JP7014394B2 - Temperature measurement method and equipment - Google Patents
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本発明は、建築物又は都市空間における気温分布を、熱赤外分光放射計を用いて測定する温度測定方法及び装置に関する。 The present invention relates to a temperature measuring method and an apparatus for measuring a temperature distribution in a building or an urban space using a thermal infrared spectroradiometer.
建築空間や都市空間における気温分布を測定する場合、気温を測定したい場所にそれぞれ温度計を設置して測定するという方法がある。そのような方法によって、気温分布を測定するには多くの温度計が必要であり、実測の制約によっては、温度計を設置することが困難な場合もある。また、温度計は熱容量を持つため時定数が問題となる場合もあり、さらに測定原理から放射の影響による誤差が混入しやすいといった問題点が挙げられる。 When measuring the temperature distribution in a building space or an urban space, there is a method of installing a thermometer at each place where the temperature is to be measured. By such a method, many thermometers are required to measure the temperature distribution, and it may be difficult to install a thermometer depending on the restrictions of actual measurement. In addition, since the thermometer has a heat capacity, the time constant may be a problem, and there is a problem that an error due to the influence of radiation is likely to be mixed due to the measurement principle.
特開昭63-100339号公報(特許文献1)には、熱容量の小さい材料で形成された検知板を、温度分布を測定すべき空間に設置し、その検知板の温度を測定する赤外線放射温度計によって、建物内部の温度分布を測定する装置が開示されている。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 63-100309 (Patent Document 1), a detection plate made of a material having a small heat capacity is installed in a space where a temperature distribution should be measured, and an infrared radiation temperature for measuring the temperature of the detection plate. The meter discloses a device for measuring the temperature distribution inside the building.
また、特開平10-318844号公報(特許文献2)には、人工衛星から海面を撮影して得た熱赤外画像データと撮影時の大気状態情報とに基づいて、海面温度を推定する温度推定装置が開示されている。更に、リモートセンシング分野においては、人工衛星や地上から、分光放射計によって気温の鉛直分布を観測する手法が実用化されている。例えば、Kaplan,L.D.;Opt.Soc.Am.:49(10),1959,p.1004.(非特許文献1)において、Kaplan(1959)は気体の吸収係数が異なる複数の波長を観測することで気温の鉛直分布を得られる可能性があることが開示されている。また、Wark,D.Q.;Hilleary,D.T.;Science.165(3899),1969,p.1256.(非特許文献2)には、人工衛星により気温の鉛直分布の観測ができることが開示されている。また、特開2007-3308号公報(特許文献3)には、航空機等に搭載された熱赤外センサの観測値により、地表面温度を精度よく推定する地表面温度推定方法及びそのためのプログラムが開示されている。さらに、大気の影響を評価する放射伝達計算に基づいて観測対象領域の地表面温度を推定する際、大気パラメータを含む放射伝達方程式を用いて地表面輝度温度を推定する方法が開示されている。このように、リモートセンシング分野においては、気温の鉛直分布(地表の上下方向に沿った気温分布)を測定することが開示されている。 Further, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-318844 (Patent Document 2), the temperature at which the sea surface temperature is estimated based on the thermal infrared image data obtained by photographing the sea surface from an artificial satellite and the atmospheric state information at the time of photographing. The estimation device is disclosed. Further, in the field of remote sensing, a method of observing the vertical distribution of air temperature from an artificial satellite or the ground with a spectroradiometer has been put into practical use. For example, in Kaplan, LD; Opt.Soc.Am .: 49 (10), 1959, p.1004. (Non-Patent Document 1), Kaplan (1959) observes multiple wavelengths with different gas absorption coefficients. It is disclosed that it is possible to obtain a vertical distribution of temperature in. In addition, Wark, D.Q .; Hilleary, D.T .; Science.165 (3899), 1969, p.1256. (Non-Patent Document 2) discloses that the vertical distribution of temperature can be observed by an artificial satellite. Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-3308 (Patent Document 3) describes a ground surface temperature estimation method and a program for accurately estimating the ground surface temperature based on the observed values of a thermal infrared sensor mounted on an aircraft or the like. It has been disclosed. Further, when estimating the ground surface temperature of the observation target region based on the radiation transmission calculation for evaluating the influence of the atmosphere, a method of estimating the ground surface brightness temperature using a radiation transmission equation including atmospheric parameters is disclosed. As described above, in the field of remote sensing, it is disclosed to measure the vertical distribution of air temperature (temperature distribution along the vertical direction of the earth's surface).
ここで、従来の放射伝達過程の概要と観測方程式の定式化について説明する。 Here, the outline of the conventional radiation transmission process and the formulation of the observation equation will be described.
放射伝達過程については、放射は空気中を伝播する間に大気中の物質により吸収や散乱をうけて減衰すること、他の方向からの散乱や空気からの放射により増幅することが一般に知られている。その放射伝達過程を記述した放射伝達方程式の一般解は、境界面が黒体で、局所熱力学平衡状態とすると、観測方程式として、下記数1のように表せる。
Regarding the radiation transmission process, it is generally known that radiation is absorbed or scattered by substances in the air and attenuated while propagating in the air, and is amplified by scattering from other directions or radiation from the air. There is. The general solution of the radiation transfer equation that describes the radiation transfer process can be expressed as the following
であり、熱赤外光は波長が可視光線より長く、散乱の影響が殆どないので、散乱を無視できる。このため、光の放射伝達方程式による
は、数1のように近似することができる。
Therefore, since the wavelength of thermal infrared light is longer than that of visible light and there is almost no influence of scattering, scattering can be ignored. Therefore, it depends on the radiation transmission equation of light.
