距离和湿度对煤矸石山表面温度探测的影响研究

王海娟，胡振琪，夏 清，许立江，樊廷立，王西营



距离和湿度对煤矸石山表面温度探测的影响研究

王海娟，胡振琪，夏 清，许立江，樊廷立，王西营

（中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院土地复垦与生态重建研究所，北京 100083）

利用红外热像仪对煤矸石山表面温度进行探测，通过分析实验数据，研究观测距离、环境湿度等因素对热红外温度监测的影响。实验结果表明：观测距离和环境湿度与温度具有极显著的负相关性，并拟合出距离-温度曲线和湿度-温度曲线，提取出误差比例因子，利用误差比例因子拟合公式对观测数据进行校正，以提高观测精度，误差控制在10K左右，可满足实际温度监测的需求。

煤矸石；红外热像仪；观测距离；环境湿度；温度探测

0 引言

煤矸石是在煤炭生产和加工过程中排放出的一种废石。目前，我国社会经济正处于飞速发展阶段，对于煤炭的需求不断增加，与此同时，排出的煤矸石量也在逐年增多。据统计，我国现有几千座煤矸石山，且煤矸石排放量仍以每年上亿吨的速度在增加，这些煤矸石山存在严重污染环境、占用大量土地、易造成滑坡等危害，其中以自燃矸石山的危害尤为严重[1-2]。煤矸石山自燃会产生大量的有毒有害物质，破坏矿区生态系统，使其植被死亡、农作物减产等。同时空气中含有大量有害气体和悬浮粉尘，严重危害人体健康[3]。此外，自燃的煤矸石山容易发生爆炸，造成人员伤亡。因此，解决自燃煤矸石山问题是改善矿区生态生活环境的重要部分，而自燃煤矸石山表面温度场的预警和监测是解决问题的关键。

热红外监测被认为是最便捷的温度场监测技术之一，而环境因素对煤矸石山温度场的热红外监测的影响是不可忽略的。文章主要是采用实验的方式，模拟研究观测距离、环境湿度等不同的环境因素对于煤矸石山的热红外温度监测精度的影响，通过对实验数据进行相关性分析，探求监测温度随距离和湿度的变化规律，拟合在不同距离以及不同湿度下的温度变化曲线，并提出数学补偿模型，对其进行误差修正以提高精度，进而为自燃煤矸石山灭火和治理提供依据。

1 红外热像仪的测温原理

红外热像仪是利用红外光学系统接受被测目标辐射的红外能量，将其转化成光信号，反映到内部探测器的光敏元件上，再将其转化成电信号，在后续电路中转化成数字信号，并通过嵌入式图像处理软件转化成数字图像信号和视频信号，形成热红外影像图，与被测物体表面的温度场相对应。该热红外影像图显示为伪彩色，其中每个像元的灰度值与被测物体上发出并被接收的辐射能量相对应，故可以从该图像上读出被测物体表面每一个像元点的温度值，并得到被测物体的温度场分布情况[4-6]。本文采用的是型号为TH9100MV/WV、非制冷焦平面红外热像仪，该仪器是一种日本进口、非接触、高灵敏的红外线热辐射仪器。红外热像仪测温原理如图1所示。

通常，为了测量的准确性，在进行测温之前，需对红外热像仪进行系统参数校正。由于周围环境和其他物体的反射会对被测物体产生影响，使得其表面辐射率较低，因此需要进行反射校正；同时输入目标辐射率、大气温度、环境湿度和不同的测量距离，对红外热像仪进行系统校正，使仪器内部自动修正与测量目标之间由环境影响而带来的误差[7]。

2 观测距离对热红外温度监测精度的影响

在通常情况下，观测距离对测温精度的影响主要归于以下两方面：1）随着观测距离的增大，大气透过率相应减小，且热辐射消耗增加，从而导致测温误差；2）当观测距离增加时，红外热像仪的视场面积随之增大，目标尺寸相对于视场面积相应会减小，红外热像仪接收到的目标热辐射信号相对降低，导致测量误差。

对于煤矸石山来说，其高温地区分布集中，煤矸石山土壤导热性较低，温度由最高点随距离增加而急剧降低，故煤矸石山高温区域范围不大，并且易于区分，所以可以将其着火点看作点热源。本文实验场区选取位于太行山麓的潞安矿务局某煤矿的自燃矸石山为实验对象。通过实验得出，燃香的燃烧时温度与自燃矸石山上局部的高温燃烧区温度值较接近，故将燃香布设在矸石山上作为温度测量目标点。实验操作如下：

