基于高光譜技術(shù)建筑反射隔熱涂料厚度檢測技術(shù)的研究

李笑芳，王延倉，顧曉鶴，王麗玫，李曉鵬，馮 華，陳亭宇

1. 廊坊師范學(xué)院，河北 廊坊 065000 2. 北華航天工業(yè)學(xué)院，河北 廊坊 065000 3. 石家莊鐵道大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，河北 石家莊 050043 4. 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心，北京 100097

引 言

太陽輻射對建筑反射隔熱涂料具有一定的透射作用，且該作用在涂料厚度參量上具有臨界特征，臨界內(nèi)，反射隔熱涂料的反射隔熱性能受厚度參量的影響較大，涂料施工厚度偏小易造成涂料性能的減損；臨界外，則易產(chǎn)生資源浪費(fèi)，降低涂料施工質(zhì)量，縮減涂料壽命，因而涂料厚度是反映建筑反射隔熱性能的重要參量，開展涂料施工厚度無損、 高精度檢測技術(shù)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)與理論意義[1-3]。

近年來，高光譜技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，其憑借超高的光譜分辨率及非接觸、 快速、 精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)已逐步應(yīng)用于建筑涂料參量的檢測、 評估[4-5]。反射隔熱涂料的光譜特征主要決定于其視域內(nèi)建筑反射隔熱涂料的理化組分、 結(jié)構(gòu)等理化參量，更改涂料的理化組分構(gòu)成、 占比、 結(jié)構(gòu)均會對其反射、 吸收特征產(chǎn)生影響[6-7]，從而影響涂料的反射隔熱性能。截至目前，雖然國內(nèi)外學(xué)者針對涂料理化特征對其反射、 隔熱性能的影響進(jìn)行了大量研究工作且已取得較大進(jìn)展[8-10]，但在涂料施工質(zhì)量監(jiān)管方面的研究卻相對匱乏。在特定涂料理化特性下，涂料厚度是影響反射隔熱涂料的反射、 隔熱性能與施工質(zhì)量的重要參量之一，且已有研究表明在一定限度內(nèi)涂料厚度的增加有利于提升反射隔熱涂料性能，增強(qiáng)反射隔熱涂料節(jié)能作用，因此反射隔熱涂料厚度的快速、 精準(zhǔn)檢測是監(jiān)管涂料施工質(zhì)量與提升節(jié)能作用的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)。然而截至目前，少見針對建筑反射隔熱涂料施工厚度精準(zhǔn)檢測技術(shù)的研究，而該研究可有效彌補(bǔ)反射隔熱涂料施工厚度監(jiān)管匱乏的不足，對保障建筑反射隔熱涂料施工質(zhì)量具有較大現(xiàn)實(shí)與理論意義。

為研究無損、 快速、 精準(zhǔn)檢測建筑反射涂料厚度的技術(shù)，本工作借助高光譜技術(shù)，通過將反射隔熱涂料的光譜數(shù)據(jù)與相應(yīng)厚度進(jìn)行相關(guān)性分析，構(gòu)造可表征涂料厚度的新型指數(shù)，篩選敏感特征因子，建立反射隔熱涂料厚度診斷模型，從而為定量分析、 評估建筑反射隔熱涂料施工厚度質(zhì)量提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為開展反射隔熱涂料施工厚度檢測技術(shù)的研究，在0.1～2.5 mm厚度區(qū)間內(nèi)制作了21個(gè)不同涂料厚度的樣本，其中樣本底材采用水泥板，底漆為廣州美涂士建材股份有限公司研制的外墻?？箟A底漆，選用廣州富美奧涂料有限公司研制的建筑反射隔熱涂料。涂料樣本制作流程與常規(guī)施工大致相同，先采用砂紙將板面打磨平整，然后涂一層底漆，并將其置于干燥、 通風(fēng)處，待自然風(fēng)干后再涂一層底漆，并采用同樣方法進(jìn)行風(fēng)干，待底漆風(fēng)干后采用砂紙?jiān)俅蚰ヒ槐?，然后利用調(diào)試涂膜器制作實(shí)驗(yàn)樣本。