Can be approximated as in
図1は、境界面からの放射が観測機(例えば熱赤外分光放射計)に入射する様子を示す模式図である。図1では、n層に分割された空気層からの観測機に対する寄与を表しており、観測機に近い空気層ほど、観測機への寄与は大きいことを矢印の太さによって表している。ここで、数1における第2項の積分をn 層に離散化した空気層として計算する。そして、効率的なプログラミング及び理解の簡単化のため、観測機で測定した観測値をy、各空気層における気温の真値(真の気温分布)をxとし、さらに誤差εを明示的に表現し、数1の観測方程式が下記数2のように簡略に表せると約束する。なお、数1のT(s’)が数2のx,数1のIv(s)が数2のyに対応する。
FIG. 1 is a schematic diagram showing how radiation from a boundary surface is incident on an observation aircraft (for example, a thermal infrared spectroradiometer). In FIG. 1, the contribution from the air layer divided into n layers to the observation aircraft is shown, and the thickness of the arrow indicates that the closer the air layer is to the observation aircraft, the greater the contribution to the observation aircraft. Here, the integral of the second term in
気温分布を求めることは、数2の観測値yから真の気温分布xを算出することである。その前提は、気体(空気)の濃度が既知であること、境界面の温度及び反射率が既知であることである。
To obtain the temperature distribution is to calculate the true temperature distribution x from the observed value y of
そのような前提があれば、空気をn層に分割すること、及び観測チャンネルをm個とすることによって、未知数n個を有するm個の連立方程式を得ることができる。m個のチャンネルで観測できる観測機(熱赤外分光放射計)を用いて測定することによって、連立方程式の数mが、n以上(n<m)となるようにする。その連立方程式を解くことによって、各空気層における気温(気温分布x)を算出することができる。 With such a premise, by dividing the air into n layers and setting the number of observation channels to m, it is possible to obtain m simultaneous equations having n unknowns. By measuring using an observer (thermal infrared spectroradiometer) that can observe with m channels, the number m of simultaneous equations is set to n or more (n <m). By solving the simultaneous equations, the temperature (air temperature distribution x) in each air layer can be calculated.
しかしながら、前記数2及び数4が示すように、実際の観測値yは誤差εが付加される。そして、解は、誤差εに対して鋭敏に応答する。このような鋭敏性が問題となり、実際の観測においては、十分に意味のある信憑性のある連立方程式の解が得られないことが知られている。
However, as shown by the
このような背景で、リモートセンシング分野において、地表に対して水平方向の気温分布、及び境界面と観測機との距離が気温分布の測定に関する開示は見られない。そして、地表に対して鉛直方向の気温分布の人工衛星からの測定では、気体成分が高度の上昇につれ減少するという性質を利用することができる。その一方で、気温の水平分布を測定する場合には、そのような性質を利用することはできない。 Against this background, in the field of remote sensing, there is no disclosure regarding the measurement of the temperature distribution in the horizontal direction with respect to the ground surface and the distance between the boundary surface and the observation aircraft. Then, in the measurement of the temperature distribution in the vertical direction with respect to the earth's surface from an artificial satellite, it is possible to utilize the property that the gas component decreases as the altitude rises. On the other hand, such a property cannot be used when measuring the horizontal distribution of air temperature.
本発明は上述のような事情に基づいてなされたものであり、本発明の目的は、建築分野において地表面に対して主に水平方向の気温分布を、熱分光放射計を用いて逆推定をする温度測定方法及び装置を提供することにある。 The present invention has been made based on the above circumstances, and an object of the present invention is to reversely estimate the temperature distribution mainly in the horizontal direction with respect to the ground surface in the field of construction by using a thermal spectroradiometer. It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for measuring a temperature.
本発明は、建築物又は都市空間より放出される赤外線を観測し、観測された赤外線観測値を分析することにより、前記建築物又は前記都市空間から観測地点までの間の空気の温度分布を推定する温度測定方法であり、本発明の上記目的は、気温をx、前記赤外線観測値をy、前記温度分布に関する事前確率分布をP(x)、前記赤外線観測値の観測誤差の確率密度関数をP(y|x)、前記温度分布に関する事後確率分布をP(x|y)とし、前記事前確率分布P(x)及び前記確率密度関数P(y|x)に基づいて、前記事後確率分布P(x|y)を最大とする事後の気温分布を推定することにより達成される。 The present invention estimates the temperature distribution of air from the building or urban space to the observation point by observing infrared rays emitted from the building or urban space and analyzing the observed infrared observed values. The object of the present invention is to set the temperature as x, the infrared observed value as y, the prior probability distribution related to the temperature distribution as P (x), and the probability density function of the observed error of the infrared observed value. P (y | x), the posterior probability distribution related to the temperature distribution is P (x | y), and the posterior probability distribution P (x) and the probability density function P (y | x) are used as the posterior probability distribution. It is achieved by estimating the posterior temperature distribution that maximizes the probability distribution P (x | y).
また、本発明に係る温度測定方法の上記目的は、前記事前確率分布P(x)、前記確率密度関数P(y|x)及び前記事後確率分布P(x|y)の関係は、式(1)により表され、
前記(1)式の右辺を最大とする前記事後の気温分布を推定することにより、或いはガウス・ニュートン法を用いて、前記事後の気温分布を最大にするMAP解を算出することにより、より効果的に達成される。
Further, the object of the temperature measuring method according to the present invention is that the relationship between the prior probability distribution P (x), the probability density function P (y | x) and the posterior probability distribution P (x | y) is established. Expressed by equation (1)
By estimating the ex post facto temperature distribution that maximizes the right side of equation (1), or by calculating the MAP solution that maximizes the ex post facto temperature distribution using the Gauss-Newton method . Achieved more effectively.
また、本発明に係る温度測定装置の上記目的は、建築物又は都市空間より放出される赤外線を観測する観測手段と、前記観測手段で観測された赤外線観測値に基づいて、前記建築物又は前記都市空間から前記観測手段までの間の空気の温度分布を演算して測定する演算手段とを有し、前記演算手段は、気温をx、前記赤外線観測値をy、前記温度分布に関する事前確率分布をP(x)、前記赤外線観測値の観測誤差の確率密度関数をP(y|x)、前記温度分布に関する事後確率分布をP(x|y)とし、前記事前確率分布P(x)及び前記確率密度関数P(y|x)に基づいて、前記事後確率分布P(x|y)を最大とする事後の気温分布を演算することにより達成される。 Further, the object of the temperature measuring device according to the present invention is an observation means for observing infrared rays emitted from a building or an urban space, and the building or the above based on the infrared observation values observed by the observation means. It has a calculation means for calculating and measuring the temperature distribution of air between the urban space and the observation means, and the calculation means has x for the temperature, y for the infrared observation value, and a prior probability distribution for the temperature distribution. Is P (x), the probability density function of the observation error of the infrared observation value is P (y | x), the posterior probability distribution related to the temperature distribution is P (x | y), and the prior probability distribution P (x). And, based on the probability density function P (y | x), it is achieved by calculating the posterior temperature distribution that maximizes the posterior probability distribution P (x | y) .
