一种基于红外图像处理的建筑墙体传热系数检测方法与流程

本发明属于图像处理技术领域，涉及一种红外图像处理的建筑墙体传热系数检测方法，可用于各类建筑墙体的传热系数无损检测。

背景技术：

当今世界能源紧缺问题日益严重，随着经济发展和城市化建设进程加快，我国建筑能耗占总能耗的比例越来越高。多项对策和措施已被提出和实施，力求缓解能源问题，建筑节能是其中一项。因此，在建筑建造完成交付前对其多项指标进行检测，评定其是否符合建筑节能要求己是不可缺少的环节。

目前，国内外大多采用建筑热工法进行现场检测来评价建筑节能是否达标，该方法中最关键的指标是检测墙体传热系数。主流传热系数检测方法有两种：一种是热流计法，现场测量的内容包括热流密度室内气温和外气温，保温隔热墙体的内表面温度及外表面温度，热流计的两表面温度，所使用的仪表主要是热电偶和热流计。另一种检测方法是热箱法，其原理是利用人工制造一个一维的传热环境，被检测部位的内侧用热箱测试，利用热箱和室内模拟采暖条件，而另一侧为室外(自然条件)。该方法是通过测量热箱的发热量以得到被测部位的传热量，计算得到该被测部位的传热系数。

利用热流计法进行建筑节能检测的缺点是：（1）我国《居住建筑节能检测标准》中规定连续检测时间应大于等于96小时，检测周期一般较长；（2）检测通常以点带面，而难以确定能够代表围护结构实际节能状态的检测点，尤其是以空心块材砌筑的墙体，测点布置困难；（3）粘贴热流计常常会造成室内墙体装修的损坏，因此，热流计法对既有民用居住建筑的节能检测有较多不便；（4）热流计法需要保持一维稳态传热过程，需要长时间封闭房间，将给居民日常生活造成影响；（5）受季节限制，只能在采暖期测试。而热箱法检测虽不受季节影响，但其存在的缺陷也很明显，主要有以下几点：（1）不能测试热桥及不规则部位；（2）检测需要的仪器设备多，安装搬运的工作量大；（3）消除误差较困难，环境在变，标定热箱不方便；（4）为满足一维传热假定，加热面的高和宽至少为墙厚8-10倍，即热箱加热面的高、宽至少2米以上，现场检测难以实现。（5）对既有建筑的检测与热流计法具有同样的弊端。

而红外热像技术利用热辐射原理，通过测取目标物体表面的红外辐射能，将被测物体表面的温度分布转换为形象直观的热像图像。这种技术较其他传统检测技术具有速度快、检测距离远、非必须接触、同时检测面积大等一系列优点，通过获取待检测建筑物表面温度分布而分析其内部状况，比目前存在的其它方法具有一定的优越性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于红外图像处理的建筑墙体传热系数检测方法，针对现有技术的不足，可以快速且大面积的检测建筑墙体的传热系数，并且对建筑无损害。该方法在建筑墙体传热系数的检测中，首先运用原位校准技术测定目标墙体的反射率与环境反射的辐射能量，再用热像仪拍摄获取目标墙体的热像图，经过处理去噪，排除热工缺陷区域后，得到目标墙体的实际辐射能量，然后由斯特藩-玻尔兹曼定律得到目标墙体外表面的实际温度精确值，最后计算得出目标墙体的传热系数。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：一种基于红外图像处理的建筑墙体传热系数检测方法，其特征在于，它包括如下步骤，步骤一：通过“原位校准”试验测定目标墙体外表面的发射率和环境反射的辐射能量；步骤二：通过热像仪获取目标墙体外表面的红外辐射能，将被测物体表面的温度分布转换为形象直观的热像图像；步骤三：进行热像图处理，通过滤波解决噪声干扰，且排除热像图中存在的热工缺陷区域；步骤四：确定目标墙体外表面各点热辐射大小；步骤五：确定墙体外表面各点温度精确值；步骤六：计算得出墙体即围护结构的传热系数。

（1）进一步，步骤一所述的测定目标墙体外表面的发射率和环境反射的辐射能量是指：11：将褶皱的铝箔固定在目标墙体的一个表面上，通过得到的热像图以此来确定反射的环境温度。如果在这一点上的红外摄像机发射率设置为1.0，热像仪捕捉到的目标辐射能量即为经过铝箔反射的环境反射能量；12：对于发射率的测量，将一块反射率已知的黑胶带固定在目标墙体上，在图像的后期处理中，可确定已知发射率部分的精确温度。当到达热平衡时，黑胶布的温度等于目标墙体外表面的温度，此时黑胶布和目标墙体外表面发射的能量中只有表面发射率和传感器获取辐射能量是有差别的，由此可计算出目标墙体外表面发射率。

（2）进一步，步骤二所述的获取目标墙体外表面热像图时，需在墙体达到稳态导热过程阶段，且室内外温差达到10°C以上，否则将影响检测精度。要选择近距离拍摄，且选择空气湿度小于85%时进行目标红外图像的获取。

（3）进一步，步骤三所述的滤波解决噪声干扰是指将热像图转换到灰度图后，红外图仍存在多干扰噪声问题，噪声点常以高频信息形式存在，所以使用低通滤波器有效除去这些噪声，同时能够保留正确的整体温度信息。排除热像图中的热工缺陷区域是通过对检测区域热像图转换至灰度图后，进行去噪处理后即可进行区域分割排除热桥、渗漏和空气区域图像。

