自燃煤矸石山温度场构建及四维显示

史亚立，张瑞娅，丁　晴，苏　伟，陈　雯，李　晶

(1.河北农业大学理工学院，河北 沧州 061100；2.中国矿业大学( 北京) 土地复垦与生态重建研究所，北京 100083；3.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)



自燃煤矸石山温度场构建及四维显示

史亚立1，张瑞娅2，丁晴3，苏伟1，陈雯1，李晶1

(1.河北农业大学理工学院，河北 沧州 061100；2.中国矿业大学( 北京) 土地复垦与生态重建研究所，北京 100083；3.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

摘要：表面温度监测是寻找自燃煤矸石山着火点位置并对其针对性治理的基础。本文创建了红外成像仪结合全站仪对自燃煤矸石山表面温度场外业数据采集方法，使用三角形内插原理对数据处理，完成了温度场的构建并且进行精度验证，证明了此方法可行性。运用Matlab的Griddata函数对温度场数据进行预处理。利用contour函数绘制等温线，分析出煤矸石山表面温度变化走向；利用surf函数将煤矸石山表面温度场四维显示。

关键词：红外成像仪；全站仪；三角形内插；煤矿石；自燃

煤矸石是目前排放量最大的工业固体废弃物之一，其堆存量已达45亿t，且存量在快速增长[1]。由于煤矸石山特殊的堆积形式及煤矸石的高含硫、含碳量，露天堆积的煤矸石山极易自燃，燃烧过程中会产生大量的有害气体如：二氧化硫，一氧化碳，二氧化碳等，并且产生大量的热甚者发生爆炸[2-4]。煤矸石山自燃影响着矿区周围人们的一系列的生活及生产活动，对生态环境也有着极大的危害[5-6]。研究表明，温度是煤矸石山安全的重要指标，也是预测自燃煤矸石山着火点位置及治理煤矸石山自燃的主要参数，对自燃煤矸石山温度场的准确计算和测量是治理煤矸石山自燃及预防其发生爆炸的重要前提[7-8]。传统地温计对自燃煤矸石山的接触式测量工作效率低且非常危险，带有温度信息的三维地形数据不能得到形象的展示。

本文利用红外成像仪非接触式测温技术结合全站仪的地形测绘功能实现了煤矸石山温度场高效大面积测量，并且在总结前人研究的基础上，对温度场进行插值，加密温度场数据，并利用Matlab中的contour函数绘制出等温线以及利用surf函数对温度场数据进行四维显示。

1温度场实验区概况

此次实验在山西省阳泉市境内阳泉煤矿三矿矿区，矿区煤矸石山仍在继续堆积，其煤矸石山的保有量仍然在不断的增长。实验区煤矸石山自燃状况比较稳定，能代表常态自燃煤矸石山温度状况。如图1所示，该煤矸石山堆积有序，呈梯田状，出现自燃的区域面积较大，矸石山的前方有较宽的平台摆放仪器。

图1　标志点和温度特征点

2温度场构建

2.1温度场外业数据采集内容及流程

2.1.1拍摄温度场红外图像及记录标识点

依据实际地形选取合适摄距，用红外成像仪对项目区煤矸石山表面进行正直拍摄，每个红外像幅内均匀布设至少4～6个标识点，拍摄时将测钎置于标识点上，标出标识点在红外像上的位置并且通过红外成像仪自带功能记录标识点在红外图像上的像素坐标(x，y)。如图1所示：A～F为记录的标识点。相邻红外像幅之间要有一定的重迭度，确保像幅间温度场数据无遗漏。

2.1.2全站仪测量温度场红外图像标识点坐标

煤矸石山温度场标识点测量是小范围地区的图根测量且只是探究局部温度场的规律，无须知道其大地坐标；建立自由坐标系，并依据煤矸石山周围地形和地貌布设一个覆盖测区范围的图根控制导线。将全站仪安置在布设导线的控制点上，测量每个幅红外图像的标识点的三维坐标信息(X，Y，Z)。

