专利名称：激光扫描仪和红外热像仪测量煤矸石山表面温度场方法
技术领域：
本发明属于非接触式测量和环境监测技术领域，特别涉及激光扫描仪和红外热像仪测量煤矸石山表面温度场方法。
背景技术：
自燃煤矸石山对环境的危害和存在的环境风险很大，因此，自燃煤矸石山的治理已经成为当前研究的热点。对自燃矸石山的治理关键是探明高温区和着火点，以便采取相应的灭火和阻燃应对措施，达到治理的目的。国内外对煤矸石山的研究表明燃烧的主要表征参数是温度，因此，利用温度探测确定着火点的位置是可行的，所以，煤矸石山表面和深部温度场的探测就成为自燃煤矸石山治理的基础和关键。
红外测温属于非接触测温的一种方法，通过对物体自身辐射的红外能量的测量来测定其表面温度，在生产加工、电力、医学、消防等方面都有广泛的应用，也极大促进了红外热像仪的发展；从红外热像仪的原理来看，用其测量煤矸石山表面温度信息是可行的，但是无法获取空间坐标信息，即无法确定各温度点的空间位置。煤矸石山表面温度场测量的难题在于I)煤矸石山地形的测量尤其是燃烧、陡峭等难以到达区域的空间信息的获取。2)煤矸石山危险区域温度信息全面快速的获取。3)空间坐标信息与温度信息的叠加。本申请人已提出了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(ZL201110005011. X)，于2012年7月4号授权，其中各温度点的空间位置采用全站仪获取，并需要测量所有标志点；2012年8月8日公开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(申请号CN201210120593. 6)中，采用GPS RTK技术采集控制点坐标，并需要在矸石山上布设能够控制整座矸石山并能够反映矸石山的地貌变化特征的控制点，其实施例中布设了二十个控制点。三维激光扫描仪采用非接触式高速激光测量的方法，以点云形式表现目标物体表面的几何特征。仪器自身发射激光束到旋转式镜头中心，镜头通过快速而有序地旋转将激光依次扫过被测区域，一旦接触到物体，光束立刻被反射回扫描仪，内部微电脑通过计算光束的飞行时间从而计算出激光光斑与扫描仪两者之间的距离。与此同时，仪器通过内置角度测量系统来量测每一激光束的水平角与竖直角，进而获得每一个扫描点在扫描仪所定义坐标系统内的空间坐标信息。优势是数据获取速度快、实时性强；数据获取全面，精度高；全天候作业。不受光线的影响，主动性强。目前已广泛应用于地形测绘、变形监测、文物保护等方面。
发明内容
本发明的目的是为解决煤矸石山地形的测量尤其是燃烧、陡峭等难以到达区域的空间信息与温度信息的快速获得，提出一种激光扫描仪和红外热像仪测量煤矸石山表面温度场方法，旨在将带有空间坐标信息的三维激光扫描数据和同一区域带有温度信息的热红外图像进行叠加，实现煤矸石表面任意点空间位置及温度的快速测量，为自燃煤矸石山的治理提供基础支撑。本发明激光扫描仪和红外热像仪测量煤矸石山表面温度场方法，其特征在于，包括以下步骤I)煤矸石山热红外拍摄区域划分和标志点布设对煤矸石山进行现场勘查，确定煤矸石山表面面积和地形特点，布设拍摄机位；根据红外热像仪的像素值、分辨率和拍摄机位与煤矸石山的距离，将煤矸石划分为若干个热红外拍摄区域，每个拍摄区域对应红外热像仪的一幅图像，由此计算出煤矸石山拍摄区域数和热红外成像的图像数，各图像边缘保证5 —10%的重叠率。在每个热红外拍摄区域布设4个标志点，且各标志点在相邻热红外拍摄区域所对应的图像重叠区域内，用于热红外图像的拼接；2)激光扫描仪扫描站布设根据煤矸石山表面地形特征及周边的地形地貌特点，结合激光扫描仪的扫描距离布设扫描站，划分煤砰石山扫描区域，使得各扫描区域间不留空隙；3)图根控制点布设在激光扫描仪扫描站附近布设一个图根控制点，采用全站仪与已知控制点联测获取图根控制点的空间坐标信息(xs，Ys，ζκ)；4)实地拍摄与测量用红外热像仪在拍摄机位对划分好的拍摄区域逐一拍摄热红外图像；在布设的扫描站上架设三维激光扫描仪获取煤矸石山表面数据；采用全站仪与图根控制点联测获取扫描站的空间坐标信息(xs，Yfi, Zfi)；5)激光扫描数据处理根据扫描站的空间坐标信息(X 