Drony s termovizí aneb Když chceš vidět teplo!

Ještě relativně nedávno platilo, že pokud bylo potřeba nějaký objekt nasnímat nikoliv ve viditelném spektru (RGB kamery), ale pomocí termovize, nebylo jiné cesty než použít ruční termokamery. S ní se ale nebylo možné dostat vždy tam, kde by to bylo zapotřebí. Navíc při požadavku snímat tepelné spektrum ze vzduchu, bylo nutné povolat do akce velkou a na provoz nákladnou helikoptéru. Třeba při hledání ztracených lidí v lese.

Popisovaná omezení přitom padla s tím, jak se mezi profesionály, ale i nadšené soukromé uživatele, začaly ve větší míře dostávat drony. To, co mnohdy začalo jako amatérský koníček s různě podomácku sestavovanými stroji, se za nemnoho let proměnilo ve specifické průmyslové odvětví, které dnes nabízí pestrou škálu dronů s předem instalovanou snímací soustavou. Případně je možné využít i modely, k nimž lze snadno připojit různá externí zařízení – termovizní snímání určené pro drony nevyjímaje.

Využití dronu s termovizí – bezdotykové měření teploty

Možností, jak můžete využít dron s termovizí, je v praxi možná i více, než si řada lidí myslí. Do tématu nezasvěcený čtenář či uživatel si nejspíš vybaví aplikace, kdy se pomocí dronu s termokamerou snímá opláštění domu a hledají se možné úniky tepla a jiné podobné případy. Tedy hlavně situace, při nichž nejsou až tak podstatné konkrétní teploty měřeného objektu, jako spíše teplotní rozdíly (tepelné mosty apod.).

Pro tyto a podobné případy se používá bezdotykové měření teploty, odborně neradiometrická termografie, stejně jako vyhodnocování již zmiňovaných teplotních změn nebo teplotních rozdílů. Podobně lze dálkové měření teploty využít pro vyhledávání osob ve volné přírodě nebo třeba lokalizaci zvěře v poli pro zajištění její bezpečnosti před použitím těžké zemědělské techniky (kombajny a další těžké stroje). Krásným příkladem posledního zmíněného nasazení je naše video o záchraně srnčat před senosečí.

DRON s TERMOVIZÍ - Zachraňujeme životy srnčátek?! | DJI M300 + Zenmuse H20N

Základní rozdělení termografie

• Bezdotykové měření teploty (kvantitativní termografie)
• Vyhodnocování teplotních změn (kvalitativní termografie)
• Noční vidění, vyhledávání ztracených osob, lokalizace nebo počítání zvěře

Bezdotykové měření teploty – kvantitativní termografie

V případě využití dronů a kvantitativní termografie se teplota zaznamenaná pomocí dronu s termovizí využívá jako diagnostická informace k posouzení stavu měřeného objektu.

Hovoříme modelově o případech, jako je kontrola funkčnosti fotovoltaických panelů, hledání závad u vedení vysokého napětí a podobně. Na drony s termovizí klademe v těchto případech poměrně vysoké nároky – využíváme takzvané radiometrické termovize, tedy měření skutečné povrchové teploty, ale samozřejmě i jejích rozdílů.

Nejčastější využití dronu s termovizí pro bezdotykové měření teploty

• Diagnostika rozvodů a jednotlivých prvků sítě vysokého napětí – Pomocí dronů a termovize se obvykle hledají teplá či horká místa, která značí závadu v podobě přehřívání transformátorů nebo míst, kde vznikl přechodový odpor.
• Diagnostika fotovoltaických elektráren – V těchto případech se vyhodnocují teplotní změny na povrchu fotovoltaických panelů (horká místa, hotspoty), která signalizují poruchu, nebo poškození daného panelu.
• Kontrola a diagnostika různých technologií – Pomocí dronů s termovizí se kontrolují různé pece, sila, komíny a podobné objekty a technologie, kde mohou lokální teplotní rozdíly signalizovat slabá místa nebo přímo poruchu či poškození.
• Precizní zemědělství – V precizním zemědělství najde své využití jak multispektrální snímání, které pomáhá s vyhodnocením kvality porostu, tak i termometrie, a to zejména v případě diagnostiky závlahových systémů a zjišťování vlivu sucha na povrchovou teplotu vegetace.
• Kontrola spalování zbytkového plynu – Pomocí dronů a termovize lze měřit teplo u ústí hořáků a dle zjištěných údajů pak optimalizovat spalování.

Monitorování teplotních změn – kvalitativní termografie

V případech, kdy není nutné znát přesnou teplotu snímaného objektu a stačí nám pouze informace o teplotních rozdílech, můžeme využít neradiometrickou metodu, tedy kvalitativní termografii. Díky tomuto zjednodušenému způsobu měření můžeme zjistit přítomnost problému nebo závady, nebudeme ale schopni určit její přesný stupeň. I to ale mnohdy plně dostačuje.

