoucího železa (obr. 2). Obdobně jako RGB fotografie ve Photoshopu se mohou data zpracovat v plném rozsahu (např. od −200 °C do 1 200 °C), nebo si vybrat vhodný výsek teplot (např. při hledání vývěrů podzemních vod od −5 °C do 15 °C). Vlastní takto zpracovaný tepelný snímek krajiny se skládá z emise (vyzařování) a reflexe (odrazu) tepelného infračerveného záření. V praxi to znamená, že při analýze tepelných polí je nutné odlišit, zda nalezené anomálie nejsou způsobeny rozdílnou emisivitou měřených ploch (nejčastěji nerovný povrch obr. 3 a 4) a reflexí od okolních předmětů. Velmi vhodné bývá doplnit snímek tepelného pole i standardní fotografií RGB (viz obr. 3 a 4).

Obr. 2: Tepelné pole ve formátu greyscale a ve formátu barev tuhnoucího železa (tok Křinice)

Obr. 3: Zdánlivě vyšší teploty kolem ostrova jsou způsobeny vlněním vody (Berounka)

Obr. 4: Teplotní rozdíly vlivem nehomogenity skály (nahoře) a vliv jeskyně v podzemí (dole)

Konkrétní případ je patrný na snímku soutoků vod z kanálu od vodní elektrárny v Děčíně, Ploučnice a Labe (obr. 5). Jen pro úplnost uvádím, že zde popisovaná měření probíhala dne 22.02.2000 v časovém intervalu 6:30 až 9:00 hod. při teplotě vzduchu −10 °C (Děčín) do −13 °C (Srbská Kamenice viz dále). Klimatické podmínky – jasno, bezvětří; hydrologické podmínky průměrné, nadprůměrné průtoky. Na obrázku 5 je patrný vliv reflexe tepelného infračerveného záření předmětů od vodní hladiny na celkové zdánlivé teplotní pole (voda pro tepelné záření funguje jako zrcadlo). V levém dolním rohu obrázku je naprosto zřetelný odraz tepelného vyzařování Děčínského zámku (A) a nejedná se tedy o anomální přítok podzemních vod do Labe. Další anomálie jsou tvořeny nepravidelně ohraničenými chladnými oblastmi a navazujícími relativně teplejšími místy kolem břehů (B). Místa s relativně nižší teplotou řeky kolem břehů jsou zcela zřetelně způsobená reflexí prochladlé vegetace na březích.

Obr. 5: Rušivé teplotní jevy v oblasti soutoku Ploučnice a Labe

Předpokládáme-li, že těleso vyzařuje spojité spektrum elektromagnetického záření o Gaussově rozdělení vlnových délek, pak po odrazu od vodní hladiny se vyšší vlnové délky budou lomit pod menším úhlem než vlnové délky nižší (obr. 6). To znamená, že směrem od tělesa se nejdříve budou odrážet vyšší vlnové délky (chladnější), dále od tělesa vlnové délky nižší (teplejší). Jedná se tak vlastně o obdobu duhy na obloze. Místy si lze také relativně teplejší plochy při břehu velmi dobře vysvětlit snížením reflexe vyšších vrstev atmosféry o teplotě cca −200 °C (zdánlivá teplota kovových střech v levé části obrázku způsobena reflexí), opět vlivem rostlin nebo předmětů na březích Labe (viz opět obr. 6). Snížení vlivu odrazu vyšších vrstev zemské atmosféry je například patrný při březích a pod mostem přes kanál (C). Dalším místem se zřetelně patrnými reflexními jevy je nástupní molo v levé části snímku. Drobné světlejší body v pravé části obrázku (D) souvisejí s výskytem vodního ptactva (kachny, lysky, potápky) na hladině v okolí břehů. Jediným teplotním jevem, jenž je na snímku dokumentován, je mísení chladnějších vod na soutoku kanálu od vodní elektrárny a Ploučnice s Labem.

