測(cè)試距離對(duì)灘羊紅外熱成像測(cè)溫的影響研究及誤差校正

摘 要：為提高灘羊紅外熱成像（Infrared thermography， IRT）測(cè)溫精度，本文以3只六月齡母灘羊作為試驗(yàn)對(duì)象，采集灘羊眼睛區(qū)域IRT溫度最高值作為灘羊IRT溫度指標(biāo)，開展了測(cè)試距離對(duì)灘羊IRT測(cè)溫影響的定量研究試驗(yàn)，探索不同測(cè)試距離下灘羊眼睛IRT溫度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)測(cè)試距離對(duì)灘羊IRT溫度影響極顯著，且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。因此，基于線性算法和多項(xiàng)式算法構(gòu)建了測(cè)試距離與灘羊IRT溫度的數(shù)學(xué)模型，并以決定系數(shù)R2和均方根誤差SD作為指標(biāo)進(jìn)行模型質(zhì)量評(píng)估，選出最優(yōu)擬合模型y=38.90-0.543 6 x3+1.790 8 x2+2.903 8 x。利用擬合模型構(gòu)建灘羊IRT測(cè)溫的校正模型T=y+0.543 6 x3-1.790 8 x2+2.903 8 x，對(duì)測(cè)得的IRT測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行校正，分析校正后的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：測(cè)試距離對(duì)校正后數(shù)據(jù)T影響不顯著，且兩者之間無(wú)相關(guān)性，說(shuō)明該校正模型可以有效補(bǔ)償測(cè)試距離對(duì)灘羊IRT測(cè)溫造成的誤差，提高紅外熱成像測(cè)溫的精度。

關(guān)鍵詞：測(cè)試距離； 紅外熱成像； 灘羊IRT溫度

中圖分類號(hào)：S826" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A" " " 文章編號(hào)：1002-204X（2023）12-0054-04

doi：10.3969/j.issn.1002-204x.2023.12.014

Effects of Testing Distance on Infrared Thermography Temperature Measurement of Tannery Sheep and Error Correction

Zhang Jianhua， Zhang Xuejian

（Institute of Agricultural Economy and Information Technology， Ningxia Academy of Agriculture and Forestry Sciences， Yinchuan， Ningxia 750002）

Abstract In order to improve the temperature measurement accuracy of tannery sheep using infrared thermography （IRT）， this study conducted a quantitative experimental study on the effects of testing distance on IRT temperature measurement of tannery sheep， using the highest temperature value in the eye area of three 6-month-old female tannery sheep as the IRT temperature indicator. The study explored the variation of IRT temperature in the eye area of tannery sheep at different testing distances and found that the testing distance had a significant negative correlation with the IRT temperature of tannery sheep. Therefore， mathematical models for the relationship between testing distance and IRT temperature of tannery sheep were constructed based on linear and polynomial algorithms. The model quality evaluation was conducted using the coefficient of determination" （R2） and root mean square error （SD）， and the optimal fitting model y=38.90-0.543 6 x3+1.790 8 x2-2.903 8 x was selected. A correction model T=y+0.543 6 x3-1.790 8 x2+2.903 8 x for tannery sheep IRT temperature measurement was constructed using the fitting model. The corrected data of IRT temperature measurement showed that the testing distance had no significant effect on the corrected data， and there was no correlation between them. This indicates that the correction model can effectively compensate for the errors caused by testing distance in tannery sheep IRT temperature measurement and improve the accuracy of infrared thermography temperature measurement.

Key words Testing distance; Infrared thermography; Tannery sheep IRT temperature

自然界中所有溫度高于絕對(duì)零度（-273.6 ℃）的物體都在不斷地向外界輻射紅外光波，這種現(xiàn)象被稱為熱輻射。紅外熱成像技術(shù)（Infrared thermography，IRT）就是通過(guò)采集分析物體表面熱輻射強(qiáng)度和分布情況獲得物體溫度信息。畜禽，如牛、羊和雞等均為恒溫動(dòng)物，其產(chǎn)生的熱輻射與機(jī)體的組織構(gòu)造、代謝情況及熱平衡等息息相關(guān)，在一定程度上可以反映畜禽個(gè)體內(nèi)部機(jī)能狀態(tài)[1-3]，判斷其發(fā)情狀況和健康狀況?；诩t外熱成像技術(shù)非接觸式測(cè)溫方式，有非侵入、精度高、范圍大、快速和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，有效解決畜禽測(cè)溫應(yīng)激反應(yīng)，避免交叉感染，在畜禽疫病快速診斷和智慧化健康管理等方面有廣闊的應(yīng)用前景[4-5]；但在實(shí)際應(yīng)用中，畜禽熱輻射在到達(dá)紅外探測(cè)器之前，會(huì)損耗部分紅外輻射能，從而影響測(cè)溫精度[6]。因此，開展測(cè)量距離對(duì)紅外熱成像測(cè)溫精度影響研究有重要意義。

