[发明专利]一种具有空间基准的矸石山表面温度场的快速构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种构建矸石山表面温度场的方法，尤其是可以对矸石山自燃、爆炸进行准确预警的一种具有空间基准的矸石山表面温度场的快速构建方法。

背景技术

煤矸石中含有少量的煤和黄铁矿，在一定的条件下矸石山会由于高温产生自燃甚至爆炸现象，利用红外测温技术监测矸石山表面温度场分布是目前进行矸石山灾害预警的主要方法，然而矸石山体积庞大，常用的红外热像仪在测量矸石山温度场时不能一次性成像，且其拍摄的温度图像不具有空间基准，导致即使利用红外热像仪获取了矸石山的高温异常情况，也不能精确地定位到矸石山的实际位置。

文章“矸石山温度场红外热像的空间信息挖掘”和专利（201110005044.X）“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”通过对矸石山进行区域划分，将每一个小区域看作是一个平面，利用多项式拟合建立该区域的坐标转换关系式，虽然能够给红外热像仪所测量的温度场赋予空间坐标，但是需要在矸石山上建立大量的标志点，既费力又计算繁琐，且全站仪测量空间点的坐标时需要测站点与目标点之间能够通视，而矸石山坡度一般又较大，使得现有方法的可操作性不强。

对矸石山表面温度进行多期监测，总结其变化规律，是实现矸石山灾害预警的必要条件。这也需要确保红外热像仪的多期监测结果处于同一坐标系统内，才能使得对矸石山表面温度场的监测有意义。因此，快速构建矸石山表面温度场的空间基准对矸石山自燃、爆炸预警和治理具有重要意义，也是十分迫切的。

发明内容

为了解决目前很难对矸石山进行准确灾害预警的问题，本发明提供一种具有空间基准的矸石山表面温度场的快速构建方法，该温度场的构建方法将多期温度场观测数据纳入统一的坐标框架内，为矸石山灾害预警与治理提供一种可操作性强的基础数据获取手段。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该矸石山表面温度场的快速构建方法包括以下步骤：

（1）控制点布设

布设控制点是为了将后续的矸石山表面温度场图像由像素坐标系转换到具有空间基准的测量坐标系，应遵循以下原则：a）全局性，能够控制整座矸石山，且分布均匀；b）局部性，能够反映矸石山的地貌变化特征；c）控制点数量大于后续解算二元高次多项式参数所需要的最少个数。

（2）控制点坐标测量

将基准站架设到矸石山附近的空旷区域，首先利用流动站测量一个矿区已知控制点坐标，以计算从WGS-84坐标系到矿区坐标系的三参数，然后依次采集矸石山所有控制点坐标。

（3）矸石山表面温度采集

首先在控制点上放置温度异常标志物，如冷/热水袋、铁块，确保能清楚地反映在红外热像仪采集的温度图像上，这样控制点就同时具有了空间坐标和图像像素坐标，为后续解算高次多项式拟合模型做准备；然后从正面对整座矸石山进行全方位拍摄，采集其表面温度图像，拍摄过程中要对所有温度图像编号，并记录各图像之间的邻接关系，相邻图像的边缘应具有一定的重叠度，为后续图像拼接做准备。

（4）温度图像整体拼接

利用数字图像拼接技术拼接所有温度图像，获得整座矸石山的温度图像。由于是从矸石山正面拍摄的，所以拼接后的图像为其平面展开图。

（5）坐标转换

矸石山表面温度图像以像素为单位将矸石山划分为若干小区域，且二者一一对应，因此只要建立了图像像素坐标系与矸石山空间坐标系的转换关系，就能将所有像素转换到空间坐标系下，且该点的温度即为它所对应的像素值。图像坐标系为二维平面坐标，GPS/RTK测量所获得的是具有空间基准的三维坐标，建立二者之间的转换关系模型：

其中为图像上任意像素的坐标，为与其对应的点的空间坐标。

本发明采用二元高次多项式对其进行拟合，表达式为：

因此，建立如下拟合模型：