一种煤层火烧隐患探测方法及系统

本发明涉及煤层火烧，特别是涉及一种煤层火烧隐患探测方法及系统。

背景技术：

1、煤层火烧(下统称为煤火)指在自然条件下或受人类活动影响，地下煤层或煤层露头与氧气接触后，从低温氧化自燃到剧烈燃烧后形成一定规模，并产生一系列环境、生态影响的煤层燃烧现象。煤火的持续燃烧不仅破坏了大量煤炭资源，同时伴随着大量有毒有害气体的排放以及矿区悬顶的形成，造成生态环境破坏，危机恶化人类生存条件。煤火灾害不同于其他类型的固体火灾，具有自燃、阴燃和复燃的特点，火源隐蔽、易复燃，防控难度极大。故对煤火隐患的探测技术的发展就显得尤为重要。

2、目前煤火隐患探测技术众多，主要包括遥感法、物探法和化探法，同时随着近年来无人机测量、无人机红外成像、奥维地图等新技术的应用，煤田火区详细探测技术也得到了进一步的丰富。

3、对于矿区煤火的探测技术中，遥感法是目前的主流技术方法之一。学者通过可见光和红外波段的遥感数据来反演地表温度，进而圈定地表温度异常范围对煤火隐患点进行判识。已有学者通过将获取预定区域的热红外遥感影像，并通过地表温度反演得到预定区域的地表温度信息，获取预定区域的sar影像，并通过insar时序分析得到预定区域的地表形变信息，根据预定区域的地表形变信息设计生成相应的带通滤波器，通过带通滤波器对地表温度信息进行空间滤波，以得到预定区域的疑似煤火分布位置。但单一的遥感技术很大程度上受卫星数据分辨率的影响，在整体煤火隐患的圈定准确性中仍有很大优化空间，对于小范围复杂地质情况下的矿区煤火隐患识别中表现欠佳。

4、通过将热红外相机装载到旋翼无人机云台上，使无人机按照设计的飞行航线完成矿区热红外影像的采集工作。其次，预处理后所采集的热红外影像，再次，经过实验室标准黑体标定热红外相机后将影像dn值转换为表观辐射亮度值；将全部热红外影像进行空三平差定向并镶嵌为热红外正射影像，基于大气传输方程和普朗克函数反演出矿区地表温度；最后，根据sobel边缘算子生成高梯度图并细化为骨架线，叠加高温区与高梯度线，将二者重合处的温度均值作为矿区火区分割阈值，以此阈值识别出矿区煤火区。但是无人机续航时间短，单次监测区域面积小，煤田火灾监测数据采集周期较长。借助反演算法采集的红外热图像精确度不高，与实际地表情况的吻合度较低。数据快速传输和处理是实现高效监测的关键环节，但现阶段数据传输速度慢，数据处理耗时长。

5、由于煤燃烧时，煤层上覆岩层中的菱矿及黄铁矿结合受到高温燃烧后，其中的铁质要素产生磁化反应后生成磁性矿体，并且烧变岩由降温后仍然具有有较强的热剩余磁化强度。利用这一明显的磁性特性，磁探法可以探测火区高温异常区域及其燃烧范围，能更为准确地识别煤层火烧隐患。磁探法需要昂贵的仪器和专业人员，测量周期较长。因此，磁探法可能不是一种快速和经济有效的火区检测方法。磁探法的探测深度通常受限，部分煤火隐患可能被忽略。

6、综上，不同探测技术在其适用范围内皆可取得一定成效，但亦存在不足与问题。例如遥感法具有大面积同步观测、时效性强、数据综合性高等特点，但高光谱热红外数据波段数偏少，空间分辨率偏低，大气反射对日间遥感数据影像大。特别是建筑物与煤田火区温度都较高，在热红外遥感影像中难以区分，从而导致探测精度较为欠缺。物探法等探测技术识别的准确度较高，但大多需要深入现场，危险性大的同时消耗了大量人力、物力，对煤火的识别效率总体偏低。而机载热红外探测煤火的成本又过高，这些原因极大限制了煤火隐患探测技术的发展。

技术实现思路

1、本发明实施例提供了一种煤层火烧隐患探测方法及系统，解决了现有探测技术均存在不同影响探测效率的问题。

2、本发明提供一种煤层火烧隐患探测方法，包括以下步骤：

3、获取目标区域的历史煤矿区矿产资源资料与高精度遥感影像，结合历史煤矿区矿产资源资料与高精度遥感影像，形成煤层火烧隐患数据库；

4、获取目标区域的不同时期的landsat8影像，对不同时期的landsat8影像的地表温度进行反演以及植被覆盖度进行计算，根据反演结果圈定温度异常区域，根据植被覆盖度得到植被生长变化的空间分布；