3，Y i3，Z 3)将对应扫描站获取的扫描数据逐一进行坐标转换并进行拼接，得到煤矸石山的地形数据，即煤矸石山表面任意一点的空间坐标信息(xs，Yffi, Zffi)；6)热红外图像数据处理利用相邻热红外图像重叠区域内对应的标志点进行图像拼接；获得一幅包含整个煤矸石山任意一点温度信息(t)的热红外图像；通过煤矸石山的地形数据提取4-6个标志点的平面坐标信息(X^ Yfe);根据标志点的平面坐标信息对热红外图像进行坐标转换，获得一幅包含整个煤矸石山任意一点平面坐标信息(Xa，Ya)和温度信息(t)的热红外图像；7 )煤矸石山地形数据与热红外图像叠加通过平面坐标对应关系将处理后的煤矸石山地形数据与热红外图像进行叠加，即可得到煤矸石山的表面温度场数据；从该表面温度场数据可得到煤矸石山表面任意一点的温度信息⑴和空间坐标信息《@，￥@2^)。本发明主要具有以下技术优点I)野外工作量小。相对于米用全站仪和GPS RTK获取煤石干石山表面空间坐标信息来说，采用三维激光扫描仪不用在煤矸石山上布设控制点，实现了非接触式测量，减少了野外工作量；2)采用三维激光扫描仪技术可避免在燃烧、陡峭等难以到达区域布设控制点，提高了空间数据获取的安全性。
图I为本发明方法流程图。图2红外热像仪拍摄机位布设及煤矸石山表面拍摄区域的示意图。图3热红外图像标志点布设的示意图。图4三维激光扫描仪扫描站布设及煤矸石山扫描区域划分的示意图。
具体实施例方式本发明提出的一种激光扫描仪和红外热像仪测量煤矸石山表面温度场方法，结合附图及实施例详细说明如下本发明提出的一种激光扫描仪和红外热像仪测量煤矸石山表面温度场方法，如图I所示，包括以下步骤I)煤矸石山热红外拍摄区域划分和标志点布设对煤矸石山进行现场勘查，确定·煤矸石山表面面积和地形特点，布设拍摄机位；根据红外热像仪的像素值、分辨率和拍摄机位与煤矸石山的距离，将煤矸石划分为若干个热红外拍摄区域，每个拍摄区域对应红外热像仪的一幅图像，由此计算出煤矸石山拍摄区域数和热红外成像的图像数，各图像边缘保证5-10%的重叠率。在每个热红外拍摄区域布设4个标志点，且各标志点在相邻热红外拍摄区域所对应的图像重叠区域内，用于热红外图像的拼接；本实施例中采用DL-700C红外热像仪，分辨率I. 3mrad，像素320 X 240，如图2所示，根据煤矸石山21的特点，布设拍摄机位22，由分辨率X (拍摄机位22与煤矸石山21的距离)X像素，得到一幅红外热像仪图像23可以拍摄的区域大小，划分煤矸石山的热红外拍摄区域24。由于要求图像边缘有5-10%的重叠率，煤矸石山的热红外拍摄区域略小于红外热像仪图像实际拍摄区域5-10%。如图3所示，在图像23的重叠区域所对应的煤矸石山拍摄区域布设标志点31、32 ；2)激光扫描仪扫描站布设根据煤矸石山表面地形特征及周边的地形地貌特点，结合激光扫描仪的扫描距离布设扫描站，划分煤砰石山扫描区域，使得各扫描区域间不留空隙；如图4所示，根据煤矸石山21的地形特征和三维激光扫描仪的扫描距离形成的扫描范围，布设扫描站41,划分煤砰石山扫描区域42。3)图根控制点布设在激光扫描仪扫描站附近布设一个图根控制点，采用全站仪与已知控制点联测获取图根控制点的空间坐标信息(xs，Ys，ζκ)；4)实地拍摄与测量用红外热像仪在拍摄机位对划分好的拍摄区域逐一拍摄热红外图像；在布设的扫描站上架设三维激光扫描仪获取煤矸石山表面数据；采用全站仪与图根控制点联测获取扫描站的空间坐标信息(Xs，Ys，Zs);如图2所示，在拍摄机位21，用红外热像仪对划分好的拍摄区域23逐一拍摄。如图4所示，在扫描站41架设三维激光扫描仪，对扫描区域42进行扫描。采用全站仪与图根控制点联测获取扫描站41的空间坐标信