Díky rozdílům teploty měřeného povrchu nebo oblasti (rozdíl barev na obrazovce termokamery z dronu) můžeme lokalizovat třeba srnče na poli, kde je plánovaná senoseč, lidi ztracené v lese a podobně. Takto jde rovněž odhalit třeba tepelné mosty na budovách, poruchy na teplovodech, závady na přehradách nebo místa, kde dochází k zatékání do plochých střech. V poslední době se toto řešení často využívá pro možné zateplení střechy panelových domů, kterých je v České republice hodně.

• Lokalizace zatékání do plochých střech – V případech zatékání se objevují teplotní rozdíly v místech, kde je střecha v pořádku (rychleji vysychá) a kde dochází k zatékání (místo je déle vlhké, tedy chladnější).
• Lokalizace netěsnosti vodních přehrad – Možné praskliny nebo průsaky na tělese vodní přehrady lze objevit díky nižší teplotě takového místa, zejména v situacích, kdy na danou plochu svítí slunce.
• Archeologie – Specifické využití najde kvantitativní termografie také v archeologii.
• Kontrola obvodových zdí budov – Pomocí termovize lze snadno odhalit a lokalizovat tepelné mosty nebo jiné netěsnosti na povrchu budov.

Noční vidění pomocí dronů a termovize – „search and rescue“

Vzhledem k tomu, že termokamery měří odražené teplo, nepotřebují ke své funkci zbytkové světlo tak jako noktovizory, můžeme je tedy využít i v naprosté tmě. Stejně tak poslouží i za šera, pokud hledáme teplejší objekty (osoby, zvířata) na chladnějším pozadí. Termovize zároveň dokáže „vidět“ i skrz kouř.

Při tomto způsobu využití dronů a termokamer není nutné nasazení přesnější radiometrické termovize, stačí monitorování teplotních rozdílů a změn díky kvalitativnímu snímání.

• Vyhledávání a záchrana osob
• Záchrana srnčat před senosečí
• Počítání zvěře – Ve všech výše uvedených případech se využívá teplotního rozdílu mezi hledaným objektem a okolím.
• Hasičské a jiné záchranné operace – Využívá se jednak teplotního rozdílu podobně jako ve výše uvedených případech, ale také schopnosti termovize vidět skrz kouř. Drony s termovizní kamerou slouží nejen k vyhledávání osob, ale také k lokalizaci ohnisek požáru (jako v případě velkého lesního požáru v NP České Švýcarsko v létě 2022).

Základní pojmy nejen droní termovize

Zatím jsme si popsali a probrali obecnější rozdělení a využití termovize u dronů, přidali vícero praktických příkladů, ale také jsme se oháněli řadou specifických výrazů. Pojďme si nyní ty nejdůležitější vypíchnout a vysvětlit. Stejně tak se můžeme dotknout tématu funkce termovizních kamer jako takových, ale rovněž i parametrů, jaké lze u současných dronů s termovizí očekávat nebo požadovat.

Když to vezmeme od úplného základu, pak je vhodné připomenout, že „termokamerou“, případně „termovizí“ máme na mysli zařízení, které lze popsat rovněž výrazem „infračervená termografická kamera“.

Samotný výraz „termovize“ bychom mohli volně přeložit jako schopnost „vidět teplo“. Fakticky se jedná o výraz odvozený od původního obchodního názvu ThermoVision společnosti Agema. Jejich teplotní kamery totiž byly ve své době natolik úspěšné, až se výraz „termovize“ stal běžně užívaným pojmem v oboru infračerveného snímání teploty. Pominout bychom neměli ani pojem „termogram“, který reprezentuje výsledný snímek pořízený termální kamerou.  

Termovize radiometrická a neradiometrická

Výše v textu jsme se nejednou setkali s pojmy radiometrická, případně neradiometrická termovize. Co tyto výrazy označkují? Do určité míry lze postavit rovnítko mezi ně a termíny kvantitativní a kvalitativní termometrie.

Drony vybavené radiometrickou termovizí jsou schopny přímo určit povrchovou teplotu (k dosažení odpovídajících výstupů je potřeba dopředu do přístroje zadat správné parametry. To ale není předmětem dnešního článku. Zase tak hluboko se do tématu nořit nemusíme) zkoumaného objektu, nikoliv pouze její rozdíly. Radiometrická termovize je tedy nezbytným základem kvantitativního bezdotykového měření teploty.

Naopak, pokud nám jako výsledek stačí snímek (termogram) zobrazující pouze teplotní rozdíly na povrchu snímaného objektu (rozdíly v barvě na obrazovce), využíváme tzv. kvalitativní termometrie, tedy neradiometrické termovize (pomocí neradiometrické termovize u dronu lze odhalit možnou přítomnost závady zkoumaného objektu, povrchu, s radiometrickou termovizí můžeme určit i stupeň závady).