（4）进一步，步骤四所述的确定目标墙体外表面各点热辐射大小是指：41：根据大气的温度和相对湿度，目标墙体外表面与传感器间的距离计算得到大气发出的辐射能量；42：根据传感器获取的辐射能量等于目标墙体外表面发出的辐射能量加上环境反射的辐射能量与大气发出的辐射能量之和这一等式得到目标墙体外表面各点辐射能量。

（5）进一步，步骤五所述的确定墙体外表面各点温度精确值是指，在获得目标墙体外表面的发射率与目标墙体外表面的辐射能量后，根据斯特藩-玻尔兹曼定律即可得到目标墙体外表面各点的实际温度精确值。

（6）进一步，步骤六所述的计算得出目标墙体的传热系数是指测得室内外空气温度与墙体表面换热阻后，将以上测得值与步骤五中得到的目标墙体外表面温度精确值一同带入传热系数公式中求解。

本发明的有益效果在于：采用红外热像技术检测建筑墙体传热系数，较其他传统检测技术具有速度快、检测距离远、非必须接触、同时检测面积大等一系列优点，通过获取待检测建筑物表面温度分布而分析其内部状况，比目前存在的其它方法具有一定的优越性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1为红外图像处理建筑墙体传热系数检测系统图。

图2为目标检测墙体与红外摄像机辐射模型图。

图3为原位校准实验图。

图4为原位校准实验中铝箔的热像图。

图5为热像图滤波降噪处理转换后的灰度图。

图6为热像图滤波降噪处理的结果图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为目标检测墙体与红外摄像机辐射模型图，本方法包括以下步骤。

S1：实施例中首先通过原位校准实验测定目标墙体外表面的发射率和环境反射的辐射能量，具体步骤如下：

S11：将褶皱的铝箔固定在目标墙体的一个表面上，通过热像仪的拍摄得到热像图，分析所得热像图得到热像仪获取的辐射能量；

S12：通过记录检测时大气的温度和相对湿度，目标墙体外表面与传感器间的距离计算得到大气发出的辐射能量；

S13：由于铝箔的发射率极低，默认铝箔表面发射的能量为0，即，根据公式即可得到周围环境反射的辐射能量。公式如下：

式中为被测物体即铝箔表面发射的辐射能量，为热像仪获取的辐射能量，为周围环境反射的辐射能量，为大气发出的辐射能量，为大气透过率，这里取；

S14：将一块反射率已知的黑胶带固定在目标墙体上，反射率，通过热像仪拍摄得到黑胶带的热像图，分析得到此时热像仪获取的辐射能量；

S15：已知大气发出的辐射能量、周围环境反射的辐射能量、热像仪获取的辐射能量及黑胶带的反射率，可求出黑胶带表面实际辐射能量，公式如下：

S16：根据斯特藩-玻尔兹曼定律，可由黑胶带表面实际辐射能量得到黑胶带表面实际温度，当达到热平衡时，黑胶带表面与目标墙体表面温度相等，即目标墙体外表面实际辐射能量与黑胶带表面实际辐射能量相等，重新由热像仪拍摄目标墙体得到热像图后，计算得到目标墙体的发射率。公式如下：

。

S2：通过热像仪获取目标墙体达到稳态导热阶段时的红外热像图，具体的实施步骤如下：

S21：选取无阳光直射的时间段，进行如图1所示的检测工作，将装置安装就位；

S22：利用加热或冷却装置对待测目标进行至少三小时的加热或冷却，并在此过程中连续拍摄红外热像图，且每隔20分钟测量并记录一次目标墙体外表面温度；

S23: 观察目标墙体外表面温度随时间的变化状态，当温度到达某阶段变化相对平稳时，则认为此阶段为稳态导热阶段，此时拍摄的热像图为最终的热像图。

S3：将得到的红外热像图进行处理，去除噪声点，并排除热像图中存在的热工缺陷区域。具体步骤如下：

S31：将热像图转换成灰度图，采用巴特沃斯低通滤波器，首先将灰度图傅立叶变换到频率域，然后进行滤波操作后变换到空域，去除灰度值图像上的噪声点。用公式表示为：

式中，是截止频率距原点的距离，是(u,v)点距频率矩形中心点距离，这里将把H(u, v)开始小于其最大值的一定比例的点当作其截止频率点，这里取H(u,v)为0.5；

S32：对经过去噪处理后的热像图，使用基于轮廓线的连通域提取算法，首先进行边界提取，然后进行连通域提取，最后将提取所得区域图像进行独立分割，以排除热像图中存在的热工缺陷区域。此阶段对于热工缺陷区域的处理无需定量化检测，使用区域分割法将其进行分割即可满足要求。

S4：通过分析经处理后的热像图可得热像仪在目标墙体外表面各点所获取的辐射能量，在已知周围环境反射的辐射能量、大气发出的辐射能量和目标墙体外表面各点的反射率后即可求得目标墙体外表面各点的实际辐射能量。公式如下：

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S5：已知目标墙体外表面各点的辐射能量和反射率后，根据斯特藩-玻尔兹曼定律得到目标墙体外表面各点的实际温度。

S6：计算得到目标墙体的传热系数。具体步骤如下：

S61：测定室内外空气温度，得到室内空气温度，室外空气温度；

S62：测定墙体表面换热阻；

S63：根据墙体传热系数的传统定义求得传热系数值，公式如下：

式中，K为所求传热系数，为墙体总热阻（平方米×度/瓦）， 为墙体外表面温度， 为室外空气温度，为室内空气温度， 为墙体表面换热阻。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。