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.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

?

自燃煤矸石山溫度場構(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.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083)

摘要：表面溫度監(jiān)測是尋找自燃煤矸石山著火點(diǎn)位置并對其針對性治理的基礎(chǔ)。本文創(chuàng)建了紅外成像儀結(jié)合全站儀對自燃煤矸石山表面溫度場外業(yè)數(shù)據(jù)采集方法，使用三角形內(nèi)插原理對數(shù)據(jù)處理，完成了溫度場的構(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)對溫度場數(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[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，燃燒過程中會產(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，對生態(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)，對自燃煤矸石山溫度場的準(zhǔn)確計(jì)算和測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)對自燃煤矸石山的接觸式測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溫技術(shù)結(jié)合全站儀的地形測繪功能實(shí)現(xiàn)了煤矸石山溫度場高效大面積測量，并且在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，對溫度場進(jìn)行插值，加密溫度場數(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)對溫度場數(shù)據(jù)進(jìn)行四維顯示。

1溫度場實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

此次實(shí)驗(yàn)在山西省陽泉市境內(nèi)陽泉煤礦三礦礦區(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。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擺放儀器。

圖1　標(biāo)志點(diǎn)和溫度特征點(diǎn)

2溫度場構(gòu)建

2.1溫度場外業(yè)數(shù)據(jù)采集內(nèi)容及流程

2.1.1拍攝溫度場紅外圖像及記錄標(biāo)識點(diǎn)

依據(jù)實(shí)際地形選取合適攝距，用紅外成像儀對項(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)識點(diǎn)，拍攝時(shí)將測釬置于標(biāo)識點(diǎn)上，標(biāo)出標(biāo)識點(diǎn)在紅外像上的位置并且通過紅外成像儀自帶功能記錄標(biāo)識點(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，確保像幅間溫度場數(shù)據(jù)無遺漏。

2.1.2全站儀測量溫度場紅外圖像標(biāo)識點(diǎn)坐標(biāo)

煤矸石山溫度場標(biāo)識點(diǎn)測量是小范圍地區(qū)的圖根測量且只是探究局部溫度場的規(guī)律，無須知道其大地坐標(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，測量每個(gè)幅紅外圖像的標(biāo)識點(diǎn)的三維坐標(biāo)信息(X，Y，Z)。

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

在紅外圖像上標(biāo)識出溫度特征點(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取；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)的溫度場數(shù)據(jù)(X，Y，Z，T)如表1所示，完成溫度場的構(gòu)建。

圖2　插值三角形

(1)

(2)

(3)

表1　煤矸石山溫度場數(shù)據(jù)

選取幾個(gè)多余標(biāo)識點(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)位置評估的要求。在實(shí)際中我們可以通過增加標(biāo)識點(diǎn)，選取更加合理的攝距與拍攝角度，對計(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溫度場數(shù)據(jù)預(yù)處理

上一步所得自燃煤矸石山表面溫度場數(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)常被用來生成規(guī)則格網(wǎng)來模擬三維地形[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有變化。

溫度具有可以插值的特性，利用griddata函數(shù)對將表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溫度變化趨勢。

對應(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)，也是一一對應(yīng)的。通過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，溫度升高的速度非常快，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會對這些值進(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：矸石山溫度場四維顯示效果。

圖5　煤矸場四維顯示圖

6結(jié)論

通過全站儀加紅外成像儀的自燃煤矸石山溫度場外業(yè)采集方式能夠快速安全的獲得溫度場數(shù)據(jù)，并且利用兩次插值方法能夠加密溫度場數(shù)據(jù)對溫度場數(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評估著火點(diǎn)位置提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]張偉，鄔劍明，王俊峰.煤矸石山自燃治理與滅火工藝[J].中國煤炭，2012，38(12)：97-98.

[2]陳勝華，胡振琪，李美生，等.陽泉礦區(qū)自燃煤矸石山綠化中覆蓋層碾壓效果試驗(yàn)[J].水土保持通報(bào)，2014，34(1)：20-21.

[3]龍壟，沈琦.煤矸石山自燃評價(jià)模型探討[J].計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，2014，22(4)：7-8.

[4]劉彥濤，吳建亭，潘榮錕，等.煤矸石山爆炸動力學(xué)特性研究[J].煤礦安全，2009(2)：7-8.

[5]潘榮錕，余明高.自燃煤矸石山爆炸的危害及治理技術(shù)[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自燃科學(xué)版，2007，26(5)：484-485.

[6]王海娟，胡振琪，王曉軍，等.自燃煤矸石山表面溫度場紅外三維模型構(gòu)建[J].中國煤炭，2015(8)：131-132.

[7]余明高，段玉龍，郝強(qiáng)，等.自燃煤矸石山溫度場的有限元分析[J]中國安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，17(7)：14-15.

[8]王海娟，胡振琪，夏清，等.基于溫度場迭加法解析煤矸石山內(nèi)部溫度場[J].金屬礦山，2015，44(4)：36-37.

[9]盛耀彬，汪云甲.矸石山溫度場紅外熱像的空間信息挖掘[J].紅外技術(shù)，2007，29(1)：60.

[10]羅益雪，湯沁益，王宇，等.基于參考輻射源標(biāo)定的紅外成像非均勻校正技術(shù)[J].紅外技術(shù)，2014，36(4)：281-282.

[11]駱麗華，蕈輝.Matlab 程序設(shè)計(jì)在 GPS 高程擬合中的應(yīng)用[J].地理空間信息，2015，13(1)：100-102.

[12]吳守亮.基于 Matlab 的三維數(shù)字地形模擬及空間分析[J].測繪工程，2011，20(3)：54-55.

[13]雷曉輝，王海潮，陳寧蔣，等.云鐘不同氣象信息插值算法對SWAT模型模擬的影響研究[C]//中國水利學(xué)會第四屆青年科技論壇論文集.2008：23-25.

[14]劉浩.MATLAB R2014a 完全自學(xué)一本通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014：605-607.

收稿日期：2015-10-10

中圖分類號：TD76

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：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