自燃煤矸石山表面溫度場紅外三維模型構建?

王海娟胡振琪王曉軍陳慧玲樊 杰

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院土地復墾與生態重建研究所,北京市海淀區,100083; 2.國家林業局北京林業機械研究所,北京市朝陽區,100029)

★節能與環保★

自燃煤矸石山表面溫度場紅外三維模型構建?

王海娟1胡振琪1王曉軍2陳慧玲1樊 杰1

(1.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院土地復墾與生態重建研究所,北京市海淀區,100083; 2.國家林業局北京林業機械研究所,北京市朝陽區,100029)

使用紅外熱像儀探測自燃煤矸石山表面溫度時,獲取的熱紅外影像缺乏與之對應的空間信息,難以進一步分析其溫度場信息,精確探測著火點,為解決該問題,利用近景攝影測量的方式獲得煤矸石山表面的空間信息,將其與煤矸石山表面溫度融合得到自燃煤矸石山的溫度場信息,并利用ArcGis軟件構建其紅外三維模型。通過實驗驗證了該方法具有可行性,并進行了誤差分析。研究結果表明,該方法得到的三維模型點位誤差在0.07 m范圍內,可以滿足實際煤矸石山表面著火點探測的需求。

自燃煤矸石山 近景攝影測量 熱紅外測量 溫度場 紅外三維模型

煤矸石山自燃會產生大量的有毒有害物質,不僅會破壞當地的生態環境,而且給當地居民的身體健康和生活環境帶來嚴重危害。自燃煤矸石山的治理與改善,將是改善礦區環境的重要部分,而構建自燃煤矸石山表面溫度場模型,有助于準確并迅速的尋找著火點,有針對性的進行滅火和治理。

構建自燃煤矸石山的表面溫度場模型,主要是將其表面的溫度信息與空間信息融合。通過熱紅外技術來實現溫度信息的探測,但是紅外熱像儀測溫效果受儀器自身條件限制較大,獲取的影像會存在不同程度的壓縮或拉伸變形,而這些幾何變形很難以簡單的數學關系式描述,從而造成影像信息與真實的空間信息無法對應。本文采用近景攝影測量的方法,獲得煤矸石山的空間信息,使其與溫度信息相互對應,從而構建煤矸石山的紅外三維模型。

1 原理

1.1 熱紅外影像幾何校正

利用紅外熱像儀所獲取的熱紅外影像均會發生形變,其原因為熱紅外影像是通過儀器接收的熱紅外輻射,在其內部發生有電磁波信號轉化為電信號,再由電信號轉化為數字圖像信號等一系列轉化,最終形成的可見光圖像。在該過程中,紅外熱像儀自動將被測量目標區域劃分成若干個微小的網格面,通過采集每一個微小網格面輻射的能量而獲取整個被測區域的熱紅外輻射的能量,即在熱紅外影像中每一個微小的網格面顯示為一個像素,最終形成熱紅外影像。因此被測物體的熱紅外影像的灰度值,實際上表示的是每個像素所對應的溫度值,而形成的溫度場并不包含空間位置的信息。

若已知每個微小的網格面所在像平面中的像素坐標,與該點所在的空間位置的空間坐標之間的對應關系,便能夠在像素坐標與空間坐標之間互相轉化,即可以完成溫度信息與空間信息的融合。但是獲取熱紅外影像時,每一個微小網格面形狀和大小是不規則的,而且觀測環境會對熱紅外輻射的傳播造成干擾,從而使得影像產生不同程度的幾何拉伸或壓縮變形,很難用簡單的數學初等函數將其相互轉化。

通過幾何校正的方式,測定測點的像素坐標和空間坐標,并在兩者間建立轉換關系,即影像中的每一個像素均存在與之對應的空間坐標,即將像素坐標(i,j)通過幾何校正函數變換轉化成空間坐標(x,y),公式可表達為:f(x,y)＝g(p(i,j))。然后在求得像平面上的其他像素點所對應的空間坐標,即將溫度信息與空間信息建立了聯系,如圖1所示。

