自燃煤矸石山溫度場(chǎng)構(gòu)建及四維顯示

史亞立，張瑞婭，丁　晴，蘇　偉，陳　雯，李　晶

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工學(xué)院，河北 滄州 061100；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)( 北京) 土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

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自燃煤矸石山溫度場(chǎng)構(gòu)建及四維顯示

史亞立1，張瑞婭2，丁晴3，蘇偉1，陳雯1，李晶1

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)理工學(xué)院，河北 滄州 061100；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)( 北京) 土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京 100083；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083)

摘要：表面溫度監(jiān)測(cè)是尋找自燃煤矸石山著火點(diǎn)位置并對(duì)其針對(duì)性治理的基礎(chǔ)。本文創(chuàng)建了紅外成像儀結(jié)合全站儀對(duì)自燃煤矸石山表面溫度場(chǎng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法，使用三角形內(nèi)插原理對(duì)數(shù)據(jù)處理，完成了溫度場(chǎng)的構(gòu)建并且進(jìn)行精度驗(yàn)證，證明了此方法可行性。運(yùn)用Matlab的Griddata函數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。利用contour函數(shù)繪制等溫線，分析出煤矸石山表面溫度變化走向；利用surf函數(shù)將煤矸石山表面溫度場(chǎng)四維顯示。

關(guān)鍵詞：紅外成像儀；全站儀；三角形內(nèi)插；煤礦石；自燃

煤矸石是目前排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一，其堆存量已達(dá)45億t，且存量在快速增長(zhǎng)[1]。由于煤矸石山特殊的堆積形式及煤矸石的高含硫、含碳量，露天堆積的煤矸石山極易自燃，燃燒過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的有害氣體如：二氧化硫，一氧化碳，二氧化碳等，并且產(chǎn)生大量的熱甚者發(fā)生爆炸[2-4]。煤矸石山自燃影響著礦區(qū)周圍人們的一系列的生活及生產(chǎn)活動(dòng)，對(duì)生態(tài)環(huán)境也有著極大的危害[5-6]。研究表明，溫度是煤矸石山安全的重要指標(biāo)，也是預(yù)測(cè)自燃煤矸石山著火點(diǎn)位置及治理煤矸石山自燃的主要參數(shù)，對(duì)自燃煤矸石山溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算和測(cè)量是治理煤矸石山自燃及預(yù)防其發(fā)生爆炸的重要前提[7-8]。傳統(tǒng)地溫計(jì)對(duì)自燃煤矸石山的接觸式測(cè)量工作效率低且非常危險(xiǎn)，帶有溫度信息的三維地形數(shù)據(jù)不能得到形象的展示。

本文利用紅外成像儀非接觸式測(cè)溫技術(shù)結(jié)合全站儀的地形測(cè)繪功能實(shí)現(xiàn)了煤矸石山溫度場(chǎng)高效大面積測(cè)量，并且在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行插值，加密溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，并利用Matlab中的contour函數(shù)繪制出等溫線以及利用surf函數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行四維顯示。

1溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

此次實(shí)驗(yàn)在山西省陽(yáng)泉市境內(nèi)陽(yáng)泉煤礦三礦礦區(qū)，礦區(qū)煤矸石山仍在繼續(xù)堆積，其煤矸石山的保有量仍然在不斷的增長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)區(qū)煤矸石山自燃狀況比較穩(wěn)定，能代表常態(tài)自燃煤矸石山溫度狀況。如圖1所示，該煤矸石山堆積有序，呈梯田狀，出現(xiàn)自燃的區(qū)域面積較大，矸石山的前方有較寬的平臺(tái)擺放儀器。

圖1　標(biāo)志點(diǎn)和溫度特征點(diǎn)

2溫度場(chǎng)構(gòu)建

2.1溫度場(chǎng)外業(yè)數(shù)據(jù)采集內(nèi)容及流程

2.1.1拍攝溫度場(chǎng)紅外圖像及記錄標(biāo)識(shí)點(diǎn)

依據(jù)實(shí)際地形選取合適攝距，用紅外成像儀對(duì)項(xiàng)目區(qū)煤矸石山表面進(jìn)行正直拍攝，每個(gè)紅外像幅內(nèi)均勻布設(shè)至少4～6個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)，拍攝時(shí)將測(cè)釬置于標(biāo)識(shí)點(diǎn)上，標(biāo)出標(biāo)識(shí)點(diǎn)在紅外像上的位置并且通過(guò)紅外成像儀自帶功能記錄標(biāo)識(shí)點(diǎn)在紅外圖像上的像素坐標(biāo)(x，y)。如圖1所示：A～F為記錄的標(biāo)識(shí)點(diǎn)。相鄰紅外像幅之間要有一定的重迭度，確保像幅間溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)無(wú)遺漏。