(X 扫，Y 扫，Z 扫)。5)激光扫描数据处理根据扫描站的空间坐标信息(Xs, Y扫’Z扫)将对应扫描站获取的扫描数据逐一进行坐标转换并进行拼接，得到煤矸石山的地形数据，即煤矸石山表面任意一点的空间坐标信息(XS，YS，Zs);如图4所示，利用扫描站41的空间坐标信息(Xf3，YS，ZS)可获取对应扫描站的扫描区域任意一点的空间坐标信息，拼接后即可获取煤矸石任意一点的空间坐标信息(Xg，Yg，Zm)；6)热红外图像数据处理利用相邻热红外图像重叠区域内对应的标志点进行图像拼接；获得一幅包含整个煤矸石山任意一点温度信息(t)的热红外图像；通过煤矸石山的地形数据提取4-6个标志点的平面坐标信息(X^ Yfe);根据标志点的平面坐标信息对热红外图像进行坐标转换，获得一幅包含整个煤矸石山任意一点平面坐标信息(Xa，Ya)和温度信息(t)的热红外图像；如图3所示，利用热红外相邻像幅23共用的标志点31，将相邻像幅逐一拼接；7)煤矸石山地形数据与热红外图像叠加通过平面坐标对应关系将处理后的煤矸石山地形数据与热红外图像进行叠加，即可得到煤矸石山的表面温度场数据；从该表面温 度场数据可得到煤矸石山表面任意一点的温度信息⑴和空间坐标信息《@，￥@2^)。
权利要求
1. 一种激光扫描仪和红外热像仪测量煤矸石山表面温度场方法，其特征在于，包括以下步骤 1)煤矸石山热红外拍摄区域划分和标志点布设对煤矸石山进行现场勘查，确定煤矸石山表面面积和地形特点，布设拍摄机位；根据红外热像仪的像素值、分辨率和拍摄机位与煤矸石山的距离，将煤矸石划分为若干个热红外拍摄区域，每个拍摄区域对应红外热像仪的一幅图像，由此计算出煤矸石山拍摄区域数和热红外成像的图像数，各图像边缘保证5—10%的重叠率。在每个热红外拍摄区域布设4个标志点，且各标志点在相邻热红外拍摄区域所对应的图像重叠区域内，用于热红外图像的拼接； 2)激光扫描仪扫描站布设根据煤矸石山表面地形特征及周边的地形地貌特点，结合激光扫描仪的扫描距离布设扫描站，划分煤矸石山扫描区域，使得各扫描区域间不留空隙； 3)图根控制点布设在激光扫描仪扫描站附近布设一个图根控制点，采用全站仪与已知控制点联测获取图根控制点的空间坐标信息(Xs，Ys，Ζκ)； 4)实地拍摄与测量用红外热像仪在拍摄机位对划分好的拍摄区域逐一拍摄热红外图像；在布设的扫描站上架设三维激光扫描仪获取煤矸石山表面数据；采用全站仪与图根控制点联测获取扫描站的空间坐标信息(Xs，Yfi, Zfi)； 5)激光扫描数据处理根据扫描站的空间坐标信息(Xi3，Y扫,Z扫)将对应扫描站获取的扫描数据逐一进行坐标转换并进行拼接，得到煤矸石山的地形数据，即煤矸石山表面任意一点的空间坐标信息(X；k，Yffi, Z煤)； 6)热红外图像数据处理利用相邻热红外图像重叠区域内对应的标志点进行图像拼接；获得一幅包含整个煤矸石山任意一点温度信息(t)的热红外图像；通过煤矸石山的地形数据提取4-6个标志点的平面坐标信息(XpYis);根据标志点的平面坐标信息对热红外图像进行坐标转换，获得一幅包含整个煤矸石山任意一点平面坐标信息(Xa，Ya)和温度信息(t)的热红外图像； .7 )煤矸石山地形数据与热红外图像叠加通过平面坐标对应关系将处理后的煤矸石山地形数据与热红外图像进行叠加，即可得到煤矸石山的表面温度场数据；从该表面温度场数据可得到煤矸石山表面任意一点的温度信息(t)和空间坐标信息《@，￥@2^)。
全文摘要
本发明涉及激光扫描仪和红外热像仪测量煤矸石山表面温度场方法，属于非接触式测量技术和环境监测技术领域，该方法包括将煤矸石划分为若干拍摄区域，每个拍摄区域对应红外热像仪的一幅图像，在每个拍摄区域布设4个标志点,要求标志点位于相邻图像重叠区域内；布设扫描基站，并建立1个图根控制点；用红外热像仪拍摄煤矸石山表面温度的热红外图像；用三维激光扫描仪获取煤矸石山地形数据，用全站仪获取图根控制点和扫描站空间坐标信息。通过对获取的图像和数据进行拼接、坐标转换、叠加，得到煤矸石山的表面温度场数据；从该表面温度场数据获得煤矸石山表面任意一点的温度信息和空间坐标信息。
文档编号G01J5/00GK102878983SQ201210430059
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者胡振琪, 赵艳玲, 宋辉 申请人:中国矿业大学(北京)