CN102628712A - 一种具有空间基准的矸石山表面温度场的快速构建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有空间基准的矸石山表面温度场的快速构建方法，该温度场的快速构建方法包括控制点布设、控制点坐标测量、矸石山表面温度采集、温度图像整体拼接及坐标转换；该温度场的快速构建方法新颖实用，可靠性强，特别适用于矸石山表面温度的多期监测，为矸石山灾害预警与治理提供准确的温度分布数据。

Description

一种具有空间基准的矸石山表面温度场的快速构建方法
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：
Figure 741197DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 928596DEST_PATH_IMAGE002
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：
Figure 161311DEST_PATH_IMAGE004
因此，建立如下拟合模型：
其中
Figure 223125DEST_PATH_IMAGE006
分别为利用图像像素坐标拟合空间
Figure 588DEST_PATH_IMAGE007
坐标时 的最高次幂，同理，
Figure 702583DEST_PATH_IMAGE009
分别为拟合空间
Figure 497364DEST_PATH_IMAGE010
坐标时
Figure 191651DEST_PATH_IMAGE008
的最高次幂，
Figure 780895DEST_PATH_IMAGE011
分别为拟合空间 坐标时
Figure 159104DEST_PATH_IMAGE008
的最高次幂。将控制点的两套坐标分别代入模型中，利用最小二乘法解算拟合参数
Figure 645580DEST_PATH_IMAGE013
，再将所有像素点转换到空间坐标系内，转换后点的温度值即为原像素值。考虑到步骤4），将图像从中间分成两部分，分别建立像素坐标系与拟合模型进行坐标转换。
本发明的有益效果是，该矸石山表面温度场的快速构建方法通过布设少量兼顾全局性与局部性的控制点，就能实现矸石山温度场的空间基准构建，方法简便，可操作性强；通过对红外热像仪采集的温度图像先拼接后进行坐标转换，大大降低了温度场空间定位的难度，提高了整个过程的速度与效率；通过建立二元高次多项式拟合模型，可一次性的将图像坐标系下的像素点转换到空间坐标系下，快速建立整座矸石山表面温度场模型的空间基准；通过集成GPS/RTK技术和红外热像仪温度测量的优势，能够快速的获取具有空间基准的矸石山温度场，将多期监测数据纳入同一个的坐标框架内，从而挖掘矸石山温度场变化规律，提取高温异常信息，为矸石山自燃、爆炸预警与治理提供数据支撑。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明方法的技术流程图。
图2为利用GPS/RTK测量控制点空间坐标和利用红外热像仪拍摄矸石山表面温度场的示意图。
图3为典型锥形矸石山温度场整体拼接图的平面展开示意图。
图2中，1.流动站，2.基准站，3.红外热像仪，4.一次成像区域，5.矸石山。
具体实施方式
）控制点布设
布设控制点是为了将后续的矸石山5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5。
）局部性，能够反映矸石山5的地貌变化特征。
）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小个数。
考虑到锥形矸石山5的特点，可围绕矸石山5底部和顶部分别均匀布设二十个控制点，如图2中▲所示，顶部布设四个控制点，也可以根据地形适当增加控制点数量，保证有足够数量的控制点来解算二元高次多项式参数。布设完成后对控制点进行统一编号。
）控制点坐标测量
如图2所示，将GPS/RTK的基准站2架设到矸石山5附近的空旷区域，首先利用流动站1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5所有控制点的坐标。
）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3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，如图2所示，利用红外热像仪3从正面对整座矸石山5进行全方位拍摄，采集其表面温度图像，形成一次成像区域4，拍摄过程中要对所有温度图像编号，并记录各图像之间的相邻关系，相邻图像的边缘应具有一定的重叠度，重叠区域为一幅图像的20%-30%，为后续图像拼接做准备。
）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5的温度图像，图3为拼接后的整座矸石山5示意图。图2中标示■的A、B、C、D四个点在图3中的分别对应标示■的a、b、c、d点，有两个a和b表示展开扇形的边缘部分是重合的。图3中的▲为控制点在温度图像上的位置。
）坐标转换
矸石山5表面温度图像以像素为单位将矸石山5划分为若干小区域，且二者一一对应。考虑到步骤4），首先将拼接后的整座矸石山5温度图像分成两部分，下面对第一部分的坐标转换流程进行详细叙述，另一部分的转换方法相同。
）建立该部分图像的像素坐标系，将坐标系原点置于图像的右下方。
）其次，利用二元高次多项式建立该部分图像的像素坐标系与矸石山5空间坐标系的转换模型，公式如下：
Figure 671305DEST_PATH_IMAGE005
其中 为该部分图像上任意像素点的坐标，
Figure 74921DEST_PATH_IMAGE003
为与其对应的点的空间坐标。
Figure 415904DEST_PATH_IMAGE006
分别为利用图像像素坐标拟合空间
Figure 609600DEST_PATH_IMAGE007
坐标时
Figure 363930DEST_PATH_IMAGE008
的最高次幂，
Figure 38625DEST_PATH_IMAGE009
分别为拟合空间
Figure 562010DEST_PATH_IMAGE010
坐标时
Figure 867220DEST_PATH_IMAGE008
的最高次幂，
Figure 780950DEST_PATH_IMAGE011
分别为拟合空间
Figure 321652DEST_PATH_IMAGE012
坐标时 的最高次幂。
）根据地形的复杂情况的差异，各式的最高次幂也会有所不同，一般情况下三次幂就能达到足够的拟合精度，因此控制点的数量要大于十六个。将处于部分内的控制点的两套坐标代入模型中，利用最小二乘法解算拟合参数
Figure 237973DEST_PATH_IMAGE013
。
）将所有像素点转换到空间坐标系内，转换后点的温度值即为原像素值。
值得注意的是，两部分图像独立建立图像坐标系，而它们所要转换到的空间三维坐标系是同一个。