1.2 涂料光譜數(shù)據(jù)測量與處理

由于地物光譜特征隨光照角度、 強(qiáng)度等因素的變化而變化，考慮到建筑反射隔熱涂料在可見光區(qū)域的反射率較高，為獲取同一環(huán)境條件下各涂料樣本光譜數(shù)據(jù)，采用室內(nèi)光譜測量方法獲取涂料光譜數(shù)據(jù)，其光譜采集方法如圖1所示。實(shí)驗(yàn)儀器選用美國ASD公司研制的FieldSpec4進(jìn)行光譜采集，測定350～2 500 nm的光譜數(shù)據(jù)，光譜分辨率為1 nm。建筑反射隔熱涂料光譜采集于2019年03月17日在實(shí)驗(yàn)室開展，以光譜儀自帶鹵光燈為光源，每個(gè)樣本光譜測定前均利用標(biāo)準(zhǔn)白板進(jìn)行矯正，然后將光譜儀垂直置于被測樣本上，每個(gè)涂料樣本測定10條光譜取其平均值作為最終光譜。

圖1 反射隔熱涂料光譜測量示意圖Fig.1 The spectroscopic measurement of reflective thermal insulation coatings

1.3 涂料指數(shù)構(gòu)建

為快速、 精準(zhǔn)獲取涂料施工厚度，通過構(gòu)建5類涂料指數(shù)，以提取可有效表征涂料施工厚度的參量：修正涂料指數(shù)(adjustment of coating index，ACI)，差值涂料指數(shù)(difference coating index，DCI)，新型涂料指數(shù)(new coating index，NCI)，歸一化涂料指數(shù)(normalized difference coating index，NDCI)，比值涂料指數(shù)(ratio coating index，RCI)，其計(jì)算方法如式(1)—式(5)所示

(1)

DCI=Ri-Rj

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：Ri是位于i波段處的反射率。

1.4 模型精度檢驗(yàn)

利用涂料光譜數(shù)據(jù)構(gòu)建5類涂料指數(shù)，并采用線性回歸算法構(gòu)建建筑反射隔熱涂料施工厚度的檢測模型。為客觀、 綜合評價(jià)涂料指數(shù)對涂料施工厚度的檢測精度，利用決定系數(shù)(R2)、 均方根誤差(RMSE)、 模型預(yù)測偏差(RPD)三項(xiàng)指標(biāo)對模型進(jìn)行綜合評價(jià)，其具體計(jì)算方法見參考文獻(xiàn)[11-12]。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂料光譜分析

圖2為不同厚度的反射隔熱涂料光譜(a)及其吸收峰深度(b)。由圖2(a)可知：反射隔熱涂料光譜整體平滑，且在A(350～420 nm)，B(420～1 070 nm)，C(1 070～1 305 nm)，D(1 305～1 570 nm)，E(1 570～1 682 nm)，F(xiàn)(1 682～2 076 nm)，G(2 076～2 202 nm)，H(2 202～2 406 nm)，I(2 406～2 500 nm)等波段區(qū)間內(nèi)均存在較強(qiáng)的吸收特征，其中A處的吸收特征最為突出；在B區(qū)間內(nèi)的光譜變化平緩，無明顯吸收或反射特征；在C—I區(qū)間的光譜由谷-峰交替相連而成，且隨著波長增加，光譜中的吸收谷(反射峰)整體呈階梯式降低的趨勢；隨反射隔熱涂料厚度增加，位于B，C，D區(qū)間的光譜反射率整體呈逐漸增加的趨勢，其在厚度1.2 mm時(shí)呈現(xiàn)飽和狀態(tài)；位于E，F(xiàn)，G，H和I區(qū)間的光譜反射率整體呈先增加后減小的趨勢。由圖2(b)可知，位于A處的吸收峰深度最大(約為0.631)，其次為H處；C—I區(qū)間光譜吸收峰深度隨涂料厚度增加呈先增加后降低的趨勢，其在1.8 mm時(shí)達(dá)到最大值。綜上可知，隨涂料厚度的增加，光譜在各區(qū)間的變化存在較大差異，其中位于B，C和D區(qū)間的光譜對涂料厚度具有較好的響應(yīng)；在吸收峰深度曲線上，各區(qū)間對涂料厚度的響應(yīng)特征相對一致，但對2.4 mm以上的涂料厚度的響應(yīng)異常，分析認(rèn)為與1.8 mm相比，2.4 mm厚度涂料對光反射強(qiáng)度的增加高于對光吸收強(qiáng)度。