2.2内业处理完成温度场构建及精度验证

在红外图像上标识出温度特征点即红外图像某个区域内的温度最高点和最低点以及反映温度变化趋势的点，并读取其像素坐标(x，y)，如图1所示a～z为选取的温度特征点。

用外业时获取的标识点的三维坐标数据(X，Y，Z)、内业获取的温度特征点及标识点像素坐标(x，y)为起算数据，利用三角形内插的原理，计算特征点的三维坐标。如简图2所示A、D、E为外业时布控的控制点，g为温度特征点，他们的相对位置关系如图2所示。已知红外图像上的控制点(A，D，E)的三维坐标(X，Y，Z)，像素坐标(x，y)，温度特征点像素坐标(xg，yg)可以从红外图像上读取；根据三点确定一个平面的原理，由式(1)、式(2)可以计算出区域内g点的平面坐标信息(Xg，Yg)，由式(3)可以计算出g点的高程Zg，最终获得g点的空间坐标信息(Xg，Yg，Zg)[9]。利用红外成像仪自带的红外成像软件，校正红外图像的温度值[10]。通过g点的像素坐标(xg，yg)，可以利用红外成像仪自带软件提取温度特征点温度T.利用此方法进可以得到所有温度特征点的温度场数据(X，Y，Z，T)如表1所示，完成温度场的构建。

图2　插值三角形

(1)

(2)

(3)

表1　煤矸石山温度场数据

选取几个多余标识点做为检查点，检验此插值方法计算结果与全站仪测量值进行比较，如表2所示点位误差平均值是0.28m，可以满足煤矸石山治量以及着火点位置评估的要求。在实际中我们可以通过增加标识点，选取更加合理的摄距与拍摄角度，对计算结果进行平差等措施提高精度。

表2　精度验证表格

3温度场数据预处理

上一步所得自燃煤矸石山表面温度场数据是离散点数据，不能直接被Matlab绘制等温线或是四维显示，需要对其进行预处理。Matlab 中的 griddata 函数可以将位于同一空间坐标系下的三维散点插值为规则格网便于被Matlab的显示，此功能经常被用来生成规则格网来模拟三维地形[11-12]。先利用griddata函数将表1中 的(X，Y，Z)进行插值加密组成的规则格网；因为此次griddata插值与之前插值方法相同，加密插值后的精度没有变化。

温度具有可以插值的特性，利用griddata函数对将表1的(X，Y，Z，T)中的(X，Y，T)进行插值，插值方法及阈值与上段中插值(X，Y，Z)相同，将其插值加密成的规则格网[13]。插值的起算温度数据为反映出温度变化趋势的特征点，所以加密后的温度数据反映的依然是原温度场温度变化趋势。

对应同一组(X，Y)以及相同的插值规则与阈值，插值得到的高程和温度数据，也是一一对应的。通过两次三维插值就获得可以用matlab表示的(X，Y，Z，T)四维温度场数据。

4绘制不同平面等温线

利用Matlab中的contour函数可以将绘制出温度场数据在不平同坐标平面上的等温线如图3所示。由图3(a)图可以看出温度在沿X轴与Y轴角平线方向发生变化，在随X值不断增大温度值也在增大，沿Y轴方向温度降低但是变化不太明显。由图3(b)图可以看出温度随X的值的不断增大而升高，温度升高的速度非常快，且温度随Z的增加是降低的。由图3(c)图可以看出温度随Y和Z的增加不断降低，在Y轴末端有增加的趋势但是高温范围不大。

图3　不同平面等温线图

5煤矸石山温度场四维显示

利用matlab中surf函数，surf(X，Y，Z，T)指定一个着色曲面，颜色T由决定[14]。Matlab会对这些值进行一个线性的变换，以确保从系统内的colormap获得一个颜色值。利用surf(X，Y，Z，T)就可以将温度场进行四维显示，其中(X，Y，Z)表地形的起伏，根据T值的大小不一，赋上不同的颜色，将煤矸石山温度场四维显示，并在四维显示曲面上附画等温线，突出温度变化效果，如图4所示：矸石山温度场四维显示效果。

图5　煤矸场四维显示图

6结论

通过全站仪加红外成像仪的自燃煤矸石山温度场外业采集方式能够快速安全的获得温度场数据，并且利用两次插值方法能够加密温度场数据对温度场数据进行了预处理。利用matlab强大的绘图功能可以获取温度场等温线并将其四维显示，可以为分析煤矸石山表面温度变化趋势评估着火点位置提供参考。

参考文献

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[14]刘浩.MATLAB R2014a 完全自学一本通[M].北京：电子工业出版社，2014：605-607.

收稿日期：2015-10-10

中图分类号：TD76

文献标识码：A

文章编号：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