自燃煤矸石山溫度場構建及四維顯示

史亞立，張瑞婭，丁　晴，蘇　偉，陳　雯，李　晶

(1.河北農業大學理工學院，河北 滄州 061100；2.中國礦業大學( 北京) 土地復墾與生態重建研究所，北京 100083；3.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

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自燃煤矸石山溫度場構建及四維顯示

史亞立1，張瑞婭2，丁晴3，蘇偉1，陳雯1，李晶1

(1.河北農業大學理工學院，河北 滄州 061100；2.中國礦業大學( 北京) 土地復墾與生態重建研究所，北京 100083；3.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

摘要：表面溫度監測是尋找自燃煤矸石山著火點位置并對其針對性治理的基礎。本文創建了紅外成像儀結合全站儀對自燃煤矸石山表面溫度場外業數據采集方法，使用三角形內插原理對數據處理，完成了溫度場的構建并且進行精度驗證，證明了此方法可行性。運用Matlab的Griddata函數對溫度場數據進行預處理。利用contour函數繪制等溫線，分析出煤矸石山表面溫度變化走向；利用surf函數將煤矸石山表面溫度場四維顯示。

關鍵詞：紅外成像儀；全站儀；三角形內插；煤礦石；自燃

煤矸石是目前排放量最大的工業固體廢棄物之一，其堆存量已達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，并且產生大量的熱甚者發生爆炸[2-4]。煤矸石山自燃影響著礦區周圍人們的一系列的生活及生產活動，對生態環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，也是預測自燃煤矸石山著火點位置及治理煤矸石山自燃的主要參數，對自燃煤矸石山溫度場的準確計算和測量是治理煤矸石山自燃及預防其發生爆炸的重要前提[7-8]。傳統地溫計對自燃煤矸石山的接觸式測量工作效率低且非常危險，帶有溫度信息的三維地形數據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結合全站儀的地形測繪功能實現了煤矸石山溫度場高效大面積測量，并且在總結前人研究的基礎上，對溫度場進行插值，加密溫度場數據，并利用Matlab中的contour函數繪制出等溫線以及利用surf函數對溫度場數據進行四維顯示。

1溫度場實驗區概況

此次實驗在山西省陽泉市境內陽泉煤礦三礦礦區，礦區煤矸石山仍在繼續堆積，其煤矸石山的保有量仍然在不斷的增長。實驗區煤矸石山自燃狀況比較穩定，能代表常態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，出現自燃的區域面積較大，矸石山的前方有較寬的平臺擺放儀器。

圖1　標志點和溫度特征點

2溫度場構建

2.1溫度場外業數據采集內容及流程

2.1.1拍攝溫度場紅外圖像及記錄標識點

依據實際地形選取合適攝距，用紅外成像儀對項目區煤矸石山表面進行正直拍攝，每個紅外像幅內均勻布設至少4～6個標識點，拍攝時將測釬置于標識點上，標出標識點在紅外像上的位置并且通過紅外成像儀自帶功能記錄標識點在紅外圖像上的像素坐標(x，y)。如圖1所示：A～F為記錄的標識點。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據無遺漏。

2.1.2全站儀測量溫度場紅外圖像標識點坐標

煤矸石山溫度場標識點測量是小范圍地區的圖根測量且只是探究局部溫度場的規律，無須知道其大地坐標；建立自由坐標系，并依據煤矸石山周圍地形和地貌布設一個覆蓋測區范圍的圖根控制導線。將全站儀安置在布設導線的控制點上，測量每個幅紅外圖像的標識點的三維坐標信息(X，Y，Z)。

2.2內業處理完成溫度場構建及精度驗證

在紅外圖像上標識出溫度特征點即紅外圖像某個區域內的溫度最高點和最低點以及反映溫度變化趨勢的點，并讀取其像素坐標(x，y)，如圖1所示a～z為選取的溫度特征點。

用外業時獲取的標識點的三維坐標數據(X，Y，Z)、內業獲取的溫度特征點及標識點像素坐標(x，y)為起算數據，利用三角形內插的原理，計算特征點的三維坐標。如簡圖2所示A、D、E為外業時布控的控制點，g為溫度特征點，他們的相對位置關系如圖2所示。已知紅外圖像上的控制點(A，D，E)的三維坐標(X，Y，Z)，像素坐標(x，y)，溫度特征點像素坐標(xg，yg)可以從紅外圖像上讀取；根據三點確定一個平面的原理，由式(1)、式(2)可以計算出區域內g點的平面坐標信息(Xg，Yg)，由式(3)可以計算出g點的高程Zg，最終獲得g點的空間坐標信息(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點的像素坐標(xg，yg)，可以利用紅外成像儀自帶軟件提取溫度特征點溫度T.利用此方法進可以得到所有溫度特征點的溫度場數據(X，Y，Z，T)如表1所示，完成溫度場的構建。

圖2　插值三角形

(1)

(2)

(3)

表1　煤矸石山溫度場數據

選取幾個多余標識點做為檢查點，檢驗此插值方法計算結果與全站儀測量值進行比較，如表2所示點位誤差平均值是0.28m，可以滿足煤矸石山治量以及著火點位置評估的要求。在實際中我們可以通過增加標識點，選取更加合理的攝距與拍攝角度，對計算結果進行平差等措施提高精度。

表2　精度驗證表格

3溫度場數據預處理

上一步所得自燃煤矸石山表面溫度場數據是離散點數據，不能直接被Matlab繪制等溫線或是四維顯示，需要對其進行預處理。Matlab 中的 griddata 函數可以將位于同一空間坐標系下的三維散點插值為規則格網便于被Matlab的顯示，此功能經常被用來生成規則格網來模擬三維地形[11-12]。先利用griddata函數將表1中 的(X，Y，Z)進行插值加密組成的規則格網；因為此次griddata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函數對將表1的(X，Y，Z，T)中的(X，Y，T)進行插值，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則格網[13]。插值的起算溫度數據為反映出溫度變化趨勢的特征點，所以加密后的溫度數據反映的依然是原溫度場溫度變化趨勢。

對應同一組(X，Y)以及相同的插值規則與閾值，插值得到的高程和溫度數據，也是一一對應的。通過兩次三維插值就獲得可以用matlab表示的(X，Y，Z，T)四維溫度場數據。

4繪制不同平面等溫線

利用Matlab中的contour函數可以將繪制出溫度場數據在不平同坐標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，surf(X，Y，Z，T)指定一個著色曲面，顏色T由決定[14]。Matlab會對這些值進行一個線性的變換，以確保從系統內的colormap獲得一個顏色值。利用surf(X，Y，Z，T)就可以將溫度場進行四維顯示，其中(X，Y，Z)表地形的起伏，根據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結論

通過全站儀加紅外成像儀的自燃煤矸石山溫度場外業采集方式能夠快速安全的獲得溫度場數據，并且利用兩次插值方法能夠加密溫度場數據對溫度場數據進行了預處理。利用matlab強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位置提供參考。

參考文獻

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[14]劉浩.MATLAB R2014a 完全自學一本通[M].北京：電子工業出版社，2014：605-607.

收稿日期：2015-10-10

中圖分類號：TD76

文獻標識碼：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