また、本発明に係る温度測定装置の上記目的は、前記事前確率分布P(x)、前記確率密度関数P(y|x)及び前記事後確率分布P(x|y)の関係は、式(1)により表され、
前記演算手段は、前記(1)式の右辺を最大とする前記事後の気温分布を推定することにより、或いはガウス・ニュートン法を用いて、前記事後の気温分布を最大にするMAP解を算出することにより、より効果的に達成される。
Further, the object of the temperature measuring apparatus according to the present invention is that the relationship between the prior probability distribution P (x), the probability density function P (y | x) and the posterior probability distribution P (x | y) is established. Expressed by equation (1)
The calculation means obtains a MAP solution that maximizes the ex post facto temperature distribution by estimating the ex post facto temperature distribution that maximizes the right side of the equation (1) or by using the Gauss-Newton method. By calculating, it is achieved more effectively.
本発明によれば、観測機(例えば、熱赤外分光放射計)を用いて、建築物、建築空間又は都市空間における気温分布の逆推定をすることができる。また、建築空間や都市空間における気温の平均値を得ることにも有効であり、代表性のある気温を得ることもできる。また、この方法は多くの温度計を必要とせず、さらに温度計の熱容量や放射による誤差の影響などを考慮しなくてよい。 According to the present invention, an observer (for example, a thermal infrared spectroradiometer) can be used to reverse-estimate the temperature distribution in a building, building space or urban space. It is also effective in obtaining the average value of the temperature in the architectural space and the urban space, and it is also possible to obtain a representative temperature. In addition, this method does not require many thermometers, and it is not necessary to consider the influence of errors due to the heat capacity and radiation of the thermometer.
本発明においては、上述のような誤差による鋭敏性を解消するために、最大事後確率推定法(以下、MAP(Maximum A Posteriori)法とする)を用いる。なお、MAP法は、ベイズの定理を用いて事後確率分布を推定する方法である。 In the present invention, a maximum a posteriori estimation method (hereinafter referred to as MAP (Maximum A Posteriori) method) is used in order to eliminate the sensitivity due to the above-mentioned error. The MAP method is a method for estimating posterior probability distributions using Bayes' theorem.
以下、建築空間において、分光放射計を用いて地表面に対し水平方向の気温分布を逆推定する方法の原理について説明する。 Hereinafter, the principle of a method of reversely estimating the temperature distribution in the horizontal direction with respect to the ground surface using a spectroradiometer in a building space will be described.
ここで先ず、ベイズの定理を簡単に説明する。 Here, first, Bayes' theorem will be briefly explained.
気温x及び観測値(データ:観測結果)yの確率は、それぞれP(x)及びP(y)と表わされる。特に気温xの確率P(x)は、気温xに関する事前確率分布を表している。また、観測値yという条件下における気温x(事象x)の条件付確率はP(x|y)と表され、事後確率分布と呼ばれる。そして、気温x(事象x)という条件下における観測値yの条件付確率はP(y|x)と表され、観測誤差の確率密度関数若しくは尤度と呼ばれる。なお、確率P(x)及びP(y|x)については、本発明では、正規分布を仮定している。また、本発明の実施形態のMAP法で用いられるベイズの公式は、数5のように表される。
The probabilities of the temperature x and the observed value (data: observation result) y are expressed as P (x) and P (y), respectively. In particular, the probability P (x) of the temperature x represents the prior probability distribution with respect to the temperature x. Further, the conditional probability of the temperature x (event x) under the condition of the observed value y is expressed as P (x | y) and is called a posterior probability distribution. The conditional probability of the observed value y under the condition of the temperature x (event x) is expressed as P (y | x), and is called the probability density function or the likelihood of the observation error. In the present invention, a normal distribution is assumed for the probabilities P (x) and P (y | x). Moreover, the Bayesian formula used in the MAP method of the embodiment of the present invention is expressed as
また、MAP解xMAPを求める場合には、MAP法は、観測前に知りうる、気温xに関する事前確率分布P(x)(確率的な情報)を用いる。 Further, when obtaining the MAP solution x MAP , the MAP method uses the prior probability distribution P (x) (stochastic information) regarding the temperature x, which can be known before the observation.
MAP法においては、P(y|x)P(x)が最大となるようなxを求め、見つかったxがMAP解xMAPである。 In the MAP method, x is obtained so that P (y | x) P (x) is maximized, and the found x is the MAP solution x MAP .
一方、事後確率分布P(x|y)を最大にするxは、対数をとったlog(P(x|y))を最大にするxと一致する。 On the other hand, x that maximizes the posterior probability distribution P (x | y) coincides with x that maximizes the logarithmic log (P (x | y)).
また、尤度P(y|x)及びP(x)に関する確率分布は、全て正規分布を仮定しているため、例えば、尤度P(y|x)は数7のように表せる。なお、特に、観測誤差に関する共分散行列をSε、MAP解の分散をSMAP、事前確率分布の分散をSaと表す。
Further, since the probability distributions related to the likelihood P (y | x) and P (x) all assume a normal distribution, the likelihood P (y | x) can be expressed as the
を最小にするようなxを見つけることで達成される。そのためには、一般的にガウス・ニュートン法を用いることができる。
It is achieved by finding x that minimizes. For that purpose, the Gauss-Newton method can generally be used.
