专利名称：基于全站仪和红外热像仪的煤矸石山表面温度场测量方法
技术领域：
本发明属测绘和环境监测技术领域，特别涉及基于全站仪和红外热像仪的煤矸石山表面温度场测量方法。
背景技术：
自燃煤矸石山对环境的危害和存在的环境风险很大，因此，自燃煤矸石山的治理已经成为当前研究的热点。对自燃矸石山的治理关键是探明高温区和着火点，以便采取相应的灭火和阻燃应对措施，达到治理的目的。国内外对煤燃烧和硫化矿石燃烧的研究表明燃烧主要表征参数是温度，因此，利用温度的探测确定着火点的位置是合适的，所以，煤矸石山表面和深部温度场的监测就成为自燃煤矸石山治理的基础和关键。红外测温属于非接触测温的一种方法，通过对物体自身辐射的红外能量的测量来测定其表面温度，在生产加工、电力、医学、消防等方面都有广泛的应用；对煤田火灾的红外监测，因煤田面积大，目前一般采用航空和航天红外遥感，但由于感应精度低，这种红外监测手段对小面积的煤矸石山自燃监测则不适用。尽管对着火煤矸石山深部位置的探测是一个尚未解决的难题，红外技术也无法探测深部的着火情况，但表面温度场的探测相对来说是可行的。红外热像仪可以获取表面的温度参数，但无法获取空间信息，即无法确定各温度点的空间位置，必须与测绘技术相配合。对矸石山表面各温度点的空间位置确定主要采用地形图测绘技术，往往利用国家或矿山已知控制点的空间坐标联测用于矸石山测图的控制点(称之为图根控制点)空间坐标信息，在图根控制的基础上测绘各个地表特征点的空间信息。对自燃矸石山而言，除一般地形变化的标志点以外，表面温度变化的位置也应作为地形测绘的标志点。煤矸石山表面温度场测量的难题在于1)红外热像仪测量煤矸石山表面温度时的测点布设及测点数确定；2)红外热像仪与空间信息获取的测绘技术的耦合；3)煤矸石山地貌特征，尤其是难以到达区域的空间信息的获取；4)红外热像仪的平面像片与煤矸石山表面曲面的耦合；5)任意温度点的空间信息求取。

发明内容
本发明的目的是为解决上述难题，提出一种基于全站仪和红外热像仪的煤矸石山表面温度场测量的方法，旨在将全站仪地形测绘技术和热红外成像技术耦合，实现煤矸石表面温度的快速测量及温度场空间位置的准确定位，为自燃煤矸石山的治理提供基础支撑。本发明提出的一种基于全站仪和红外热像仪的煤矸石山表面温度场测量方法，其特征在于，包括以下步骤
1)区域和像幅划分进行现场勘查，确定煤矸石山表面面积和地形特点，根据红外热像仪像幅的大小，将煤矸石划分为若干区域，每个区域对应红外热像仪的一个像幅，由此计算出煤矸石山区域数和红外成像的像幅数。为保证精度，各像幅之间的边缘重合，重合率为像幅面积的5% -10% ；2)区域标志点布设在每个区域设立最少5-6个标志点，用来确定像幅标志点坐标信息；3)图根控制网建立根据煤矸石山的地形特点选取多个野外测量时仪器的架设点作为图根控制点，并使每个像幅中的至少有一个图根控制点；利用煤矸石山所在地区的已知空间坐标信息的控制点，使用全站仪获取图根控制点空间坐标信息，所有图根控制点及其坐标信息组成图根控制网；4)野外观测在图根控制点上架设全站仪，在图根控制点附近架设红外热像仪； 使用全站仪对各区域内标志点进行测量，获取区域内标志点的空间坐标信息，同时利用红外热像仪测量区域表面温度信息取得热红外图像；5)数据处理在热红外图像上选取15-30个表面温度特征点，该表面温度特征点包括已经获得空间坐标信息的标志点和表面温度起伏的高点和低点；获取表面温度特征点的表面温度信息，同时利用像幅对应区域内标志点的空间坐标信息，获得表面温度特征点的空间坐标信息；最后利用各个特征点的表面温度和空间坐标信息绘制煤矸石山表面温度场。本发明主要具有以下技术优点1)将热红外温度测量与地形测绘技术有机结合，解决了煤矸石山表面温度场的快速测量问题，为煤矸石山治理奠定了基础。2)将地形测绘中的图根控制点布置与红外热像仪温度测量的需要相结合，不同于一般地形测量控制点的布设方法。3)野外热红外温度测量与地形测绘技术有机结合，主要通过在红外热像仪拍摄的每个区域内设立最少5-6个标志点，在温度测量的同时利用全站仪测量标志点空间信息。4)整个矸石山温度场的构成，是通过温度图像信息获取像幅内温度特征点的温度信息，同时利用每一像幅内像副标志点的空间信息、通过插值法获取像幅内每个温度特征点的空间信息，再通过各个温度特征点的温度和空间信息绘制煤矸石山温度场。5)首次实现煤矸石山表面温度场的监测，为发现矸石山着火点和潜在着火点以及有效治理矸石山提供基础信息。