Obr. 6: Schematický nákres vlivu reflexe na celkový obraz tepelného pole

Aby bylo možné na zemském povrchu detekovat anomálie způsobené stavbou zemské kůry, tak se musí splnit řada podmínek. Předně musíme vědět, v jakém rozsahu chceme teplotní pole měřit. Znamená to, že než zapneme termokameru, měli bychom mít alespoň orientačně změřeno, v jakém teplotním rozsahu se budeme pohybovat (teplota vody, teplota zemského povrchu). Pokud jsou teplotní poměry na zemském povrchu vyrovnané (obleva, sněhový pokryv, období po dešti atd.), tak není možné termokamerou cokoli smysluplného změřit. Další chybou při snímání teplotních polí je jejich měření ve dne. Sluneční záření dovede teplotní pole země tak „zašumět“, že pořízené foto je k nepotřebě. Proto snímání teplotních polí je vhodné realizovat v období mezi západem a východem slunce. Při snímkování v létě se mi osvědčilo pracovat brzo po západu slunce, v zimě pak před jeho východem. Výrazný vliv má i aktuální oblačnost, protože zamračená obloha významně ovlivňuje reflexi terénu. Při snímání teplotních polí v zimě je nutné vzít i ohled na teplotní zátěž pro použitou techniku. Mimo kratší životnost akumulátorů to je i nižší citlivost snímače. Obchodníci sice uvádějí, že termokamery mají citlivost například 0,025 °C, ale v zimě je s ohledem na okolní prostředí (teplota vzduchu) o dost nižší, cca 0,1 °C. Musíme taky počítat, že běžný operátor s kamerou je zvyklý na průmyslové využití a nasnímané hodnoty nám zpracuje s nejvyšším kontrastem. Na obrázku sice budeme vidět, že komíny mají teplotu 40 °C a střechy −200 °C, ale toužebně očekávané projevy nehomogenit zemské kůry budou zastřeny. Doporučuji proto, aby při snímání a zpracování dat byla využita maximální citlivosti kamery cca 0,1 °C i za cenu, že některé teploty předmětů na snímku budou nerozlišitelné (třeba ty −200 °C „teplé“ střechy).

Obr. 7: Vývěry do Kamenice (na březích patrný počátek prohřívání povrchu sluncem v 9:00)

Pozemní prospekcí termokamerou lze v hydrogeologické praxi velmi dobře pozorovat zastřené vývěry podzemních vod do vodotečí. Na obr. 7 prezentuji v roce 2000 objevené přirozené vývěry podzemních vod z Děčínské termální struktury do řeky Kamenice v oblasti obce Srbská Kamenice. K nalezení zastřených vývěrů podzemní vody se termokamera velmi osvědčila. Proto byla termokamera využita v roce 2005 pro dokumentaci vývěrů do řeky Křinice (obr. 8).

Obr. 8: Přírony podzemních vod do Křinice

Ve speleologii je také možné využít měření teplotních polí k detekci jeskyní. Je ale nutné pečlivě odseparovat šum od tepelných projevů podzemních prostor (obr. 4 a 9). Hodně často jsou ty zásadní snímky pořízeny úplnou náhodou. Příkladem může být zkušební fotografie jezera ve velkolomu z výšky 700 m, kde se projevil vliv tektoniky (obr. 10, anomálie jsou v linii a s velikostí, že by se v jezeře museli koupat sloni, do teď se řeší, kam se ztrácí voda z toho jezera) nebo obdobný pokus z jedoucího auta, který odhalil vývěr teplých vod starým vrtem do Labe v oblasti Hřenska (obr. 10, odhaleno v roce 2005, sanováno 2022).