5、获取目标区域的不同时期的insar数据及alos数据，对不同时段的地表变形与塌陷进行识别，圈定目标区域内地表沉降塌陷区；

6、根据温度异常区域、地表沉降塌陷区与植被覆盖生长变化的空间分布结合煤层火烧隐患数据库，对目标区域进行识别，得到煤火范围区域；

7、基于无人机热红外和航空物探对煤火范围区域进行核查，得到火点的位置以及燃烧深度；

8、对煤火范围区域的地面塌陷和地裂缝进行识别，得到煤火重点地段；

9、结合煤火重点地段、火点的位置以及燃烧深度，得到煤火隐患区域。

10、优选的，结合历史煤矿区矿产资源资料与高精度遥感影像，形成煤层火烧隐患数据库，包括以下步骤：

11、基于历史煤矿区矿产资源资料，得到目标区域的多种分布情况；

12、基于高精度遥感影像，得到目标区域的多种分布特征；

13、基于多种分布情况与分布特征，形成煤层火烧隐患数据库；

14、多种所述分布情况包括目标区域的前矿权分布情况、房柱式开采分布情况、小煤窑分布情况和烧变岩分布情况；多种所述识别特征包括目标区域地裂缝特征、地面塌陷特征和植被特征。

15、优选的，通过辐射传输方程法对不同时期的landsat8影像的地表温度进行反演。

16、优选的，所述地表温度如下式所示：

17、

18、式中，ts为地表温度，k1、k2为常数，bi(ts)为地表温度为ts时的黑体辐射强度。

19、优选的，根据植被覆盖度得到植被生长变化的空间分布，包括以下步骤：

20、通过遥感波段反演的方法计算目标区域的ndvi值；

21、采用植被指数转换模型将ndvi转化为植被覆盖度；

22、将不同时期的landsat8影像的植被覆盖度作差，得到目标区域的植被生长变化的空间分布。

23、优选的，所述ndvi值如下式所示：

24、

25、式中，ndvi为归一化植被指数，nir、r分别为地物在近红外、红波段的反射率；

26、所述植被覆盖度如下式所示：

27、

28、f为植被覆盖度，ndvimin为裸地的ndvi值，ndvimax为完全植被覆盖地区的ndvi值。

29、优选的，基于无人机热红外对煤火范围区域进行核查，包括以下步骤：

30、通过无人机扫面获取煤火范围区域的热红外影像和正射影像；

31、通过热红外影像进行地表温度反演，确定温度异常区域以及火点所在的位置；

32、将热红外影像和正射影像进行对比，根据对比结果确认煤火范围区域的温度异常区域以及火点所在的位置。

33、优选的，所述热红外影像在获取时，还需获取对应的gps点位信息，进行图像镶嵌配准和图像几何校正。

34、优选的，所述航空物探为高精度磁法，对煤火范围区域的燃烧深度进行推测。

35、一种煤层火烧隐患探测系统，包括：

36、数据库构建模块，用于获取目标区域的历史煤矿区矿产资源资料与高精度遥感影像，结合历史煤矿区矿产资源资料与高精度遥感影像，形成煤层火烧隐患数据库；

37、landsat8影像计算模块，用于获取目标区域的不同时期的landsat8影像，对不同时期的landsat8影像的地表温度进行反演以及植被覆盖度进行计算，根据反演结果圈定温度异常区域，根据植被覆盖度得到植被生长变化的空间分布；

38、地表沉降塌陷区圈定模块，用于获取目标区域的不同时期的insar数据及alos数据，对不同时期的地表变形与塌陷进行识别，圈定目标区域内地表沉降塌陷区；

39、煤火范围区域识别模块，用于将温度异常区域、地表沉降塌陷区与植被覆盖生长变化的空间分布结合煤层火烧隐患数据库，对目标区域进行识别，得到煤火范围区域；

40、核查模块，用于基于无人机热红外和航空物探对煤火范围区域进行核查，得到火点的位置以及燃烧深度；

41、识别模块，用于对煤火范围区域的地面塌陷和地裂缝进行识别，得到煤火重点地段；

42、煤火隐患区域确定模块，用于结合煤火重点地段、火点的位置以及燃烧深度，得到煤火隐患区域。

43、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

44、本发明首先获取目标区域的历史煤矿区矿产资源资料和高分遥感影像，最大程度上降低分辨率对数据处理的影响，得到了煤层火烧隐患数据库。根据目标区域的不同landsat8影像，进而得到温度异常区域与植被覆盖的变化的空间分布，根据目标区域的不同时期的insar数据及alos数据，圈定目标区域内地表沉降塌陷区，与煤层火烧隐患数据库结合，得到了煤火范围区域，进一步对煤火隐患区域进行精确。基于室内更高精度的遥感技术手法对煤层火烧隐患的识别结果进行更具有针对性的无人机热红外与航空物探，充分发挥了后二者在室外实测的优势、提高了整体工作效率。最终得到了煤火隐患区域。