Claims (1)

1.一种具有空间基准的矸石山表面温度场的快速构建方法，其特征是：该温度场的快速构建方法包括控制点布设、控制点坐标测量、矸石山表面温度采集、温度图像整体拼接及坐标转换；控制点布设应遵循的原则为，全局性，能够控制整座矸石山（5）；局部性，能够反映矸石山（5）的地貌变化特征；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小个数；控制点坐标测量，将GPS/RTK的基准站（2）架设到矸石山（5）附近的空旷区域，首先利用流动站（1）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（5）所有控制点的坐标；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，确保能清楚地反映在红外热像仪（3）采集的温度图像上，利用红外热像仪（3）从正面对整座矸石山（5）进行全方位拍摄，采集其表面温度图像，形成一次成像区域（4），拍摄过程中要对所有温度图像编号，并记录各图像之间的相邻关系，相邻图像的边缘应具有一定的重叠度，重叠区域为一幅图像的20%-30%；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（5）的温度图像；坐标转换，a）建立该部分图像的像素坐标系，将坐标系原点置于图像的右下方；b）其次，利用二元高次多项式建立该部分图像的像素坐标系与矸石山（5）空间坐标系的转换模型，公式如下：
Figure 215281DEST_PATH_IMAGE001
其中
Figure 540083DEST_PATH_IMAGE002
为该部分图像上任意像素点的坐标，为与其对应的点的空间坐标，
Figure 738163DEST_PATH_IMAGE004
分别为利用图像像素坐标拟合空间
Figure 472901DEST_PATH_IMAGE005
坐标时的最高次幂，
Figure 192912DEST_PATH_IMAGE007
分别为拟合空间
Figure 141277DEST_PATH_IMAGE008
坐标时
Figure 109233DEST_PATH_IMAGE006
的最高次幂，
Figure 143048DEST_PATH_IMAGE009
分别为拟合空间
Figure 795264DEST_PATH_IMAGE010
坐标时
Figure 660452DEST_PATH_IMAGE006
的最高次幂；c）根据地形的复杂情况的差异，各式的最高次幂也会有所不同，一般情况下三次幂就能达到足够的拟合精度，因此控制点的数量要大于十六个；将处于部分内的控制点的两套坐标代入模型中，利用最小二乘法解算拟合参数
Figure 736993DEST_PATH_IMAGE011
；d）将所有像素点转换到空间坐标系内，转换后点的温度值即为原像素值。
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