圖1 熱紅外影像的幾何校正

1.2 近景攝影測量基本原理

近景攝影測量通常是指攝取距離在300 m的范圍內的目標影像,多基線近景攝影測量則是基于以計算機視覺匹配來代替人眼測定,采用短基線來獲取大重疊度序列影像的攝影測量方法。在實際的工程測量中,通過單反相機對測量目標進行攝影,并測量少量目標控制點的坐標,在lensphoto軟件中對影像進行操作,經過空三匹配、空三交互和光束法平差等處理得到測量目標的密集點云分布信息。在lensphoto軟件中通過對點云進行一系列編輯處理,或者導出點云至ArcGis軟件中進行處理,進而可以生成TIN、DEM等。lensphoto軟件內部坐標系統是右手坐標系,需根據實際情況將測量坐標系統轉化使其一致。lensphoto處理影像的工作流程如圖2所示。

圖2 lensphoto處理影像的工作流程

2 實驗驗證

2.1 工程布設

實驗場區位于北京市昌平區一座廢棄的煤矸石山,在矸石山表面放置燃香模擬煤矸石山自燃的標志點,同時設置近景攝影測量標志點。

2.1.1 熱紅外影像采集

實驗所用的紅外熱像儀型號為TH9100MV/ WV、非制冷焦平面。由于被測量的煤矸石山附近存在較多其他物體反射,從而對熱紅外儀獲取影像造成干擾,首先需要進行反射校正;同時為減小大氣和環境對溫度探測的影響,需輸入環境溫度、相對濕度、測量距離和目標發射率等進行校正,以補償因環境因素影響而帶來的測溫誤差。

由于模擬自燃點溫度較低,燃燒面積較小,當距離較遠時,自燃點在影像中識別困難,并且由于熱量擴散,大氣吸收等造成影像中顯示的溫度與實際溫度之間的誤差增大;當距離過近時,會導致單幅影像包含信息較少,拼接圖幅較多,誤差增大,工作量增加等問題,故選擇距離煤矸石山2 m處拍攝,采用弧形拍攝基站,拍攝煤矸石山頂部影像時,適當靠近山體,以保證拍攝位置與煤矸石山的被測位置距離相等,以降低影像形變。每兩張相鄰的影像之間至少要存在3個相同的點,便于影像拼接。熱紅外測量基站布設如圖3所示。

2.1.2 近景攝影測量操作

實施近景攝影工作之前,首先應根據目標物的特點及實際概況布設導線控制網,對煤矸石山進行直線拍攝,近景攝影測量基站布設如圖3所示。

圖3 測量基站布設圖

近景攝影測量影像拍攝基站設置5站,攝站間距為0.8 m,距離矸石山3 m處自左向右拍攝。保證每幅影像中矸石山所占圖幅面積達80%以上,天空或無用區域不占過多畫面,相機鏡頭盡量保持在同一水平面,以保證影像中矸石山所在位置相同。

然后將所拍攝煤矸石山照片導入Lensphoto軟件中進行處理,通過工程建立、參數導入、空三匹配、空三交互和光束法平差等操作,得到點云產品,即為煤矸石山表面的空間信息點云。

2.2 模型構建

2.2.1 影像拼接

在Mikro Spec4軟件中讀取煤矸石山的熱紅外影像,并將其溫度信息導出,在matlab中將溫度信息生成灰度圖,使其每一個像素的灰度等于該點溫度,即每一個像素的信息表示成p(i,j,t)并將其導入envi軟件中,利用image to map對其進行空間校正,得到像素的空間坐標f(x,y,t)。然后利用seamless mosaic將校正過得影像拼接成煤矸石山被測表面的完整的影像,如圖3所示。

2.2.2 點云處理

由于近景攝影測量生成的點云比較離散,分布無規律,且間距較大,故對其進行插值,使其分布均勻、密集,更加貼合山體實際表面空間信息。

圖4 拼接后的熱紅外灰度圖

實驗所選擇的插值方法是克里金插值法,是一種用于空間插值的地理統計方法,不僅考慮待插值點的位置與已有數據位置之間的相互關系,而且考慮變量存在的空間構形相關性,對于待插值點位置估計是一種線性、無偏和最小估計方差的估計。其不僅能夠得到插值結果,而且能夠預測插值誤差,這有利于評定插值的準確性,對點云進行克里金插值前后結果如圖5和圖6所示。