一方で、MAP解xMAPには事前確率分布からの影響が含まれるため、真値との差のみで評価することは危険である。そこで、事前確率分布P(x)がMAP解xMAPに与える影響を評価するため、後述するように、Root Mean Squared Error(以下、RMSEとする)、アベレージングカーネル(以下AK、又は「A」と表記する)、AKarea、及びDegree Of Freedom for Signal(以下、DOFSとする)という指標を用いる。(xaは事前確率分布P(x)の期待値(平均)を表す。)
まず、アベレージングカーネルについて説明する。MAP解xMAPを、真値(真の気温分布)x、アベレージングカーネルA、事前確率分布の期待値xa、単位行列Iを用いて表現すると、数11のように表せる。
On the other hand, since the MAP solution x MAP includes the influence from the prior probability distribution, it is dangerous to evaluate only by the difference from the true value. Therefore, in order to evaluate the effect of the prior probability distribution P (x) on the MAP solution x MAP , as will be described later, a Root Mean Squared Error (hereinafter referred to as RMSE), an averaging kernel (hereinafter referred to as AK, or “A””. ), AKarea, and Degree Of Freedom for Signal (hereinafter referred to as DOFS) are used. (X a represents the expected value (mean) of the prior probability distribution P (x).)
First, the averaging kernel will be described. The MAP solution x MAP can be expressed as
により定義されるAをアベレージングカーネル(Averaging kernel)と呼ぶ。
A defined by is called an averaging kernel.
数11によれば、MAP解xMAPとは、真の気温分布xと事前確率分布xaとを、それぞれアベレージングカーネルAと、単位行列IからアベレージングカーネルAを引いたI-Aによって重み付け平均したものであること示している。つまり、Aが単位行列に近いほど、MAP解xMAPは正しく気温分布を反映しているということである。AをA≡GKにより計算することで、MAP解xMAPを評価できる。なお、共分散行列S(分散共分散行列とも言う。)とは,分散(散らばり具合を表す指標)の概念を多次元確率変数に拡張して行列としたものである。また、共分散行列は変数(事前確率分布、観測値)の散らばり具合や相関という情報を集約したものである。 According to Eq. 11, the MAP solution x MAP weights the true temperature distribution x and the prior probability distribution x a by the average kernel A and the identity matrix I minus the average kernel A, respectively. It shows that it is an average. In other words, the closer A is to the identity matrix, the more correctly the MAP solution x MAP reflects the temperature distribution. By calculating A by A≡GK, the MAP solution x MAP can be evaluated. The covariance matrix S (also referred to as a variance-covariance matrix) is a matrix obtained by extending the concept of variance (an index showing the degree of dispersion) to multidimensional stochastic variables. The covariance matrix is a collection of information such as the degree of dispersion and correlation of variables (prior probability distribution, observed values).
次に、RMSE及びDOFSについて説明する。 Next, RMSE and DOFS will be described.
RMSEは、MAP解xMAPと真の気温分布xとに基づいて計算された2乗平均平方根誤差である。また、アベレージングカーネルAのトレース tr(A)は、DOFSと呼ばれる数で、観測によって明らかになった未知数の数を表す。また、アベレージングカーネルAを行方向に足したものはAKareaと呼ばれ、各位置における観測データが寄与する程度を示すものである。これらは、MAP解xMAPの有効性の指標である。 RMSE is the root mean square error calculated based on the MAP solution x MAP and the true temperature distribution x. The trace tr (A) of the averaging kernel A is a number called DOFS, which represents an unknown number revealed by observation. The addition of the averaging kernel A in the row direction is called AKarea, which indicates the degree to which the observation data at each position contributes. These are indicators of the effectiveness of the MAP solution x MAP .
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図4は、本発明の温度測定装置10の構成例を示すブロック図である。温度測定装置10は、熱源11(例えば、黒体炉)からの放射される赤外線の分光を観測する分光放射計12、及び観測値に基づいて温度分布を演算する演算部13で構成される。
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration example of the
そして、図5は、本発明の分光放射計12の構成を示すブロック図である。分光放射計12は、紫外から遠赤外までの広い波長域の光線の分光測定が可能である。図5は、分光放射計12を入射部120、集光部121、ハーフミラー122、CCDカメラ123、チョッパ125、内部黒体126、連続可変フィルタ(以下、CVFとする)127及び検出部128を用いて構成した例である。
FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the
まず、入射部120を介して、黒体炉11から放射される光線が、集光部121に入射される。集光部121は、光線を集光し、ハーフミラー122に光線を出射する。ハーフミラー122を通過した光線は、CCDカメラ123に入射される。CCDカメラ123は、入射した光線の映像を映像信号に変換する。なお、映像信号はコントローラ124に出力され、コントローラ124は、映像信号を後述する表示部13bに入力できるデジタル信号に変換するようにしてもよい。
First, the light beam emitted from the
また、ハーフミラー122によって反射された光線は、チョッパ125に入射される。そして、チョッパ125が閉じて該光線を遮断した際には、内部黒体126の放射が、後述するCVF127を介して、検出部128に出射される。一方、チョッパ25が開いて該光線を通した際には、集光部121からの該光線がCVF127を介して、検出部128に入射される。
Further, the light rays reflected by the
CVF127は、円周上に分光特性が異なるフィルタを配置されているものである。CVF127は、所定の軸の回りで回転するように構成されている。例えば、CVF127は、図示していないがモータによって回転するようにしても良く、モータの回転角度に応じて、光線は分光特性の異なるフィルタを通過することができる。そうすることによって、CVF127を1回転させるごと、観測値y(例えば、分光データ)を取得することができる。
In CVF127, filters having different spectral characteristics are arranged on the circumference. The
コントローラ124には、チョッパ125、CVF127及び検出部128との間で制御線及びデータ線が配設され、制御又はデータの入出力することができる。これにより、例えばチョッパ125及びCVF127それぞれの回転角速度は、コントローラ124を用いて制御することができる。また、検出部128は光線の輝度値に応じたデジタル信号に変換することができるし、コントローラ124によって、検出部128が変換をするタイミング、さらにデジタル信号の形式を選択することができる。
A control line and a data line are arranged between the