1）温度观测：用红外热像仪依次在1～30m，采样间隔为1m以及35m、40m、45m距离下，对目标点分别进行3次温度探测，以减小偶然误差的影响，取平均值作为该距离的监测值。同时测量野外温度为300.15K、环境湿度为45%，用地温计探测目标点的真实温度为750.0K。

2）数据提取：使用与该红外热像仪配套的软件Mikro Spec4处理热红外影像图。在系统软件中重新设置环境温度、相对湿度、大气辐射率及观测距离等热图像的重要参数，使其再次对影像进行数据补偿，以减小环境影响带来的测温误差。选取每张影像燃香燃烧部位的中间像素读取温度值，作为目标实测温度值，其数据处理结果见表1。其中中误差表示基于样本的方差的平方根。其大小反映了该组观测值精度的高低，公式为：

表1 不同距离的温度值及其误差值

在Excel下，对实验数据和误差值分别多项式拟合，得出距离-温度曲线，以及距离-误差曲线，如图2所示，进而求出不同距离下的误差补偿公式：

＝－0.22072＋17.872－11.839 (1)

再根据公式对不同距离下实测温度值加以修正得到校正前、后的距离-温度拟合曲线如图2所示，修正模型的误差如图3所示。

图2 各拟合曲线对比图

图3 模型修正误差图

从表1、图2、图3中可以看出：

1）在利用红外热像仪对煤矸石山温度场进行探测时，实测值变化受到观测距离影响较大，并且与真实值的差值也较大，经过温度补偿后，接近真实的温度值，修正误差控制在10K左右，最大不会超过20K，可以满足煤矸石山温度监测的需求。

2）在1～12m范围内，随距离的变化温度急剧下降，测温精度较低且不稳定；在13～19m范围内，温度变化趋于平稳，误差变化较小，且趋于稳定；在20～45m范围内，温度有下降的趋势且不稳定。

3）在1～12m范围内中误差比较大，不稳定且出现跳跃值；在13～19m范围内，中误差值明显减小；在2K左右，数值较稳定；在20～45m范围内，测量中误差值变大，测温精度变低。

综上所述，红外热像仪对煤矸石山温度场探测最优观测距离是13～19m，在该距离内测量变化稳定且测温精度高，适宜作为最优观测距离。

3 环境湿度对热红外温度监测精度的影响

空气中对红外辐射具有吸收作用的气体主要是水蒸气、二氧化碳和臭氧，它们均会造成红外辐射的衰减，其在不同波段形成了红外线吸收带，造成的衰减也不同。根据仪器自身的适应性和实际的工作环境，主要考虑水蒸汽对测温精度的影响，这是因为水的固态和液态对红外辐射有散射作用，尤其是水蒸气分子对红外辐射有强烈的选择性吸收作用[8-9]。

在环境湿度影响温度监测的试验中，由于野外湿度的不可控性，选择在室内以模拟的方式进行实验。该实验在密闭的室内，利用另外一种燃烧面积较大的燃香模拟煤矸石山的高温着火点，并利用空气加湿器控制室内湿度分别为20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%8个湿度梯度，然后在不同的湿度梯度下固定距离1m、3m、5m、7m、9m、11m、13m、15m处分别探温2次，以减小偶然误差的影响。用地温计对标定目标点的真实温度进行探测温度为404.0K。

在处理热红外图像时，使用Mikro Spec4软件，重新设置环境温度、湿度、大气辐射率及距离等热图像的重要参数。选用圆形，选取方式选区燃香全部燃烧部位，读取其平均值，作为该幅影像燃烧区的温度值。为减少误差，计算2幅影像的平均值作为燃烧区观测值，如表2所示。

从表3可以看出，在不同的距离下，湿度和温度有显著的负相关性，在1～7m、和13～15m距离范围内相关性较为显著，在9～11m内相关性较差。其变化规律如图4所示。

表2 不同距离不同湿度下的温度值

图4 不同距离下的温度随湿度变化

从图4中可以看出：

1）在相同的距离下，温度随湿度的增加而减小，在1m、3m、15m处，递减程度较小，趋势较平缓，温差基本在10K之内，且幅度较小，表明在该距离上，环境湿度对温度的影响不明显；在5～13m的距离处，递减程度较大，温差达到20K之内，且幅度波动加大，表明在该距离上，湿度对温度的影响明显。

2）相对于湿度对温度的影响而言，距离对温度的影响较大。在1～7m范围内，距离对温度的影响幅度较小；在9～15m范围内，距离对温度的影响较大，这与距离实验所得到的结果基本相符。

通过分析表3和图3中的数据，可以得到湿度对温度的影响基本呈线性关系，通过线性拟合得到温度随湿度的变化系数见表4。

根据表4计算湿度和温度的平均系数为－42.3，故其改正系数为42.3，得到改正模型为：

＝测＋42.3(2)