图1为本发明方法流程图。图2为本发明方法的野外热红外温度测量与地形测绘技术有机结合的测量示意图。图3为本发明方法实施例的标志点布设及温度特征点采集示意图。图4为本实施例的特征点空间信息求取示意图。具体实施方法本发明提出的一种基于全站仪和红外热像仪的煤矸石山表面温度场测量方法，结合附图及实施例详细说明如下本发明的一种基于全站仪和红外热像仪的煤矸石山表面温度场测量方法流程如图1所示，包括以下步骤；1)区域和像幅划分进行现场勘查，确定煤矸石山表面面积和地形特点，根据红外热像仪像幅的大小，将煤矸石划分为若干区域，每个区域对应红外热像仪的一个像幅，由此可计算出矸石山区域数和红外成像的像幅数。为保证精度，各像幅之间的边缘重合，保证重合率为像幅面积的5% -10%的重合率。2)区域标志点布设在划分好的区域内布设区域标志点，每个区域设立至少5-6 个标志点，用来确定像幅空间坐标信息。区域标志点设立要求在区域4角各1个，区域中间1-2个。另外，根据地形适当增加区域标志点个数。增加区域标志点的设立要求在区域内地形起伏的高点和低点增加1-5标志点。根据像幅与区域的对应关系，利用投影原理，将区域内布设的区域标志点投影到像幅内的相应位置，称作为像幅标志点。3)图根控制网建立在区域标志点设立的同时，建立图根控制网。根据煤矸石山的地形特点选取多个野外测量时仪器的架设点作为图根控制点，并使每个像幅中的至少有一个图根控制点；利用已知控制点(煤矸石山所在地区的已知空间坐标信息的点)使用全站仪获取图根控制点空间坐标信息。所有图根控制点及其坐标信息组成图根控制网。4)野外观测野外观测的目的是获取区域内标志点的空间坐标信息。在图根控制点上架设全站仪，在图根控制点附近架设红外热像仪；使用全站仪对各区域内标志点进行测量，获取区域内标志点的空间坐标信息；同时利用红外热像仪测量每个区域表面温度信息得到相应的一幅热红外图像(一个像幅)。如图2所示，图中，矸石山山坡21上的某一图根控制点上架设全站仪22，在全站仪测量的前方为全站仪配套的棱镜23，在该图根控制点附近架设红外热像仪M。5)数据处理以上内容主要为野外作业，在野外作业的基础上需要室内数据处理，以期获得煤矸石山表面温度场信息，主要是在热红外图像上选取15-30个表面温度特征点，表面温度特征点包括已经获得空间坐标信息的标志点的和表面温度起伏的高点和低点；如图3所示，包括图中标示灰的3、13、(3、(1、6、€6个红外图像上与该像幅对应区域的像幅标志点；标示 的20个表面温度起伏的高点和低点；在热红外图像上获取所有表面温度特征点的表面温度信息，同时利用像幅对应区域内标志点的空间坐标信息，通过插值法获取所有表面温度起伏的高点和低点的空间坐标信息；最后利用各表面温度特征点的表面温度和空间坐标信息绘制煤矸石山表面温度场。表面温度特征点空间坐标信息求取如图3所示的区域内6个标志点的空间坐标信息通过测量直接获得；20个表面温度起伏的高点和低点的空间坐标位置根据这些点与像幅标志点位置的相互关系，结合像幅标志点对应的区域标志点的空间坐标信息，利用插值法得到像幅中任意表面温度特征点的空间坐标信息。如图4所示，P点为区域内需要求取空间坐标位置的20个表面温度起伏的高点和低点中的一点，ρ为P对应在热红外图像上的点。计算过程如下p、a、b、c、d、e、f为像幅内表面温度特征点，分别对应区域内点P、A、B、C、D、E、F。
表面温度特征点的平面坐标信息(X，y)可以通过红外热像仪中的图像处理程序得到，说明如下p为需要求取空间坐标信息的表面温度特征点。