なお、分光放射計12における、光学系(入射部120、集光部121、ハーフミラー122)、CVF127、検出部128の特性を変更することにより、測定波長の範囲、または測定する視野角を変更することができる。また、CVF127を任意の波長で固定して使用すると、その波長の放射量の経時変化が測定することができる。以上の説明したように分光放射計12は、一般的な分光光度計(例えば、FTIR)と構成が異なり、測定試料を装置内部に入れるタイプではない。このため、大きな測定物、加熱・冷却した測定物、または遠方の対象物を計測することができる特徴がある。
By changing the characteristics of the optical system (
また、分光放射計12で測定した観測値y(例えば、分光データ)は、専用のソフトウェアで様々な解析することができる。例として、CSV形式で出力することができるため、一般的の表計算ソフト及び数値計算を用いて解析することも可能である。
Further, the observed value y (for example, spectroscopic data) measured by the
次に、図6は、本発明のMAP法を用いた気温分布の逆推定を行う演算部13の構成を示すブロック図である。
Next, FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a
演算部13は、CPU13a及び表示部13bで構成され、CPU13aは、放射伝達計算部1、ヤコビアン記憶部2、制御部3、入力部4、最適解処理部5、平均二乗誤差算出部6、事前確率分布記憶部7で構成されている。各構成との関係、機能及び動作を順に説明する。
The
先ず、放射伝達計算のためのパラメータ(距離、境界面の温度、離散化(分割数)のための層の幅(分割幅)、気体(空気)の濃度)が、放射伝達計算部1に入力される。
First, the parameters for the radiation transmission calculation (distance, temperature of the boundary surface, layer width (division width) for discretization (division number), gas (air) concentration) are input to the radiation
次に、放射伝達計算部1は、パラメータに基づいて、MODerate resolution TRANsmission(以下、MODTRANとする)を用いて、放射伝達計算を行い、ヤコビアンKを算出する。
Next, the radiation
そして、放射伝達計算部1は、ヤコビアンKをヤコビアン記憶部2に出力し、ヤコビアン記憶部2はヤコビアンKを記憶する。
Then, the radiation
また、制御部3は、入力部4、最適解処理部5、平均二乗誤差算出部6のそれぞれに対して、制御信号を入出力して制御する。
Further, the
具体的には、入力部4を介した制御部3からの制御信号に応じたヤコビアン記憶部2は、ヤコビアンKを入力部4に出力する。一方、分光放射計12からの観測値y(観測データ)は、入力部4に入力され、観測値yは、演算部13(例えば、コンピュータ)内部での処理に適したデータ形式に変換される。また、制御部3からの制御信号に応じて、事前確率分布記憶部7から事前確率分布P(x)が最適解処理部5に入力される。更に、制御部3からの制御信号に応じて、入力部4から、観測値y及びヤコビアンKが最適解処理部5に入力される。
Specifically, the
そして、制御部3からの制御信号に応じて、最適解処理部5は、事前確率分布P(x)、観測値y及びヤコビアンKに基づいて、ガウス・ニュートン法によって、最適解処理を行う。制御部3は制御信号を最適解処理部5に所定の回数出力し、MAP解xMAPを計算させる。そして、所定の回数の繰り返し計算によって、事後確率分布P(x|y)が最大となるようなMAP解xMAP及び分散を計算することができる。
Then, according to the control signal from the
そして、最適解処理部5は、所定の複数回の繰り返し計算が終了したことを示す制御信号を制御部3に出力すると、制御部3は、最適解処理部5に対して平均二乗誤差算出部6へMAP解xMAP及び分散SMAPを出力するように指示する制御信号を出力する。そして、平均二乗誤差算出部6は、MAP解xMAPに基づいて、RMSE及びDOFSの計算を実行する。
Then, when the optimum
最後に、MAP解xMAP、分散、RMSE及びDOFSという統計データが、演算部13の表示部13b(例えば、コンピュータのモニタ)に表示される。
Finally, statistical data such as MAP solution x MAP , variance, RMSE and DOFS are displayed on the
次に、MAP法を用いた数値シミュレーションによる逆推定の精度検証と感度解析の方法とを説明する。 Next, the method of accuracy verification and sensitivity analysis of inverse estimation by numerical simulation using the MAP method will be described.
感度解析の具体的な動作を図7に示すフローチャートを用いて説明する。先ず、パラメータ(距離、境界面の温度、離散化(分割数)のための層の幅(分割幅)、真の気温分布及び気体(空気)の濃度)がシステムに入力される(ステップS10)。放射伝達過程の計算を行うプログラムであるMODTRANを用いて、放射伝達計算を行い、真の観測値及びヤコビアンKを算出し記憶する(ステップS20)。なお、MODTRANは、波数に対する大気の透過率及び放射輝度を計算する。次に、真の観測値y及びヤコビアンKをファイルなどから読み出す(ステップS30)。次に、真の観測値yに対し正規分布に従うランダム誤差を伴った観測値y+ε及びヤコビアンKが入力される(ステップS40)。ここで、気温に関する事前確率分布(事前情報)P(x)を読み込む(ステップS41)。事前確率分布と誤差が加算された観測値に対して、ガウス・ニュートン法を用いて、事後確率分布P(x|y)が最大となるようなMAP解xMAPを計算する(ステップS50)。気温に関するMAP解xMAP及び分散SMAPを出力する(ステップ60)。MAP解xMAPを1000回計算したか否か判定する(ステップS70)。繰り返し計算した回数が1000回未満であれば、ステップS40に戻り、繰り返し計算した回数が1000回であれば、ステップS80に進む。その計算結果に基づいて、MAP解xMAPについてのRMSE(RMSerror)及びAKのトレースであるDOFSを計算する(ステップS80)。 The specific operation of the sensitivity analysis will be described with reference to the flowchart shown in FIG. First, parameters (distance, interface temperature, layer width (division width) for discretization (division number), true temperature distribution and gas (air) concentration) are input to the system (step S10). .. Using MODTRAN, which is a program for calculating the radiation transmission process, the radiation transmission calculation is performed, and the true observation value and the Jacobian K are calculated and stored (step S20). MODTRAN calculates the transmittance of the atmosphere and the radiance with respect to the wave number. Next, the true observation value y and the Jacobian K are read from a file or the like (step S30). Next, the observed value y + ε and the Jacobian K with a random error following a normal distribution are input to the true observed value y (step S40). Here, the prior probability distribution (prior information) P (x) regarding the temperature is read (step S41). The Gauss-Newton method is used to calculate the MAP solution x MAP that maximizes the posterior probability distribution P (x | y) for the observed value to which the prior probability distribution and the error are added (step S50). Output the MAP solution x MAP and the variance S MAP for the temperature (step 60). It is determined whether or not the MAP solution x MAP has been calculated 1000 times (step S70). If the number of repeated calculations is less than 1000, the process returns to step S40, and if the number of repeated calculations is 1000, the process proceeds to step S80. Based on the calculation result, DOFS which is a trace of RMSE (RMS error ) and AK for the MAP solution x MAP is calculated (step S80).