4 环境对热红外温度监测的综合影响

煤矸石山在自然条件下堆积，其放置环境复杂多变，并且用热红外技术监测其温度场时，外界环境对其影响具有叠加性，情况复杂。本文在实验的基础上考虑观测距离与环境湿度对温度检测的叠加情况，分析监测温度的变化规律。

在SPSS软件中进行距离、湿度和温度数据Pearson相关性分析得到表5。同时在Matlab中将不同距离不同湿度下的温度绘制成曲面，如图4所示。

表4 不同距离下拟合线性函数的系数

表5 距离、湿度和温度相关性

** 表示在0.01水平（双侧）上显著相关。

图4距离、湿度和温度曲面关系图

由表5和图4可得，在观测距离和环境湿度共同影响的条件下，观测距离对温度监测的影响起主要作用。当观测距离较小时，环境湿度对温度监测的影响相对较明显，故可以根据公式(1)和公式(2)对监测温度加以校正；当观测距离较大时，环境湿度较小时，其影响可忽略不计，可只根据公式(1)对其进行校正。

在观测距离对温度监测影响的实验中和环境湿度对温度监测影响的实验中，由于实验模拟热源点材质不同和环境因素的影响，其随距离变化的温度监测数据有差异，在SPSS软件中对不同距离下的测量值与真实值的差，进行Pearson相关性分析得到在0.01水平上双侧检验显著相关，其相关性为0.956。因此，在距离实验中所得到的距离修正模型在湿度实验中具有适用性。

由以上分析可以得到，观测距离和环境温度对测温精度的叠加影响以观测距离的影响为主。

为了提高红外热像仪的测温精度，在测量过程中，除了对观测值进行适当的修正外，还需注意以下几点：

1）野外测量时，应选择气象条件较好的天气，阳光照射不强，干燥，无风天气为佳，并充分考虑太阳辐射、环境温度、环境湿度和天空长波辐射对红外热像仪的影响。

2）尽量增加目标和背景的对比度，并远离易吸热物体、高温物体和热辐射强的物体，以免造成环境对于热红外测量的干扰。

3）应适当地选择在无尘或空气清新的环境中进行测量，从而消除散射所导致的测温误差。

5 结论

本文分析了红外热像仪的测温原理，着重探讨了观测距离和环境湿度对煤矸石山温度场探测的影响。并通过实验的方式，获取不同观测距离、不同环境湿度下的温度监测数据，通过整理、分析数据得到以下结论：

1）红外热像仪对煤矸石山表面温度探测偏差随观测距离的增加而逐步增大，但最终趋于稳定；其最优的观测距离为13～19m。在该距离范围内，监测温度变化随距离的增加趋于平稳，且中误差和修正误差较小，波动趋于稳定。

2）提出距离修正模型，其误差基本控制在10K左右，精度较高，且通过与湿度实验中的温度差进行相关性分析，得到该模型具有一定的适用性。

3）在相同的距离下，温度随环境湿度的增加而减小，基本呈线性关系，提出修正系数对不同湿度下的温度监测值进行修正。

4）相对于环境湿度对温度的影响而言，观测距离对温度监测的影响较大，其温度修正模型的选择可根据实际情况而定。

本研究为监测自燃煤矸石山表面温度场奠定了一定的基础，对自燃煤矸石山的灭火和治理工作具有实际的指导意义，对改善矿区生态生活环境具有重要意义。

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Research on Measuring Distance and Humidity effects on Thermal infrared Temperature Measurement Precision of Temperature Field of Waste Piles

WANG Hai-juan，HU Zhen-qi，XIA Qing，XU Li-jiang，FAN Ting-li，WANG Xi-ying

((),,100083,)

In this paper, temperature field of waste piles was detected by infrared thermal imager. Research on measuring distance and environmental humidity effecting on thermal infrared temperature measurement precision has been done through analyzing the data. The experimental results show that: the measuring distance and environmental humidity are related to temperature with negative significant correlation. According to the experimental data, distance-temperature curve and humidity - temperature curve are fitted, error scale factors are extracted, the data are adjusted by error scale factor to improve accuracy, and error is controlled in about 10K. The results can meet the actual demand of temperature measurement. It provides important reference value to using infrared thermal imager to detect surface temperature field of waste piles.

waste piles，infrared thermal imager，measuring distance，environmental humidity，temperature detection

TN219

A

1001-8891(2015)07-0618-06

2015-01-15；

2015-03-16.

王海娟（1989-），女，河北河间市人，硕士研究生，从事煤矸石山温度场研究。

国家自然科学基金项目，编号：41371502。