應(yīng)用案例
近日，同濟(jì)大學(xué)科研團(tuán)隊在地下混凝土襯砌結(jié)構(gòu)檢測領(lǐng)域取得重要進(jìn)展——依托杭州彩譜科技（CHNSpec Technology）研發(fā)的FigSpec FS-27高光譜相機，成功構(gòu)建融合高光譜成像（HSI）與深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）的無損檢測技術(shù)，實現(xiàn)了地下隧道襯砌抗壓強度的自動化、高精度監(jiān)測及缺陷可視化，相關(guān)成果已被國際頂級期刊《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》（SCIE 1區(qū)Top期刊）接收發(fā)表。
隨著城市化進(jìn)程加速，地鐵隧道、越江通道等地下基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。混凝土襯砌作為地下工程的核心防護(hù)結(jié)構(gòu)，其抗壓強度直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)完整性和運營安全。然而，地下環(huán)境密閉復(fù)雜，傳統(tǒng)檢測方法面臨諸多局限：核心取樣、拉拔試驗等破壞性方法會損傷結(jié)構(gòu)，且耗時耗力；超聲波、回彈儀等常規(guī)無損技術(shù)精度不足，無法實現(xiàn)強度分布的空間可視化，難以精準(zhǔn)識別裂縫、剝落、滲漏等局部缺陷。
上海地鐵12號線、青島地鐵8號線等跨江隧道的實際運營數(shù)據(jù)顯示，長期地下水侵蝕、地質(zhì)應(yīng)力作用易導(dǎo)致襯砌強度衰減，若不能及時精準(zhǔn)監(jiān)測，可能引發(fā)結(jié)構(gòu)隱患。因此，開發(fā)非接觸、自動化、高精度的檢測技術(shù)成為地下工程維護(hù)領(lǐng)域的迫切需求。
科研團(tuán)隊選用的彩譜FigSpec FS-27高光譜相機，成為此次技術(shù)突破的關(guān)鍵硬件支撐。該相機搭載InGaAs傳感器，可在900-1700nm近紅外光譜范圍捕獲1024個連續(xù)波段數(shù)據(jù)，光譜分辨率達(dá)6.5nm，能精準(zhǔn)捕捉混凝土表面的細(xì)微光譜特征差異，為強度評估提供豐富的理化信息基礎(chǔ)。配合鹵素光源與標(biāo)準(zhǔn)反射率校準(zhǔn)板，該設(shè)備在隧道昏暗、復(fù)雜環(huán)境下仍能穩(wěn)定獲取1280×1280像素的高清晰度光譜圖像，滿足現(xiàn)場檢測的嚴(yán)苛要求。
基于該相機獲取的高維光譜數(shù)據(jù)，團(tuán)隊創(chuàng)新研發(fā)了兩種DNN回歸模型，其中分段光譜深度神經(jīng)回歸器（SegS_DNR）表現(xiàn)最為突出：通過5×5像素窗口的空間-光譜特征融合，模型測試集決定系數(shù)（Rp2）達(dá)0.925，殘差預(yù)測偏差（RPD）達(dá)5.28，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)偏最小二乘回歸（PLSR）和隨機森林（RFR）模型；同時生成二維抗壓強度分布熱圖，直觀呈現(xiàn)襯砌不同區(qū)域的強度差異，實現(xiàn)“定量檢測+可視化呈現(xiàn)”雙重目標(biāo)。
在上海地鐵12號線跨黃浦江隧道的現(xiàn)場驗證中，該技術(shù)不僅精準(zhǔn)測得正常區(qū)域襯砌強度（均值約47.6MPa），還能清晰識別裂縫、剝落、滲漏區(qū)域的強度衰減特征——缺陷區(qū)域強度均值降至33-37MPa，與實際工程檢測結(jié)果高度吻合，識別精度媲美資深工程師。
此次技術(shù)突破中，彩譜FigSpec FS-27高光譜相機的高穩(wěn)定性、高光譜分辨率優(yōu)勢得到充分驗證，其與深度學(xué)習(xí)算法的協(xié)同應(yīng)用，徹底改變了地下襯砌結(jié)構(gòu)檢測的傳統(tǒng)模式。該技術(shù)無需接觸結(jié)構(gòu)表面，可快速完成大面積掃描檢測，生成的強度分布圖能直接為維護(hù)決策提供數(shù)據(jù)支撐，大幅提升地下工程 lifecycle管理的科學(xué)性和效率。
目前，該技術(shù)已在跨江隧道、海底隧道等復(fù)雜地質(zhì)條件的地下工程中完成試點應(yīng)用，未來有望結(jié)合機器人巡檢、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和建筑信息模型（BIM）技術(shù)，構(gòu)建地下基礎(chǔ)設(shè)施智能監(jiān)測體系。杭州彩譜科技相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，將持續(xù)優(yōu)化高光譜成像設(shè)備的工程化適配能力，為交通、土木、地質(zhì)等領(lǐng)域的無損檢測需求提供更具針對性的技術(shù)解決方案。
這項科研成果的落地，不僅為地下工程安全保障提供了全新技術(shù)路徑，也彰顯了國產(chǎn)高光譜設(shè)備在高端科研與工程應(yīng)用中的核心競爭力，為我國地下基礎(chǔ)設(shè)施的安全、可持續(xù)運營注入新動能。
FS-27 是 FigSpec? FS2X 系列中的短波近紅外成像高光譜相機，采用透射光柵分光技術(shù)，具備高分辨率、高穩(wěn)定性等優(yōu)勢，適用于多領(lǐng)域?qū)I(yè)光譜成像分析。
核心產(chǎn)品特點:
光譜性能優(yōu)異：覆蓋 900-1700nm 短波近紅外范圍，波長分辨率優(yōu)于 6nm，支持 1024 個光譜通道。成像質(zhì)量可靠：圖像分辨率達(dá) 1280*1280，動態(tài)范圍 12 bits，信噪比 600:1，雜散光水平僅 0.5%。操作便捷高效：內(nèi)置掃描成像與輔助取景攝像頭，可實時監(jiān)控拍攝區(qū)域；支持多個區(qū)域 ROI 功能，成像速度 10 秒 / 次。
(論文全文可通過sciencedirect官網(wǎng)進(jìn)行搜索閱讀：https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2025.06.007)
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