測(cè)試距離越遠(yuǎn)，畜禽輻射的紅外光波在空氣中傳輸距離越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的損耗越大，且紅外熱像儀視場(chǎng)角增大，紅外熱像儀測(cè)溫誤差也隨之增大[7-12]。賈桂鋒等[13]通過(guò)構(gòu)建距離補(bǔ)償模型，有效提高豬耳根IRT溫度精度，消除測(cè)試距離導(dǎo)致的誤差?；诖?，本文開展測(cè)試距離對(duì)灘羊IRT紅外熱成像測(cè)溫影響研究。為保證灘羊身體健康，羊只需保持一定的活動(dòng)量，所以灘羊一直處于隨機(jī)活動(dòng)狀態(tài)，且其膽小、依從性差[14-15]，導(dǎo)致IRT測(cè)溫時(shí)，幾乎不可能確定測(cè)試距離。因此，為提高灘羊IRT測(cè)溫精度，定量研究測(cè)試距離對(duì)灘羊IRT溫度的影響規(guī)律及校正方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)動(dòng)物

2023年9月19日，在寧夏回族自治區(qū)吳忠市鹽池縣花馬池鎮(zhèn)永清源家庭農(nóng)牧場(chǎng)，選擇開放式羊舍飼養(yǎng)的生長(zhǎng)發(fā)育良好、體重相近的六月齡母灘羊20只。

1.2 試驗(yàn)儀器

熱紅外圖像采集采用美國(guó)FLIR Systems公司生產(chǎn)的FLIR E8便攜式紅外熱像儀，光譜范圍為7.5～13 μm，采集的圖片為320×240像素，熱靈敏度＜0.05 ℃，精度為±2 ℃，測(cè)溫范圍在-20～250 ℃。

體溫測(cè)量采用的是尚農(nóng)畜牧科技公司生產(chǎn)的獸用電子體溫計(jì)，測(cè)溫范圍為32～43 ℃，測(cè)溫誤差為±0.1 ℃。

環(huán)境信息采集采用環(huán)境信息采集傳感器，試驗(yàn)采集的環(huán)境數(shù)據(jù)主要有環(huán)境溫度和濕度。環(huán)境溫度和濕度采集使用石家莊雷神電子生產(chǎn)的ST-ATH系列環(huán)境溫濕度傳感器，溫度量程為-30～70 ℃，精度為±0.2 ℃，濕度量程為0～100 %RH，精度為±3 %RH。

1.3 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)，測(cè)試距離作為考察因素。由于試驗(yàn)過(guò)程中紅外熱成像溫度采集時(shí)間很短暫，環(huán)境溫度、空氣濕度等指標(biāo)不變或變化微小，可認(rèn)定為在穩(wěn)定環(huán)境中開展，不影響紅外熱成像測(cè)溫。

2023年9月19日，分別在8：00和20：00對(duì)羊群投料飼喂。早晨采食和飲水結(jié)束后，從20只六月齡母灘羊中隨機(jī)選取3只灘羊放置到試驗(yàn)籠中，等待1 h，使試驗(yàn)羊只應(yīng)激反應(yīng)消失且適應(yīng)環(huán)境。FLIR E8手持式紅外熱像儀輻射率設(shè)定為0.98[16]，同時(shí)利用環(huán)境溫濕度傳感器采集試驗(yàn)環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)，設(shè)定紅外熱像儀背景參數(shù)。待羊只無(wú)應(yīng)激反應(yīng)后，分別在距離試驗(yàn)籠0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0 m處，利用FLIR E8手持式紅外熱像儀采集灘羊眼部熱紅外圖像，每個(gè)測(cè)試距離連拍3張照片，拍攝結(jié)束后馬上利用獸用電子體溫計(jì)采集羊只直腸溫度。每只羊采集30張紅外熱成像圖片，共采集90張圖片。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的提取及處理

試驗(yàn)畜舍的環(huán)境溫度為19.9 ℃±0.3 ℃，空氣濕度為38.5%±2.8%，3只灘羊的平均體溫為39.4 ℃±0.2 ℃，其中最小值和最大值分別為39.2 ℃和39.6 ℃，灘羊體溫均處于正常范圍內(nèi)。灘羊體溫評(píng)估中，不同部位的IRT溫度與體溫關(guān)系相關(guān)性不同，研究表明灘羊眼睛IRT溫度與體溫密切相關(guān)，是診斷灘羊體溫的最佳部位[17]。因此，本試驗(yàn)以灘羊眼睛作為關(guān)鍵感興趣區(qū)域（regions of interest，ROI），觀察分析眼睛區(qū)域溫度高低及分布情況，并獲取IRT溫度數(shù)據(jù)。眼睛IRT溫度分布情況如圖1所示，眼睛測(cè)溫區(qū)域選取包括眼球、眼瞼和眼角在內(nèi)的矩形區(qū)域，區(qū)域內(nèi)高溫分布不規(guī)則，最高溫度易于被提取，平均溫度易受測(cè)溫區(qū)域選擇大小影響，綜合考慮測(cè)溫區(qū)域選擇和羊只個(gè)體差異，為更加準(zhǔn)確提取眼睛的溫度特征，選擇測(cè)溫區(qū)域最高溫度作為眼睛的IRT溫度。