次に、数値シミュレーションによって、建築スケールでの水平気温分布逆推定の実現可能性を明らかにする。また、逆推定に影響を及ぼすパラメータの変化と、MAP解xMAPに与える影響との関係を調査するために感度解析をした結果を説明する。そこで、MAP法を用いた数値シミュレーションの対象は、表1及び図8に示すように、観測機から境界面までの距離を100m、気温を15℃一様に設定された街区スケール(以下、標準ケースとする。)を想定する。また、表2に示すように、標準ケースの事前確率分布は17±5℃とする。また、標準ケースのAK及びAKareaを図9に示す。図9において、1層目のAKareaは、“1”を超えているため、観測による寄与が大きいと考えられる。観測機からの距離が離れるほど、AKareaが単調減少しており,MAP解xMAPに対する事前確率分布P(x)の寄与が増加することが示される。 Next, numerical simulations will clarify the feasibility of reverse estimation of horizontal temperature distribution on an architectural scale. In addition, the results of sensitivity analysis to investigate the relationship between the changes in the parameters that affect the inverse estimation and the effects on the MAP solution x MAP will be described. Therefore, as shown in Table 1 and FIG. 8, the target of the numerical simulation using the MAP method is a block scale (hereinafter, standard) in which the distance from the observation aircraft to the boundary surface is 100 m and the temperature is uniformly set at 15 ° C. Let's assume a case.) Further, as shown in Table 2, the prior probability distribution in the standard case is 17 ± 5 ° C. Further, AK and AK area of the standard case are shown in FIG. In FIG. 9, since the AK area of the first layer exceeds “1”, it is considered that the contribution from the observation is large. It is shown that the AK area decreases monotonically as the distance from the observation aircraft increases, and the contribution of the prior probability distribution P (x) to the MAP solution x MAP increases.
次に、気温分布の逆推定に対するパラメータ(条件)の影響を調査する。パラメータ(条件)としては、事前確率分布、一様でない気温(真の気温分布が一様でない。)、距離(境界面と観測機との間の距離)、層分割n(空気層の分割数)、観測機の分解能(以下、FWHM(Full Width at Half Maximum)[cm-1])という)、水蒸気の推定誤差が挙げられる。 Next, the effect of parameters (conditions) on the inverse estimation of the temperature distribution will be investigated. Parameters (conditions) include prior probability distribution, non-uniform temperature (true temperature distribution is not uniform), distance (distance between the interface and the observer), and layer division n (number of divisions of the air layer). ), The resolution of the observer (hereinafter referred to as FWHM (Full Width at Half Maximum) [cm -1 ])), and the estimation error of water vapor.
先ず、事前確率分布を17±5℃から11±5℃に変化させた場合にけるMAP解xMAPは図11に示すように、観測値近傍での精度は大きく変化しない。 First, as shown in FIG. 11, the accuracy of the MAP solution x MAP when the prior probability distribution is changed from 17 ± 5 ° C to 11 ± 5 ° C does not change significantly in the vicinity of the observed value.
次に、真の気温が一様でない気温分布(3層目の気温が相対的に高く、1~2層目及び4~5層目の気温が相対的に低い気温分布)に対して逆推定を行った結果、図12に示すように、1~3層目の気温の上昇は逆推定することができたものの、4~5層目における気温の低下を推定することができなかった。このような結果から、本発明の気温分布の逆推定の方法は、観測機に近づくにつれ、事前確率分布の影響が小さくなり、推定された気温の精度が向上する傾向にあることが示された。 Next, reverse estimation is applied to the temperature distribution in which the true temperature is not uniform (the temperature distribution in the third layer is relatively high and the temperatures in the first and second layers and the fourth to fifth layers are relatively low). As a result of the above, as shown in FIG. 12, although the increase in temperature in the 1st to 3rd layers could be reversely estimated, the decrease in temperature in the 4th to 5th layers could not be estimated. From these results, it was shown that the method of inverse estimation of the temperature distribution of the present invention tends to reduce the influence of the prior probability distribution and improve the accuracy of the estimated temperature as it approaches the observation aircraft. ..
次に、境界面と観測機との間の距離を10m及び1000mに設定した空気層に対して、気温分布の逆推定を行った結果をそれぞれ図13及び図14に示す。図13及び図14が示すように、いずれの場合でも、RMSE及びDOFSは大きく変化しなかった。したがって、本発明の気温分布の逆推定の方法は、建築スケール及び街区スケールのいずれにおいても同様の精度が得られることが示された。 Next, FIGS. 13 and 14 show the results of reverse estimation of the temperature distribution for the air layer in which the distance between the boundary surface and the observation aircraft is set to 10 m and 1000 m, respectively. As shown in FIGS. 13 and 14, RMSE and DOFS did not change significantly in either case. Therefore, it was shown that the method of inverse estimation of the temperature distribution of the present invention can obtain the same accuracy on both the building scale and the block scale.