圖2 反射隔熱涂料光譜(a)及其吸收峰深度(b)Fig.2 The spectrum (a) and absorption peak depth (b) of reflective heat insulation coatings

2.2 相關(guān)性分析

為分析光譜對涂料厚度敏感特征，提取可表征涂料厚度的敏感參量，將原始光譜數(shù)據(jù)與構(gòu)建的5類涂料指數(shù)分別與涂料厚度進(jìn)行相關(guān)性分析，其結(jié)果如圖3所示，其中(a)為原始光譜，(b)為修正涂料指數(shù)(adjustment of coating index，ACI)，(c)為差值涂料指數(shù)(difference coating index，DCI)，(d)為新型涂料指數(shù)(new coating index，NCI)，(e)為歸一化涂料指數(shù)(normalized difference coating index，簡稱NDCI)，(f)為比值涂料指數(shù)(ratio coating index，RCI)。

由圖3(a)可知，光譜對涂料厚度的敏感性較好，B—I區(qū)域光譜對涂料厚度的敏感性整體呈先降后升的趨勢；位于350～2 238 nm區(qū)間的光譜與涂料厚度的相關(guān)系數(shù)大于0(即呈正相關(guān))，2 238～2 500 nm波段區(qū)間的光譜與涂料厚度的相關(guān)系數(shù)小于0(即呈負(fù)相關(guān))，這表明涂料反射、 隔熱性能與厚度呈正相關(guān)；除A區(qū)外，其他光譜區(qū)間的相關(guān)系數(shù)曲線均較為光滑，其中位于B區(qū)間的相關(guān)系數(shù)曲線較為平緩且相關(guān)系數(shù)值R均較高(R值為0.7～0.86)，這表明位于B區(qū)內(nèi)的光譜對涂料厚度較為敏感且相對穩(wěn)定，可用于涂料厚度的檢測。由圖3(b—f)為350～2 500 nm內(nèi)任意2個(gè)光譜波段所構(gòu)建的涂料指數(shù)與涂料厚度的相關(guān)性分析圖，由圖可知，各指數(shù)與涂料厚度相關(guān)性強(qiáng)度的分布相對一致，多分布在由近紅外波段構(gòu)建的涂料指數(shù)區(qū)域內(nèi)，而在可見光波段區(qū)間僅一個(gè)穩(wěn)定區(qū)域；在5類涂料指數(shù)中，以DCI最優(yōu)，其次為ACI。由圖3(a)與圖3(b—f)對比分析可知，涂料指數(shù)有效提升了光譜對涂料厚度的敏感性，其R2最高為0.933。

圖3 原始光譜、 指數(shù)與反射隔熱涂料厚度相關(guān)性分析(a): 原始光譜的吸收峰深度與相關(guān)系數(shù)；(b): 修正涂料指數(shù)與涂料厚度的相關(guān)系數(shù)矩陣；(c): 差值涂料指數(shù)與涂料厚度的相關(guān)系數(shù)矩陣；(d): 新型涂料指數(shù)與涂料厚度的相關(guān)系數(shù)矩陣；(e): 歸一化涂料指數(shù)與涂料厚度的相關(guān)系數(shù)矩陣；(f): 比值涂料指數(shù)與涂料厚度的相關(guān)系數(shù)矩陣Fig.3 The correlation analysis of original spectrum, index and thickness of reflective heat insulation coatings(a): The absorption peak depth and correlation coefficient of the original spectrum; (b): The correlation coefficient matrix of the coating index and the coating thickness; (c): The correlation coefficient matrix of the difference coating index and the coating thickness; (d): The correlation coefficient matrix of the new coating index and the coating thickness; (e): The correlation coefficient matrix of the normalized coating index and the coating thickness; (f): The correlation coefficient matrix of radio coating index and coating thickness