利用FLIR E8便攜式紅外熱像儀自帶的FLIR Tools V3.1.1（美國(guó) FLIR Systems公司）提取灘羊眼睛熱紅外圖像中測(cè)溫區(qū)域最高溫度，對(duì)每個(gè)測(cè)試距離拍攝的3張圖片中眼睛最高溫度求平均值，作為灘羊IRT溫度指標(biāo)，同時(shí)記錄對(duì)應(yīng)測(cè)試距離。

利用Excel對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用originPro 2019進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。利用方差分析驗(yàn)證測(cè)試距離對(duì)灘羊IRT溫度影響的顯著性，通過(guò)Pearson相關(guān)性研究?jī)烧叩木€性關(guān)系，基于線性模型和多項(xiàng)式模型構(gòu)建關(guān)系模型，并以決定系數(shù)和均方根誤差作為模型質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立灘羊IRT測(cè)溫的校正模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 測(cè)試距離對(duì)灘羊IRT溫度的影響

3只灘羊IRT溫度隨測(cè)試距離變化如圖2所示，測(cè)試距離越大，灘羊IRT溫度越小，但各灘羊眼睛IRT溫度變小過(guò)程中波動(dòng)情況不同。這是由于隨著測(cè)試距離的逐漸變大，紅外輻射在空氣中的透過(guò)率逐漸變小，紅外熱像儀捕捉到的紅外輻射強(qiáng)度在降低。所以灘羊紅外熱成像測(cè)溫受測(cè)試距離影響明顯。

為進(jìn)一步驗(yàn)證測(cè)試距離對(duì)灘羊紅外熱成像測(cè)溫影響的顯著性，本文以測(cè)試距離為變量，對(duì)3只灘羊的眼睛IRT溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。分析結(jié)果如表1所示，其中表示顯著性水平的P值遠(yuǎn)小于0.01，說(shuō)明測(cè)試距離對(duì)紅外熱成像測(cè)溫的影響極顯著。為提高紅外熱成像測(cè)溫精度，必須對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行校正。

2.2 測(cè)試距離與IRT溫度關(guān)系模型構(gòu)建

為定量分析測(cè)試距離對(duì)灘羊紅外熱成像測(cè)溫的影響，建立灘羊眼睛IRT溫度和測(cè)試距離之間的數(shù)學(xué)模型。Pearson相關(guān)性分析結(jié)果顯示測(cè)試距離與眼睛IRT溫度呈顯著負(fù)相關(guān)（灘羊眼睛IRT溫度與測(cè)試距離的Pearson相關(guān)系數(shù)平均值r=-0.9875，p＜0.001）。由此可知兩者之間主要呈線性關(guān)系，故采用線性模型和多項(xiàng)式數(shù)學(xué)模型進(jìn)行回歸建模，并以決定系數(shù)（R2）和均方根誤差（SD）作為指標(biāo)評(píng)價(jià)模型質(zhì)量。模型構(gòu)建結(jié)果如表2所示。

決定系數(shù)（R2）又被稱為擬合優(yōu)度，代表回歸模型對(duì)自變量變化的解釋能力，所以決定系數(shù)越大，擬合度越優(yōu)。均方根誤差（SD）用來(lái)衡量模型擬合值與實(shí)際值之間的偏差，所以SD越小，表示回歸模型擬合結(jié)果越精確。從表2可以看出，三次多項(xiàng)式模型的R2最高，SD最小，是描述灘羊眼睛IRT溫度與測(cè)試距離關(guān)系的最優(yōu)數(shù)學(xué)模型。而常數(shù)項(xiàng)與測(cè)試距離無(wú)關(guān)，代表的是灘羊眼睛真實(shí)溫度。所以灘羊眼睛IRT溫度與測(cè)試距離的關(guān)系為

y=38.90-0.543 x3+1.790 8 x2-2.903 8 x" " " （1）

式中，y為不同測(cè)試距離下的灘羊眼睛IRT溫度，單位為℃；x為測(cè)試距離，單位為m。常數(shù)項(xiàng)為灘羊眼睛真實(shí)溫度，含有的項(xiàng)則表示測(cè)量距離對(duì)IRT測(cè)溫的作用規(guī)律。實(shí)際應(yīng)用中，灘羊真實(shí)眼睛溫度會(huì)因羊只個(gè)體不同而存在差異，所以用變量T來(lái)代表灘羊真實(shí)眼睛溫度，灘羊眼睛IRT溫度與測(cè)試距離的關(guān)系模型變?yōu)?/p>