次に、空気層の分割数を3にした空気層に対して、気温分布の逆推定を行った結果を図15に示す。図15が示すように、DOFSは1.7であった。これに対し、RMSEは1.3±0.8℃であり、標準ケースにおけるRMSEである1.2±0.6℃に比べ、わずかに悪化した。また、空気層の分割数を10にした空気層に対して、気温分布の逆推定を行った結果を図16に示す。図16が示すように、DOFSは1.7であった。これに対し、RMSEは1.1℃へとわずかに改善した。このような結果については、DOFSが向上すると観測値の寄与が大きくなる。このため、観測値のランダム誤差εの影響も大きくなったためと考えられる。 Next, FIG. 15 shows the result of reverse estimation of the temperature distribution for the air layer in which the number of divisions of the air layer is 3. As shown in FIG. 15, the DOFS was 1.7. On the other hand, the RMSE was 1.3 ± 0.8 ° C, which was slightly worse than the RMSE of 1.2 ± 0.6 ° C in the standard case. Further, FIG. 16 shows the result of reverse estimation of the temperature distribution for the air layer in which the number of divisions of the air layer is 10. As shown in FIG. 16, the DOFS was 1.7. In contrast, RMSE slightly improved to 1.1 ° C. For such results, the contribution of the observed value increases as the DOFS improves. Therefore, it is considered that the influence of the random error ε of the observed value became large.
次に、観測機の分解能(FWHM)を1/2倍の30[cm-1]にし、気温分布の逆推定を行った結果を図17に示す。図17が示すように、DOFSは、1.6に減じ、RMSEは1.2±0.6℃のまま変化しなかった。また、観測機の分解能(FWHM)を3倍の5[cm-1]にし、気温分布の逆推定を行った結果を図18に示す。図18が示すように、DOFSは、2.1に上昇し、RMSEは1.1±0.5℃になって改善できた。また、観測機から離れた空気層における気温の推定の精度は、平均的に向上できた。結果的に、観測機の分解能を上げることによって、精度は向上できた。 Next, FIG. 17 shows the result of reverse estimation of the temperature distribution by increasing the resolution (FWHM) of the observation aircraft by 1/2 times to 30 [cm -1 ]. As shown in FIG. 17, DOFS was reduced to 1.6 and RMSE remained unchanged at 1.2 ± 0.6 ° C. Further, FIG. 18 shows the result of reverse estimation of the temperature distribution by triple the resolution (FWHM) of the observation aircraft to 5 [cm -1 ]. As shown in FIG. 18, DOFS increased to 2.1 and RMSE improved to 1.1 ± 0.5 ° C. In addition, the accuracy of temperature estimation in the air layer away from the observation aircraft could be improved on average. As a result, the accuracy could be improved by increasing the resolution of the observation aircraft.
次に、水蒸気の相対湿度rh(relative humidity)に推定誤差がある空気層に対して、気温分布の逆推定を行った結果を図19及び図20に示す。前述のようなヤコビアンを作成する際に,水蒸気に-5%rhの推定誤差がある場合、図19が示すように、RMSEが、標準ケースにおける1.2±0.6℃から2.0±0.9℃に変化(悪化)し、偏った推定結果となる傾向が示された。また、水蒸気の相対湿度rhに+5%rhの推定誤差がある場合、図20が示すように、RMSEは1.5±0.8℃に変化(悪化)した。 Next, FIGS. 19 and 20 show the results of reverse estimation of the air temperature distribution for an air layer having an estimation error in the relative humidity of water vapor. When creating the Jacobian as described above, if the water vapor has an estimation error of -5% rh, the RMSE will be 2.0 ± 0.6 ° C to 2.0 ± in the standard case, as shown in FIG. It changed (worse) to 0.9 ° C and tended to give a biased estimation result. Further, when the relative humidity rh of the water vapor had an estimation error of + 5% rh, the RMSE changed (worse) to 1.5 ± 0.8 ° C. as shown in FIG.
まとめると、実施形態における気温分布の逆推定に関する感度解析においては、MAP解xMAPのRMSEは、事前確率分布のRMSEより改善することが示された。 In summary, in the sensitivity analysis for the inverse estimation of the temperature distribution in the embodiment, it was shown that the RMSE of the MAP solution x MAP is improved from the RMSE of the prior probability distribution.
次に、実施形態における建築スケールの水平気温分布の逆推定について説明する。 Next, the reverse estimation of the horizontal temperature distribution of the building scale in the embodiment will be described.
本発明の実施形態においては、温度が異なる(温度分布が存在する)2室を対象として、水平気温分布の逆推定を行った(屋内実験)。さらに、屋内外の温度差を有する建築空間を対象として、水平気温分布の逆推定を行った(屋外実験)。屋内実験の空間、屋外実験の空間のそれぞれの平面図を図21及び図22に示す。また、実験に用いた分光放射計及び平面黒体炉の仕様をそれぞれ表3及び表4に、また図23及び図24にそれぞれの写真を示す。屋内実験及び屋外実験の境界面の黒体炉の温度は、50℃に設定した。 In the embodiment of the present invention, the reverse estimation of the horizontal air temperature distribution was performed for two rooms having different temperatures (existing temperature distribution) (indoor experiment). Furthermore, the reverse estimation of the horizontal temperature distribution was performed for the building space with the temperature difference between indoors and outdoors (outdoor experiment). The plan views of the indoor experiment space and the outdoor experiment space are shown in FIGS. 21 and 22. The specifications of the spectroradiometer and the flat blackbody furnace used in the experiment are shown in Tables 3 and 4, respectively, and the photographs shown in FIGS. 23 and 24, respectively. The temperature of the blackbody furnace at the boundary surface between the indoor experiment and the outdoor experiment was set to 50 ° C.