Obr. 9: Tepelná anomálie v suti, jeskyně na Chlumu

Obr. 10: Vývěry podzemních vod do jezera v lomu a odtok vody z vrtu u Hřenska

4. Letecká termometrie

Jak už z podstaty věci plyne, nejvhodnějším úhlem pro snímání teplotního pole zemského povrchu je úhel kolmý. V praxi to znamená z letadla. Protože jsem si párkrát osobně vyzkoušel tento způsob sběru dat o zemském povrchu, doporučil bych několik rad, aby si další případní zájemci o bádání v tomto oboru ušetřili nemalé finanční náklady. Dnes už některé firmy nabízejí snímkování povrchu terénu z dronů. Ale i tak je potřeba si předem rozmyslet, co od této práce chceme. Uvedu to na příkladu. Byl jsem požádán o snímání teplotních polí ve stěně velkolomu. Cílem prací bylo ověřit, zda karotáží změřené anomálie v monitorovacích vrtech odpovídají geologické stavbě. Hlavní podmínkou bylo s ohledem na požadované pozorování vývěrů podzemních vod, realizovat měření právě v zimních měsících bez sněhové pokrývky při tzv. holomrazech. Tedy, jak vyplývalo z výše uvedených informací, bylo nutné snímat teplotní pole povrchu při rozednění. V noci jsem si však nejdřív obešel dotyčná místa a orientačně si změřil několik teplot, abych věděl, jaké teploty mám sledovat. Významnou úlohu hraje i velikost snímaných objektů, případně plošný rozsah měřené oblasti (obr. 11). V našem případě se jednalo o pás 300 × 1500 m. Protože kamera byla tenkrát vybavena čipem 320 × 240 pixelů, byla rozlišovací schopnost 1 × 1 m na pixel pro naše potřeby dostatečná. Z výpočtů tak vyšel nálet jednoho profilu. Potřebná výšku letu v cca 700 m byla odvozena z úhlu snímání kamery cca 25 (šířka snímaného pásu 320 m, vypočtená letová výška 722 m). Mezi letadlem a zemí tenkrát bylo 700 m vzduchu o teplotě −5 °C. I tento údaj měl na snímané teplotní pole vliv. Při realizovaném měření (obr. 12) to mělo za následek absolutní posun teplot o −3 °C (měření dne 24.03.2006 v časovém intervalu 6:15 až 7:30 hod. při teplotě vzduchu −5 °C, klimatické podmínky – jasno, bezvětří).

Obr. 11: Princip výpočtu parametrů snímání teplotních polí z letadla

Obr. 12: Teplotní jevy způsobené podzemní vodou pozorované na stěně velkolomu

Důležitou roli hraje i volba letadla. Snímat teplotní pole nelze přes zavřené okno kabiny. Takto se zobrazí akorát teplota okna. U letadla je tak nutné vysadit dveře nebo snímat z otevřeného okna (zimní snímání teplotních polí je dost studená práce). Některá letadla typu Brigadýr mají sice otvor na spodní části kabiny, ale přes něj vedou plyny od výfuku. Před objektivem kamery proudící horké plyny dělají na snímcích tepelných polí dojem silného šumu. Volba letadla bude mít zajisté i vliv na rychlosti snímání jednotlivých záběrů. Při rychlosti letu 90 km/hod (např. Brigadýr na klapkách nebo minimální rychlost řady letadel typu ultralight) je rychlost snímání 1 obrázek za 2 s více než dostačující (viz obr. 11). Získáme tak velmi dobrý překryv snímků (v tomto případě téměř 80 %), který lze využít při případné nedokonalosti nasnímaných teplotních polí. Ale pozor. Množství pořízených snímků je limitováno obsahem vnitřní paměti kamery. Ta je ale v současnosti pro běžnou práci více než dostatečná (termokamera bývá stavěna na snímání rychlostí v tisících snímků za sekundu). V případě leteckého snímkování teplotních polí hraje velkou úlohu i bezpečnost práce. To, co si ohledně rychlosti dovolí pilot v 700 m nad zemí, kdy může v pohodě vybrat začínající vývrtku, si už nedovolí ve výšce 50 m nad zemí. Pokud se vám bude rychlost a výška letu zdát příliš vysoká, nenaléhejte na něj, aby letěl níž a pomaleji. Když podlehne vašemu tlaku, ať již finančnímu nebo ze známosti, vy pak můžete podlehnout smrtelné letecké nehodě. Bude-li potřebná rychlost letu nižší než pádová rychlost běžně dostupných letadel (ultralight více než 60 km/hod), je vhodnější zvolit si k letu vrtulník nebo využít služeb dronů. Při objednávce prací je nutné vysvětlit operátorovi dronu a zpracovateli dat, co si od tohoto měření slibujete. Aby vám pak nedodali zpracované záznamy, kde budou jenom horké komíny a zvířata na poli…