y=T-0.543 6 x3+1.790 8 x2-2.903 8 x" " " "（2）

為校正灘羊眼睛IRT溫度，對(duì)式（2）進(jìn)行變換，得到眼睛真實(shí)溫度T的表達(dá)式，即為灘羊IRT測(cè)溫的校正模型：

T=y+0.543 6 x3-1.790 8 x2+2.903 8 x" " " "（3）

使用該模型對(duì)3只灘羊不同測(cè)試距離下測(cè)得的灘羊IRT溫度值進(jìn)行校正，對(duì)校正后的數(shù)據(jù)T進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析。結(jié)果如表3所示，測(cè)試距離對(duì)校正后數(shù)據(jù)T影響不顯著（P=0.999 8），而且T與測(cè)試距離的Pearson相關(guān)系數(shù)為0.000 1，P值為0.999 4，相關(guān)性幾乎接近于零，說(shuō)明經(jīng)過(guò)模型校正后灘羊IRT溫度值已經(jīng)和測(cè)試距離沒(méi)有關(guān)系。所以式（3）的校正模型可以用于消除測(cè)試距離對(duì)灘羊IRT測(cè)溫的影響。

3 討論與結(jié)論

動(dòng)物眼睛溫度可以替代核心溫度或體溫，用于檢測(cè)熱應(yīng)激、乳房炎和發(fā)情情況等[18-22]，這是因?yàn)閯?dòng)物眼睛中，眼瞼柔軟，分布有非常豐富的毛細(xì)血管，由面動(dòng)脈和眼動(dòng)脈的各分支為其提供充足的血液供給，而眼球角膜中沒(méi)有血管分布，所以熱量散失很慢且很少[23]，所以本文以灘羊眼睛溫度作為研究對(duì)象，探索測(cè)試距離對(duì)灘羊IRT溫度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著測(cè)試距離增大，灘羊IRT溫度在減小，方差分析結(jié)果顯示測(cè)試距離對(duì)IRT測(cè)溫的影響極顯著。為提高紅外熱成像測(cè)溫精度，對(duì)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行校正。由于測(cè)試距離與灘羊IRT溫度呈線性相關(guān)關(guān)系，基于線性算法和多項(xiàng)式算法構(gòu)建回歸模型，以決定系數(shù)R2和均方根誤差SD作為模型質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較，三次多項(xiàng)式模型是描述灘羊眼睛IRT溫度與測(cè)試距離關(guān)系的最優(yōu)數(shù)學(xué)模型。基于此，構(gòu)建灘羊IRT測(cè)溫的校正模型T=y+0.543 6 x3+

1.790 8 x2+2.903 8 x。利用校正模型對(duì)不同測(cè)試距離下測(cè)得的灘羊IRT溫度值進(jìn)行校正，校正后灘羊IRT溫度值在不同測(cè)試距離下無(wú)差異，且與測(cè)試距離不相關(guān)，說(shuō)明該校正模型可以有效補(bǔ)償測(cè)試距離對(duì)灘羊IRT測(cè)溫造成的誤差，提高紅外熱成像測(cè)溫的精度。

研究表明，影響畜禽紅外熱成像測(cè)溫精度的因子除了測(cè)試距離，還有溫度、濕度、光照度和風(fēng)速等環(huán)境因素[24-26]。本試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時(shí)間非常短暫，環(huán)境溫度、空氣濕度等指標(biāo)變化微小，熱源固定，試驗(yàn)環(huán)境非常穩(wěn)定，排除了環(huán)境因子等的影響，只定量研究了測(cè)試距離對(duì)紅外熱成像測(cè)溫精度的影響，應(yīng)用范圍有一定的局限性。需進(jìn)一步研究環(huán)境因子對(duì)紅外熱成像測(cè)溫的作用規(guī)律，構(gòu)建相應(yīng)的補(bǔ)償模型，消除其對(duì)紅外熱成像測(cè)溫精度的影響，提高其實(shí)用性。

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責(zé)任編輯：達(dá)海莉

基金項(xiàng)目：寧夏自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于紅外熱成像的灘羊體溫檢測(cè)技術(shù)研究”（2022AAC03434）、寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“灘羊智慧化養(yǎng)殖關(guān)鍵裝備研發(fā)與示范應(yīng)用”（2022BBF02021）。

作者簡(jiǎn)介：張建華（1988—），女，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，助理研究員，主要從事農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究工作。

收稿日期：2023-11-08