屋内実験及び屋外実験におけるMAP解xMAP、実測温度(温度計実測値)の分布及びAKareaを図25~28に示す。図25~28に示すように、屋内実験及び屋外実験において、気温の分布を再現することができた。なお、2層目以降では事前確率分布が顕著に影響した。また、図27が示すように、1層目のAKareaは約0.8であるため、観測値がMAP解xMAPに対して支配的に寄与した。一方で、図27が示すように、4層目のAKareaは約0.2であるため、事前確率分布がMAP解xMAPに対して支配的に寄与している。事前確率分布とMAP解xMAPのRMSEを表6に示す。表6が示すように、屋内実験のCase2を除き、事前確率分布のRMSEより、MAP解xMAPのRMSEは、低減(改善)することができた。なお、事前確率分布のRMSEが2.0でない場合があるのは、位置を線形補間したためと考えられる。
Figures 25 to 28 show the MAP solution x MAP , the distribution of the measured temperature (measured value of the thermometer), and the AK area in the indoor and outdoor experiments. As shown in FIGS. 25 to 28, the temperature distribution could be reproduced in the indoor experiment and the outdoor experiment. The prior probability distribution had a significant effect on the second and subsequent layers. Further, as shown in FIG. 27, since the AK area of the first layer is about 0.8, the observed value contributed predominantly to the MAP solution x MAP . On the other hand, as shown in FIG. 27, since the AK area of the fourth layer is about 0.2, the prior probability distribution predominantly contributes to the MAP solution x MAP . Table 6 shows the prior probability distribution and the RMSE of the MAP solution x MAP . As shown in Table 6, except for
なお、前述した本発明の実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の例(例えば、空気層の分割数、真の気温分布が一様であるか否か、境界面と観測機との距離、観測機の分解能、空気中の水蒸気の比重量等)を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。即ち、本発明は、その技術思想又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。 It should be noted that all of the above-described embodiments of the present invention are examples of embodiment of the present invention (for example, the number of divisions of the air layer, whether or not the true temperature distribution is uniform, the boundary surface and observation. It only shows the distance to the machine, the resolution of the observation machine, the specific weight of water vapor in the air, etc.), and the technical scope of the present invention should not be interpreted in a limited manner by these. That is, the present invention can be implemented in various forms without departing from the technical idea or its main features.
また、P(x)、P(y|x)については、本発明の実施形態においては、正規分布を仮定しているが、正規分布に限られたものではなく、例えば、ガンマ(γ)分布、ポアソン分布を用いても良い。ただしその場合はガウス・ニュートン法を用いることはできないので、マルコフ連鎖モンテカルロ法を用いる必要がある。 Further, regarding P (x) and P (y | x), a normal distribution is assumed in the embodiment of the present invention, but the distribution is not limited to the normal distribution, for example, a gamma (γ) distribution. , Poisson distribution may be used. However, in that case, the Gauss-Newton method cannot be used, so it is necessary to use the Markov chain Monte Carlo method.
また、非線形最適化の手法として、ガウス・ニュートン法を挙げたが、例えばレーベンバーグ・マルカート法等を計算量と精度との兼ね合いに応じて用いてもよい。 Further, although the Gauss-Newton method is mentioned as a method for nonlinear optimization, for example, the Levenberg-Marquardt method may be used depending on the balance between the amount of calculation and the accuracy.
1 放射伝達計算部
2 ヤコビアン記憶部
3 制御部
4 入力部
5 最適解処理部
6 平均二乗誤差算出部
7 事前確率分布記憶部
10 温度測定装置
11 熱源(黒体炉)
12 分光放射計
13 演算部
13a CPU
13b 表示部
120 入射部
121 集光部
122 ハーフミラー
123 CCDカメラ
124 コントローラ
125 チョッパ
126 内部黒体
127 連続可変フィルタ(CVF)
128 検出部
1 Radiation
12
128 detector
Claims (6)
気温をx、前記赤外線観測値をy、前記温度分布に関する事前確率分布をP(x)、前記赤外線観測値の観測誤差の確率密度関数をP(y|x)、前記温度分布に関する事後確率分布をP(x|y)とし、
前記事前確率分布P(x)及び前記確率密度関数P(y|x)に基づいて、前記事後確率分布P(x|y)を最大とする事後の気温分布を推定することを特徴とする温度測定方法。 A temperature measurement method that estimates the temperature distribution of air from the building or urban space to the observation point by observing infrared rays emitted from the building or urban space and analyzing the observed infrared observation values. And
The temperature is x, the infrared observation value is y, the prior probability distribution related to the temperature distribution is P (x), the probability density function of the observation error of the infrared observation value is P (y | x), and the posterior probability distribution related to the temperature distribution. Let P (x | y)
It is characterized in that the posterior temperature distribution that maximizes the posterior probability distribution P (x | y) is estimated based on the prior probability distribution P (x) and the probability density function P (y | x). Temperature measurement method.
前記(1)式の右辺を最大とする前記事後の気温分布を推定する請求項1に記載の温度測定方法。 The relationship between the prior probability distribution P (x), the probability density function P (y | x), and the posterior probability distribution P (x | y) is expressed by the equation (1).
The temperature measurement method according to claim 1, wherein the temperature distribution after the fact is estimated with the right side of the equation (1) as the maximum.
前記演算手段は、
気温をx、前記赤外線観測値をy、前記温度分布に関する事前確率分布をP(x)、前記赤外線観測値の観測誤差の確率密度関数をP(y|x)、前記温度分布に関する事後確率分布をP(x|y)とし、
前記事前確率分布P(x)及び前記確率密度関数P(y|x)に基づいて、前記事後確率分布P(x|y)を最大とする事後の気温分布を演算することを特徴とする温度測定装置。 The temperature distribution of air between the building or the urban space and the observation means based on the observation means for observing the infrared rays emitted from the building or the urban space and the infrared observation values observed by the observation means. Has a calculation means to calculate and measure
The calculation means is
The temperature is x, the infrared observation value is y, the prior probability distribution related to the temperature distribution is P (x), the probability density function of the observation error of the infrared observation value is P (y | x), and the posterior probability distribution related to the temperature distribution. Let P (x | y)
It is characterized in that the posterior temperature distribution that maximizes the posterior probability distribution P (x | y) is calculated based on the prior probability distribution P (x) and the probability density function P (y | x). Temperature measuring device.
前記演算手段は、前記(1)式の右辺を最大とする前記事後の気温分布を推定する請求項4に記載の温度測定装置。 The relationship between the prior probability distribution P (x), the probability density function P (y | x), and the posterior probability distribution P (x | y) is expressed by the equation (1).
The temperature measuring device according to claim 4, wherein the calculation means estimates the subsequent temperature distribution with the right side of the equation (1) as the maximum.
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