Rozhodující parametry měření termovizí

Stejně jako nás v případě dronů s klasickou RGB kamerou zajímají takové věci,  jako je rozlišení snímače, minimální clona, ohnisková vzdálenost, případně rozsah citlivosti, najdeme u dronů s termokamerou řadu parametrů, které definují jak kvalitu konkrétního záznamového zařízení, tak mají zásadní vliv na možnosti a způsoby jeho využití.

V případě termovizí na dronech nás zajímá především:

• rozlišení termovize,
• pozorovací úhel objektivu (FOV),
• případně přesnost termovize.

Rozlišení termovize

Jedná se o fyzické rozlišení mikrobolometrického senzoru, tedy o počet jeho pixelů. Dnešním standardem je u letecké termografie, kam se počítají i drony s termokamerou, rozlišení 640x512, nebo alespoň 640x480. Ještě relativně nedávno bylo rozlišení i dražších termokamer pro drony skoro o polovinu menší (např. 336x256). Doba jde ale kupředu i v tomto oboru a dostatečně vysoké rozlišení dnes nabízí i dostupnější drony s integrovanou termovizí, jako je DJI Mavic 3T.

Teplotní citlivost

V případě teplotní citlivosti porovnáváme nejmenší teplotní rozdíly, jaké dokáže termovizní kamera zachytit a dále reprodukovat. Standardem dnešní doby je hodnota 50 mk, tedy 0,05 °C. Termální kamera s touto citlivostí dokáže detekovat a změřit teplotní rozdíl větší než 0,05 °C (vychází se ze situace, kdy se teplota měří na černém tělese, jehož emisivita je rovna jedné).

Pozorovací úhel (FOV)

Pozorovací úhel je obdoba šířky záběru u klasické RGB kamery. Tedy jak velkou výseč senzor a na něj navázaná optika snímají. V případě dronů a jejich termokamer může být zvlášť definován úhel pro horizontální (hFOV) a zvlášť pro vertikální rovinu (vFOV) obrazu.

Přesnost termovize

Zejména u radiometrické termovize nás někdy zajímá také přesnost měření, i když, až na určité výjimky, nejsou případy nasazení termovize na tuto vlastnost vysloveně náročné – není vyžadována „absolutní přesnost“ bezdotykového měření teploty. Hodnota obvyklá pro současné termovizní kamery je proto +/- 2 °C, případně 2 % z dostupného rozsahu měřených teplot.

Další parametry termovize

Pro určité situace a určité nasazení termovize mohou být důležité i další parametry, například nejvyšší měřitelná teplota (třeba při měření teploty spalin), ale také spektrální rozsah termovize. V tomto případě se obvykle pohybujeme v rozsahu 8 až 14 µm.

Jak se měří teplota dronem? Aneb mikrobolometrická pole

Až na skutečně nepatrné výjimky se u současných dronů s termovizí využívají k bezdotykovému vyhodnocování teplot a jejich rozdílů tzv. mikrobolometrická pole. Případně lze pro tento druh snímačů využít zjednodušeného výrazu mikrobolometry.

Tak jako RGB kamery využívají senzory složené z velkého množství světlocitlivých buněk tvořící jednotlivé pixely výsledného obrazu (vždy 3 buňky na 1 pixel – RGB), využívají termální kamery senzory složené z jednotlivých mikrobolometrů. Každý z nich představuje jeden pixel výsledného obrazu (termogramu), jelikož každý z nich vyhodnocuje teplotní změny snímaného objektu.

Drony s termovizí – integrace nebo možnost externího zařízení

V dobách počátků práce s drony osazenými termovizí bylo téměř vždy nutné využít samostatnou nosnou multikoptéru a k ní připojit externí termokameru. Výrobců samostatných termokamer je přitom i dnes celá řada.

Další roky nasměrovaly vývoj k častější a užší spolupráci výrobců dronů a dodavatelů termovizních snímačů. Výsledkem jsou dnes moduly s termovizí, které dodává přímo výrobce dronu. V jejichž nitru se ale obvykle nachází technika samostatného výrobce termovizních kamer.

Drony s externí termokamerou

Stále existují jak možnosti, kdy lze kameru s termovizí přímo zapojit do bajonetového úchytu dronu, tak i varianty, kdy je termovizní kamera stále samostatnou jednotkou, kterou můžete upnout třeba do originálního gimbalu dodávaného výrobcem dronu. Ve všech těchto případech hovoříme o striktně profesionální výbavě s náležitou pořizovací cenou, ale i vysokou kvalitou konečného výstupu.