ρ包含在由a、d、e像幅标志点组成的三角形内，按照对应关系，P包含在区域标志点A、D、E组成的三角形内。像幅标志点a、d、e和ρ点的平面坐标信息(x，y)和区域标志点A、D、E的空间坐标信息(X，Y，Z)已知，根据三点确定一个平面的原理，由式(1)、(2)可以计算出区域内P点的平面坐标信息0(P，Yp)，由式(3)可以计算出P点的高程ΖΡ，最终获得P点的空间坐标信息(Xp, Yp, Zp)。
\yPXP 1ΧαyaX4 1
A 1=0(1)XdydXeyeXe 1\yPYp 1"Xaya^ 10(2)
=XdydYd 1XeyeYe 1_~XP-xAYp-YaZp
Xd-XaYD--Za=0(3)_χΕ-XaY -Y 1E 1 AZe 其它各表面温度的高低起伏点的空间坐标位置按上述相同原理得到
权利要求
1.一种基于全站仪和红外热像仪的煤矸石山表面温度场测量方法，其特征在于，包括以下步骤1)区域和像幅划分进行现场勘查，确定煤矸石山表面面积和地形特点，根据红外热像仪像幅的大小，将煤矸石划分为若干区域，每个区域对应红外热像仪的一个像幅，由此计算出煤矸石山区域数和红外成像的像幅数，各像幅之间的边缘重合，重合率为像幅面积的 5% -10% ；2)区域标志点布设在每个区域设立至少5-6个标志点，用来确定像幅标志点坐标信息；3)图根控制网建立根据煤矸石山的地形特点选取多个野外测量时仪器的架设点作为图根控制点，并使每个像幅中的至少有一个图根控制点；利用煤矸石山所在地区的已知空间坐标信息的控制点，使用全站仪获取图根控制点空间坐标信息，所有图根控制点及其坐标信息组成图根控制网；4)野外观测在图根控制点上架设全站仪，在图根控制点附近架设红外热像仪；使用全站仪对各区域内标志点进行测量，获取区域内标志点的空间坐标信息，同时利用红外热像仪测量区域表面温度信息取得热红外图像；5)数据处理在热红外图像上选取15-30个表面温度特征点，该表面温度特征点包括已经获得空间坐标信息的标志点和表面温度起伏的高点和低点；获取表面温度特征点的表面温度信息，同时利用像幅对应区域内标志点的空间坐标信息，获得表面温度特征点的空间坐标信息；最后利用各个特征点的表面温度和空间坐标信息绘制煤矸石山表面温度场。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中在每个区域设立最少5-6个标志点，用来确定像幅空间坐标信息；具体包括在各个区域4角各设立1个标志点，在区域中间设立1-2个标志点；根据像幅与区域的对应关系，利用投影原理，将区域内布设的区域标志点投影到像幅内的相应位置，作为像幅标志点。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤2)中还包括在区域内地形起伏的高点或低点增加1-5标志点。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5)中利用像幅对应区域内标志点的空间坐标信息，获得表面温度特征点的空间坐标信息的具体方法为根据温度特征点与像幅标志点位置的相互关系，结合像幅标志点对应的区域标志点的空间坐标信息，利用插值法得到像幅中任意表面温度特征点的空间坐标信息。
全文摘要
本发明涉及基于全站仪和红外热像仪的煤矸石山表面温度场测量方法，属测绘和环境监测技术领域，该方法包括将煤矸石划分为若干区域，每个区域对应红外热像仪的一个像幅，在每个区域设立最少5-6个标志点，利用全站仪建立图根控制网，在图根控制点同时使用全站仪测量标志点空间信息和红外热像仪测量温度信息，再通过插值法求得选定温度特征点的空间信息，从而绘制整个煤矸石山的表面温度场。本发明将全站仪地形测绘技术和热红外成像技术耦合，实现煤矸石表面温度的快速测量及温度场空间位置的准确定位，为自燃煤矸石山的治理提供基础支撑。
文档编号G01C7/02GK102162730SQ20111000504
公开日2011年8月24日 申请日期2011年1月11日 优先权日2011年1月11日
发明者李晓静, 胡振琪, 赵艳玲 申请人:中国矿业大学(北京)