2.3 建模分析

表1為基于涂料指數(shù)構(gòu)建的建筑反射隔熱涂料施工厚度預(yù)測模型。由表1可知，基于涂料指數(shù)構(gòu)建的診斷模型精度均明顯高于原始光譜數(shù)據(jù)，且不同指數(shù)模型間相差不大，這表明涂料指數(shù)均能增強(qiáng)光譜對涂料厚度的敏感度，進(jìn)而提高涂料厚度監(jiān)測精度。各指數(shù)模型的RPD均大于2，表明指數(shù)模型在檢測涂料施工厚度方面切實(shí)可行，其中以RCI模型的RPD最高達(dá)4.018。在指數(shù)模型中，以RCI構(gòu)建的模型精度最高，為最優(yōu)模型，其R2=0.973，RMSE=0.185，RPD=4.018(散點(diǎn)圖如圖4菱型點(diǎn)、 三角點(diǎn)所示)，這表明差值涂料指數(shù)可用于涂料厚度的檢測精度。從指數(shù)波段構(gòu)建可知，全部涂料指數(shù)均由484和479 nm的光譜構(gòu)建，這表明484和479 nm是涂料厚度的敏感因子。

圖4 實(shí)測值與預(yù)測值的散點(diǎn)圖Fig.4 The scatter plots of measured and predicted values

表1 基于涂料指數(shù)構(gòu)建的反射隔熱涂料施工厚度預(yù)測模型Table 1 The construction thickness prediction model of reflective thermal insulation coatings based on coating index

在反射隔熱涂料理化參量固定不變的條件下，涂料施工厚度是影響涂料反射、 隔熱性能的重要參量，涂料施工厚度的高、 低對有效發(fā)揮涂料反射、 隔熱作用具有重要影響，因而本研究以高光譜技術(shù)為主要手段，通過深入分析涂料厚度與光譜信息間的關(guān)聯(lián)及演化規(guī)律，提取可表征涂料厚度的光譜參量，探尋涂料施工厚度的精準(zhǔn)檢測方法。通過研究分析發(fā)現(xiàn)涂料在420～1 070 nm區(qū)間具有強(qiáng)反射且該區(qū)域?qū)ν苛鲜┕ず穸染哂休^強(qiáng)的敏感性，但當(dāng)厚度達(dá)到一定程度時(shí)，反射隔熱涂料對該區(qū)域光譜的反射明顯存在飽和度問題，進(jìn)而導(dǎo)致其對施工厚度過高的檢測存在較大誤差；各涂料指數(shù)均對涂料施工厚度較為敏感且相差不大，其中基于484和479 nm構(gòu)建的涂料指數(shù)對涂料施工厚度的指示作用最佳，但涂料指數(shù)對涂料施工厚度的指示作用明顯受限。

盡管本研究利用高光譜技術(shù)開展了涂料厚度檢測方法的研究，并取得較為理想的結(jié)果，但該研究仍存在一定不足，具體如下：

(1)涂料底層材質(zhì)對涂料光譜特征的影響未納入分析：位于可見光-近紅外的光譜對涂料具有一定的透射作用，且該透射作用隨涂料施工厚度的增加而逐漸減弱，直至消失。但在透射臨界厚度內(nèi)，涂料底層材質(zhì)對涂料的光譜具有一定的貢獻(xiàn)，而該貢獻(xiàn)部分未被分析，因而有必要開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究分析涂料底層對涂料光譜特征的作用規(guī)律。

(2)飽和點(diǎn)的位移規(guī)律需進(jìn)一步深入研究：涂料理化組分、 結(jié)構(gòu)的更改會直接影響其反射、 隔熱性能，進(jìn)而致使檢測飽和點(diǎn)產(chǎn)生不同程度的位移，但飽和點(diǎn)的位移規(guī)律仍需開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)分析進(jìn)行驗(yàn)證。

3 結(jié) 論

以反射隔熱涂料高光譜數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，通過構(gòu)建5類涂料指數(shù)，將其與涂料厚度開展相關(guān)性分析，并構(gòu)建涂料厚度檢測模型，以探尋反射隔熱涂料施工厚度檢測方法，得出如下結(jié)論：

(1)位于420～1 070 nm區(qū)間的光譜波段與0.1～2.5 mm涂料厚度的相關(guān)性均較高且穩(wěn)定，這表明該光譜區(qū)間對涂料厚度的敏感性較好，可用于涂料厚度的檢測。

(2)與原始光譜相比，涂料指數(shù)可有效提升光譜對涂料厚度的敏感性，在5類涂料指數(shù)中由484和479 nm構(gòu)建的RCI指數(shù)是表征涂料厚度的最佳參量。

(3)在5類涂料指數(shù)中，基于RCI指數(shù)構(gòu)建的涂料厚度檢測模型的精度最高，為最優(yōu)模型，其R2=0.973，RMSE=0.185，RPD=4.018。