Drony s integrovanou termokamerou

Třetí, atraktivní a postupně se rozšiřující cestu představují drony s integrovanou termokamerou, které jsou díky tomuto řešení uživatelsky nanejvýš přívětivé. Jako vzorové příklady můžeme jmenovat profesionální řadu DJI M30T se značně unikátní výbavou a letovými parametry. Výrazně levnější variantou s neméně kvalitní termovizí je dron DJI Mavic 3T. Obě možnosti nabízí srovnatelné rozlišení 640x512 pixelů.

Alternativou zmíněného dronu DJI Mavicu 3T je model Autel EVO II DUAL, který nabízí rozlišení termokamery 640x512 p s obrazovou frekvencí 30 Hz, ale také RGB kameru s rozlišením 48 MP a 4násobným zoomem. Nutno ale podotknout, že nová řada dronů DJI Mavic 3 Enterprise zasadila v tomto směru Autelu slušnou ránu, jelikož třeba zmíněný Mavic 3T se nabízí za cenu zhruba o půlku nižší, než jak je tomu u Autelu EVO II Dual.

Praktické příklady dronů s termovizí

DJI Mavic 3T – základní popis a přednosti termokamery

Nejen hasiči, záchranáři, výškoví inspektoři nebo účastníci nočních misí ocení termální senzor s 61° DFOV a kvalitou obrazu 640×512 při 30 fps. DJI Mavic 3T změří teplotu v konkrétním bodě, nebo teplotu označené oblasti a samozřejmě nabízí zobrazení pomocí barevných palet a isotherm včetně nastavené teplotních alertů. Přečtěte si více o dronech řady DJI Mavic 3 Enterprise v samostatném článku

DJI M30T – základní popis a přednosti termokamery

Dron DJI M30T je osazen širokoúhlou kamerou s rozlišením 4K při 30 fps a díky 1/2'' CMOS čipu umí pořizovat 12MP snímky. Dále se chlubí telekamerou pro zoomování (5x–16x optický zoom a 200x hybridní zoom) s 1/2'' CMOS senzorem pro až 48MP fotografie. Video zvládá v kvalitě 4K/30 fps. Třetím senzorem na M30T je LiDAR s přesností ±(0.2m+D×0.15%) a čtvrtým je termální senzor s rozlišením 640×512 při 30fps a přesností měření ±2°C.

Profesionální drony s termovizí – DJI Matrice 300

Pokud bychom ještě v rychlosti chtěli zabrousit mezi profesionální drony s termovizí, zejména mezi kousky nabízející maximální variabilitu, můžeme jmenovat třeba dron DJI M300 RTK, který lze vybavit kupříkladu snímačem DJI Zenmuse H20N. Tato přídavná jednotka nabízí 2samostatné termokamery, jednu s rozlišením 640x512 p, druhou s optickým zoomem.

Jinou špičkovou kamerou pro velké průmyslové drony DJI je model Zenmuse H20T se 4 samostatnými senzory (širokoúhlá RGB kamera, zoom RGB kamera, termální kamera 640x512, laserový dálkoměr).

Perlička na konec – DJI Inspire + DJI Zenmuse XT

Svého času se oblibě mezi profesionály těšila i kombinace „filmařské legendy“, dronu DJI Inspire osazeného kamerou s termovizí – DJI Zenmuse XT. Následný vývoj šel ale trochu jiným směrem, proto se dnes pro snímkování v teplotním IR spektru využívají spíše větší průmyslové drony, jako je DJI Matrice 300, případně pro termovizní snímání přímo navržené modely typu DJI M30T nebo DJI Mavic 3T, o kterých byla řeč výše. 

DJI - Introducing the Zenmuse XT Thermal Camera and Gimbal

Drony s termovizí nejsou hračka pro znuděné hobbíky

Jak můžete snadno pochopit z dnešního obsáhlého pojednání o dronech s termovizí a o termálním snímání obecně, je toto téma rozhodně zajímavé, ale také hodně komplexní a odborné. Drony s termovizí mají rozhodně světlou budoucnost, přičemž k jejich využití v průmyslu, v zemědělství, ale třeba i v případě záchranných a pátracích složek dochází čím dál častěji.

Dron s termovizí také není žádnou lacinou hračkou, ale nástrojem, který dojde smysluplného využití pouze v případech, kdy je bezdotykové snímání teploty skutečně potřeba. Každopádně vývoj posledních let přinesl významné zlepšení a také zlevnění i v této oblasti.

Vícekrát zmiňovaný dron DJI Mavic 3T je dnes jednoznačně nejdostupnější kvadroptérou s termovizí, navíc se shodnými základními parametry jako nabízí násobně dražší, robustnější a lépe vybavené profi varianty DJI M30T. Všichni ti, kteří dnes potřebují dron s termovizí pro svou práci, tak k němu mají díky vývoji a zlevňování celé technologie opět podstatně blíže.

👋✈ #LetuZdar

Štěpán