2.1.2全站儀測(cè)量溫度場(chǎng)紅外圖像標(biāo)識(shí)點(diǎn)坐標(biāo)

煤矸石山溫度場(chǎng)標(biāo)識(shí)點(diǎn)測(cè)量是小范圍地區(qū)的圖根測(cè)量且只是探究局部溫度場(chǎng)的規(guī)律，無(wú)須知道其大地坐標(biāo)；建立自由坐標(biāo)系，并依據(jù)煤矸石山周圍地形和地貌布設(shè)一個(gè)覆蓋測(cè)區(qū)范圍的圖根控制導(dǎo)線。將全站儀安置在布設(shè)導(dǎo)線的控制點(diǎn)上，測(cè)量每個(gè)幅紅外圖像的標(biāo)識(shí)點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息(X，Y，Z)。

2.2內(nèi)業(yè)處理完成溫度場(chǎng)構(gòu)建及精度驗(yàn)證

在紅外圖像上標(biāo)識(shí)出溫度特征點(diǎn)即紅外圖像某個(gè)區(qū)域內(nèi)的溫度最高點(diǎn)和最低點(diǎn)以及反映溫度變化趨勢(shì)的點(diǎn)，并讀取其像素坐標(biāo)(x，y)，如圖1所示a～z為選取的溫度特征點(diǎn)。

用外業(yè)時(shí)獲取的標(biāo)識(shí)點(diǎn)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)(X，Y，Z)、內(nèi)業(yè)獲取的溫度特征點(diǎn)及標(biāo)識(shí)點(diǎn)像素坐標(biāo)(x，y)為起算數(shù)據(jù)，利用三角形內(nèi)插的原理，計(jì)算特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)。如簡(jiǎn)圖2所示A、D、E為外業(yè)時(shí)布控的控制點(diǎn)，g為溫度特征點(diǎn)，他們的相對(duì)位置關(guān)系如圖2所示。已知紅外圖像上的控制點(diǎn)(A，D，E)的三維坐標(biāo)(X，Y，Z)，像素坐標(biāo)(x，y)，溫度特征點(diǎn)像素坐標(biāo)(xg，yg)可以從紅外圖像上讀??；根據(jù)三點(diǎn)確定一個(gè)平面的原理，由式(1)、式(2)可以計(jì)算出區(qū)域內(nèi)g點(diǎn)的平面坐標(biāo)信息(Xg，Yg)，由式(3)可以計(jì)算出g點(diǎn)的高程Zg，最終獲得g點(diǎn)的空間坐標(biāo)信息(Xg，Yg，Zg)[9]。利用紅外成像儀自帶的紅外成像軟件，校正紅外圖像的溫度值[10]。通過(guò)g點(diǎn)的像素坐標(biāo)(xg，yg)，可以利用紅外成像儀自帶軟件提取溫度特征點(diǎn)溫度T.利用此方法進(jìn)可以得到所有溫度特征點(diǎn)的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)(X，Y，Z，T)如表1所示，完成溫度場(chǎng)的構(gòu)建。

圖2　插值三角形

(1)

(2)

(3)

表1　煤矸石山溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)

選取幾個(gè)多余標(biāo)識(shí)點(diǎn)做為檢查點(diǎn)，檢驗(yàn)此插值方法計(jì)算結(jié)果與全站儀測(cè)量值進(jìn)行比較，如表2所示點(diǎn)位誤差平均值是0.28m，可以滿足煤矸石山治量以及著火點(diǎn)位置評(píng)估的要求。在實(shí)際中我們可以通過(guò)增加標(biāo)識(shí)點(diǎn)，選取更加合理的攝距與拍攝角度，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行平差等措施提高精度。