圖5 原始點云

圖6 克里金插值后點云

2.2.3 影像融合

在arcgis里將拼接好的紅外灰度圖進行校正,并矢量化,使其每一個像素都有一個坐標(x,y,t),并將插值后的點云生成面文件,將兩個面文件進行融合,并根據溫度對其調整顏色,得到每一個像素點對應的溫度場信息,可表示為四維坐標(x,y,z,t),見表1。

表1 融合影像信息表

2.2.4 三維顯示

在ArcScene將融合好的影像柵格化,加載到點云生成的TIN中,形成煤矸石山紅外影像的三維模型,如圖7所示,在該模型中溫度與空間位置相互對應。

圖7 煤矸石山熱紅外三維模型

3 模型精度

為了驗證該模型的精度,需選擇合適的驗證點,查看其模型結算值與實際測量值之間的誤差,見表2。由于近景攝影測量標志點只是用于lensphoto中生成點云,但點云中不存在該標志點,其坐標是插值后得到的,并且在熱紅外影像中易識別,且沒有參與匹配與拼接,故選其為驗證點,如圖8所示。

圖8 驗證點分布

通過表2可以看出,每個方向上的誤差值約為0.05 m,在Z方向上的誤差相對于X、Y方向上的較大,點位誤差約為0.06 m,不會超過0.07 m。其精度滿足探測煤矸石山表面空間信息需要。

實驗構建的自燃煤矸石山表面溫度場紅外三維模型,存在的誤差主要表現在以下兩個方面:

(1)熱紅外影像測量誤差。使用紅外熱像儀進行溫度測量時,會受到被測目標表面特性、大氣透射率、環境溫度和相對濕度等外界條件的影響,造成測溫誤差以及像素位置偏差。同時在影像形成過程中,由于鏡頭的光學變形、拍攝方式變換和被測表面不規則等多方面因素影響,會造成對熱紅外影像幾何變形,導致溫度標志點與其真實的坐標之間存在位置偏差。

(2)多基線近景攝影測量誤差。受控制點測量誤差等相關因素的影響,導致個別點位誤差較大,同時被攝影物體的大小、攝影機的分辨率及性能、拍攝方式及相片之間的相對幾何位置和所拍攝相片的數量等都會對其造成誤差。并且lensphoto軟件在空三匹配與空三交互處理過程由于人眼識別,全手工進行選點會存在誤差,在圖形拼接、點云插值以及影像融合過程中也會存在誤差。

表2 誤差分析表 m

4 結論

對于在利用紅外熱像儀監測自燃矸石山表面溫度場時,獲取的熱紅外影像中缺少與之對應的空間信息而難以進行空間分析的問題,提出了用近景攝影測量的方式獲得煤矸石山空間點云,在對熱紅外影像進行校正、配準和拼接等處理過程中,將點云信息進行克里金插值和面化等處理,將二者融合,進而構建了自燃煤矸石山表面溫度場紅外三維模型。該方法簡單可行,且點位誤差控制在0.07 m內,精度較高,可以滿足工程需要,在煤矸石山著火點定位和滅火方面具有一定的指導意義。

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Constructing infrared 3D model of spontaneouscoal gangue piles surface temperature field

Wang Haijuan1,Hu Zhenqi1,Wang Xiaojun2,Chen Huiling1,Fan Jie1
(1.Institute of Land Reclamation and Ecological Reconstruction,College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology,Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2.Beijing Forestry Machinery Research Instiute of the State Forestry Administration, Beijing,Chaoyang,Beijing 100029,China)

When using thermal infrared imagers to detect surface temperature of spontaneous coal gangue piles,the infrared images lack corresponding spatial information,it is difficult to analyze information of temperature filed and precisely plumb the kindling point.In order to solve the problem,the authors used close range photogrammetry method to get surface special information of coal gangue pile,and ArcGis software to construct infrared 3D model which were feasible in the experiment.The analysis results of errors showed:position errors of the 3D model were less 0.07 m,and it could meet the actual requirement of plumb the kindling pointin coal gangue piles.

spontaneous coal gangue,close range photogrammetry,infrared measurement, temperature field,infrared 3D model

TD99

A

王海娟(1989－),女,河北河間市人,碩士研究生,從事煤矸石山溫度場研究。

(責任編輯 孫英浩)

國家自然科學基金(41371502),林業公益性行業科研專項經費(201404224)