可见图像辅助热成像方法用于建筑供暖设备定向长波辐射表征的扩展与方法间一致性评估

《Buildings》：Extension and Method-to-Method Agreement Assessment of a Visible-Image-Assisted Thermal Imaging Method for Directional Longwave Radiation Characterization of Building Heating Equipment

　　

建筑供暖设备的定向长波辐射取决于表面温度、几何形状、投影面积、观测方向与发射率。既往可见-热融合与三维热成像研究多产出融合图或可视化模型；本研究将一种投影面积加权的定向辐射强度工作流系统化。将同步可见图像中的几何轮廓迁移至热图像以重建三维热模型。针对小型辐射电加热器，可见图像辅助方法与使用同一归档热输入、目标物体、计算约定及单位发射率设定（ε=1）的间接方法进行对比。在23个方向上，平均绝对误差（MAE）、均方根误差（RMSE）、平均绝对百分比误差（MAPE）与决定系数（R2）分别为0.47 W/sr、0.56 W/sr、3.55%与0.996，表明方法间一致性高而非绝对准确。对建筑一体化蓄热加热器应用得28.7–52.76 W/sr。可复用三维热模型支持一次同步成像后多方向后处理并可能减少重复仪器重定位；但无时间-成本研究量化人工或运行节省。仍须独立可溯源参考测量、重复试验、表面专用发射率验证及配准/几何不确定性分析。

研究背景方面，长波辐射交换是室内外热环境评估的重要组成部分，其依赖于表面温度、发射率、几何形状、投影面积及源-接收器空间关系，直接影响平均辐射温度、人体辐射换热与热舒适。红外热成像（IRT）虽可非接触获取表面温度场并广泛用于建筑缺陷识别，但热图并非定向辐射强度的直接映射，定量解释受发射率、反射表观温度、大气透射、相机标定与像素代表面积取向等多因素制约。既有直接法对距离与周边热源敏感，间接法依赖低分辨率热图中轮廓与对应点识别。可见-热融合、热摄影测量与点云建模虽快速发展，但多数产出仍为温度纹理或异常图，未系统给出投影面积加权的定向长波辐射强度。Ishida等人无人机摄影测量三维模型估算小型建筑多方向长波强度是为数不多的先例。本研究不宣称首创定向强度方法，而是面向室内供暖设备，采用手动可见图像辅助地标与轮廓迁移、同机同步视图、同物体与归档间接法一致性评估，并明确计量声明边界。研究意义在于将可见几何与热辐射计量透明集成至室内供暖设备工作流，输出定向辐射强度函数与散热分布曲线，衔接三维热成像与后续辐射环境及热舒适评估，论文发表于《Buildings》。

关键技术方法方面，研究人员采用多方位多仰角同步采集可见与热红外图像（NEC Avio TH9100，8–14 μm），以八方位45°间隔配三仰角共24标称视向；在PC端将同视向可见图叠加热图，手动迁移自然角点与材质边界作为地标点，不缩放热图以避免像素温度场插值；基于参考区实际面积与像素数获像素面积，由重建表面法向与观测方向算投影面积；辐亮度计算沿用归档的均匀半球方向分布约定并以2π归一化，两法均固定ε=1以排除发射率作为方法间变量；像素级贡献按εσT⁴/(2π)乘投影面积求和得方向k的定向长波辐射强度E_k（W/sr），绘极坐标散热曲线；小型辐射电加热器（同物同输入）与归档间接法在23向配对，以MAE、RMSE、MAPE、R²评方法间一致性，误差棒取±|V_i?I_i|之确定性绝对差而非重复标准差；蓄热加热器案例取自日本仙台市青叶区一番町四层钢筋混凝土公寓室内（空气16.3℃、相对湿度65%），建模域含加热器及受热的墙地表面。

研究结果部分，3.1节可见图像辅助三维热模型构建中，针对小型辐射电加热器，可见图提供清晰外轮廓与对应点，先重建可见几何再迁移至同视向热图生成三维热模型，简化内部空隙与前金属格栅，获外部几何与可见辐射面表示。3.2节小型辐射电加热器同物一致性评估中，间接法与可见图像辅助法在23向配对得MAE=0.47 W/sr、RMSE=0.56 W/sr、MAPE=3.55%、R²=0.996，侧平面MAPE偏大受近90°与270°低比较值放大影响；表明同物同输入ε=1框架下计算一致性高，不证绝对准确或发射率修正有效。3.3节建筑一体化电蓄热加热器辐射特征中，Intercentral LDM200-1（额定2.019 kW，72 cm×29 cm×64 cm）在室内条件与含受热墙地表面的建模域下，得定向强度28.7–52.76 W/sr，最大最小比约1.84，较小型加热器5.0–30.0 W/sr（比6.00）各向异性减弱；差异源于额定功率、运行态、相机报温、几何与环境边界混杂，且ε=1未解材料发射率差，故为同计算基描述而非效率排序。3.4节 interim 总结指出三要点：可见几何可迁至热图建外三维热模型；小型加热器两法23向高一致；蓄热加热器流程可表大设备加周面域为同ε=1基定向函数。

讨论部分，研究人员定位本法相对近期可见-热与三维热成像：共享投影面积基定向目标但场景为室内供暖、同机同步、手动迁移、同物比归档间接法，贡献在为应用特定辐射-几何工作流与显式一致性/声明框架，非新通用融合算法。方法间一致性不能暴露共模误差（相机标定偏、反射背景、共享三维缩放、ε=1偏离真发射率），间接法仅为内部比较器非可溯源标准。两设备极曲线反映单位发射率基热与几何结构，小型加热器因裸露高热元件与前侧投影面积方向变化大致锐各向异；蓄热加热器因柜体大且含受热墙面致发射域宽、采样各向异性低。实用上可复用三维热模型支持一次成像后多向后处理，减定向辐射计重定位，但无操作员时间/成本量化。局限含仅两室内归档案例、无材料发射率修正验证、缺校准日期与ISO/IEC 17025溯源、配准残差与几何误未量化、均匀半球2π约定非Lambertian或镜面表征、45°采样非优化；未来需校准辐射计/黑体参考、重复采集、测表面发射率、一致修正两流程、控背景辐射、GUM或蒙特卡洛传播、细角度采样及拓展户外。

结论部分翻译：5.1节科学与方法学发现，（1）可见图像辅助工作流以可见图析几何与对应点，不缩放迁至同视向热图，结合温度、共用单位发射率（ε=1）、像素面积与投影面积算定向长波辐射强度，特定贡献为产出投影面积加权定向曲线而非仅温度图或三维热可视。（2）小型辐射电加热器两法23向同ε=1下MAE=0.47 W/sr、RMSE=0.56 W/sr、MAPE=3.55%、R²=0.996，仅证方法间一致，不立绝对准确或发射率修正验证。（3）两法固ε=1剔出发射率作方法间变量，使比较聚焦几何与处理复现，但此共用设不修正材料依赖发射率；一阶敏感显示温度、发射率、投影面积扰动均可影响绝对计算强度，配准/几何/背景辐射致附加共模偏，归档数据不能重建完整不确定度预算。5.2节工程与实际发现，（1）蓄热加热器建模域在报道室内条件ε=1基下得28.7–52.76 W/sr，较小型加热器绝对范围高但采样极值比低，合较大柜体与受热周面宽分布，属描述性同发射率基条件输出非效率排序。（2）可复用三维模型有望用于加热器布局评估、多向后处理及后续辐射环境/舒适分析；普适应用与绝对计量准确需独立可溯源参考、重复试验、量化配准几何误、表面发射率测与验证修正、背景辐射控制、更广设备与户外验证。