表2　精度驗(yàn)證表格

3溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理

上一步所得自燃煤矸石山表面溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)是離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，不能直接被Matlab繪制等溫線或是四維顯示，需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。Matlab 中的 griddata 函數(shù)可以將位于同一空間坐標(biāo)系下的三維散點(diǎn)插值為規(guī)則格網(wǎng)便于被Matlab的顯示，此功能經(jīng)常被用來(lái)生成規(guī)則格網(wǎng)來(lái)模擬三維地形[11-12]。先利用griddata函數(shù)將表1中 的(X，Y，Z)進(jìn)行插值加密組成的規(guī)則格網(wǎng)；因?yàn)榇舜蝕riddata插值與之前插值方法相同，加密插值后的精度沒(méi)有變化。

溫度具有可以插值的特性，利用griddata函數(shù)對(duì)將表1的(X，Y，Z，T)中的(X，Y，T)進(jìn)行插值，插值方法及閾值與上段中插值(X，Y，Z)相同，將其插值加密成的規(guī)則格網(wǎng)[13]。插值的起算溫度數(shù)據(jù)為反映出溫度變化趨勢(shì)的特征點(diǎn)，所以加密后的溫度數(shù)據(jù)反映的依然是原溫度場(chǎng)溫度變化趨勢(shì)。

對(duì)應(yīng)同一組(X，Y)以及相同的插值規(guī)則與閾值，插值得到的高程和溫度數(shù)據(jù)，也是一一對(duì)應(yīng)的。通過(guò)兩次三維插值就獲得可以用matlab表示的(X，Y，Z，T)四維溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。

4繪制不同平面等溫線

利用Matlab中的contour函數(shù)可以將繪制出溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)在不平同坐標(biāo)平面上的等溫線如圖3所示。由圖3(a)圖可以看出溫度在沿X軸與Y軸角平線方向發(fā)生變化，在隨X值不斷增大溫度值也在增大，沿Y軸方向溫度降低但是變化不太明顯。由圖3(b)圖可以看出溫度隨X的值的不斷增大而升高，溫度升高的速度非?？?，且溫度隨Z的增加是降低的。由圖3(c)圖可以看出溫度隨Y和Z的增加不斷降低，在Y軸末端有增加的趨勢(shì)但是高溫范圍不大。

圖3　不同平面等溫線圖

5煤矸石山溫度場(chǎng)四維顯示

利用matlab中surf函數(shù)，surf(X，Y，Z，T)指定一個(gè)著色曲面，顏色T由決定[14]。Matlab會(huì)對(duì)這些值進(jìn)行一個(gè)線性的變換，以確保從系統(tǒng)內(nèi)的colormap獲得一個(gè)顏色值。利用surf(X，Y，Z，T)就可以將溫度場(chǎng)進(jìn)行四維顯示，其中(X，Y，Z)表地形的起伏，根據(jù)T值的大小不一，賦上不同的顏色，將煤矸石山溫度場(chǎng)四維顯示，并在四維顯示曲面上附畫等溫線，突出溫度變化效果，如圖4所示：矸石山溫度場(chǎng)四維顯示效果。

圖5　煤矸場(chǎng)四維顯示圖

6結(jié)論

通過(guò)全站儀加紅外成像儀的自燃煤矸石山溫度場(chǎng)外業(yè)采集方式能夠快速安全的獲得溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，并且利用兩次插值方法能夠加密溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理。利用matlab強(qiáng)大的繪圖功能可以獲取溫度場(chǎng)等溫線并將其四維顯示，可以為分析煤矸石山表面溫度變化趨勢(shì)評(píng)估著火點(diǎn)位置提供參考。

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收稿日期：2015-10-10

中圖分類號(hào)：TD76

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4051(2016)07-0144-04

Construction and four dimensional display of spontaneous coal gangue piles temperature filed

SHI Ya-li1，ZHANG Rui-ya2，DING Qing3，SU Wei1，CHEN Wen1，LI Jing1

( 1.College of Science & Technology，Agricultural University of Hebei，Cangzhou 061100，China；2.Institute for Land Reclamation and Ecological Reconstruction，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China；3.College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China)

Abstract:Monitoring the spontaneous combustion coal gangue piles surface temperature is the basement to look for the fire position and put forward the pertinence treatment measure for the fire.The research proposes a method that the infrared imaging apparatus with the total station is used in getting the spontaneous coal gangue piles temperature filed data，and processes the data by triangular interpolation principle，completing the construction of temperature field and verifying the accuracy to prove the feasibility of the method.It uses griddata function in Matlab software to preprocess temperature and elevation data.It draws the isotherm by contour function and analyzes the trend of the temperature.It displays the temperature filed in four dimension.

Key words：infrared imager；total station；triangle linear interpolation；coal gangue;spontaneous combustion