红外成像技术在煤田火区勘探中的应用论文_卿上坤,

摘要：依据红外图片色彩的色阶与温度区间一一对应的原理，提取红外图片的色彩值还原每一像素的温度值，并从相机的原理出发，通过有限点的标定，使红外图片的每一像素映射至地表相应位置和对应面积，并据此计算地表辐射热散失功率。

关键词：红外成像；红外测温；图像投影；热散失功率

1 前言

红外成像仪在以前的工作应用中主要用于发现新的火区，寻找火区内的高温点，通过与实物图片对比划定火区的地表高温区。对于大面积测量地表温度，绘制地表温度等值线等其他更深入的应用则受到仪器配套软件和红外热像仪成像的方式的限制。

红外热图的图像格式通常是由经营红外热像仪的厂家或商家为仪器专门制订的，文件格式比较特殊，必须借助随机附带的图像处理软件才能被计算机查看或处理。随机销售的图像处理软件处理功能能够提供的图像信息非常有限，不具有二次开发的条件：例如目前较为常用的一款红外热像仪，它的配套软件仅仅能对图像进行区域最高、最低、平均温度自动分析，当涉及红外辐射温度场的分布以及各点温度变化的全部细节等诸如此类的量化分析时，仪器专用的图像处理软件则难以满足需要。同时，由于拍摄后的图片与实物分离，各像素点的温度值也无法对应至实地坐标，每个像素点所代表的面积也无法计算。本文以通过对红外图片和相机成像的原理、红外测温原理的研究，提出了一套解决方案。

2 红外图片上温度值的提取

本文研究的红外热像仪采用320×240点像素的焦平面阵列探测器，温度灵敏度优于0．1℃ 。该仪器在成像后，其数据可通过自带软件进行查看，显示方式为图片形式，显示时某一温度值范围温度值使用同一种颜色，不同的范围使用不同的颜色。具体显示的颜色由调色板来设定，根据分析该软件的调色板配置文件，将调色板通道设为255阶线性递增灰度色彩，并对应的递增温度值，使得在用软件将图片保存为bmp格式时能尽可能详尽的保存图像的温度信息（如图1）。由于每一色阶对应着一个温度区间，于是有如下公式：

其中：t为所求像素点温度值；b为所求像素点色彩值；为整张图片对应的温度最小值；为整张图片对应的温度最大值；为整张图片对应的色彩最小值；为整张图片对应的色彩最大值；通过该公式的转换，就将图片中的每一点温度数据都提取出来。

3 图片像素点的空间投影

相机成像原理就是凸透镜成像原理，但是综合其效果分析之后，在镜头前面至地表与小孔成像原理相似（如图3），O为相机位置，A、D为地表上两点，此两点可按照光沿直线传播这一原理投影到平面CF上，对应点为C、F，当知道镜头（O）所在坐标、各投影点在平面上的坐标（如C、F点）以及地形图数据时，通过计算过镜头出发过物平面上的射线与地形图的最近的交点，就可以求得该像素点所对应的实际区域的中心点坐标和区域的近视面积，其中O点的坐标和地形可以实测获得。根据相机的CCD镜头采样规律可知，各像素点按正方形排列，因此如果知道CF平面上不在同一直线上的三点且中心点被包围在所形成的三角形中的三点实际坐标就可以导出其任意他点的坐标。本文所用的方法是在进行拍摄时，进行三点标记，并记下相应的参数，在三点所形成的三角形内进行搜索的方法先确定中心点C的实际坐标，然后通过坐标系变换的方法可求出物平面上所有点的空间坐标，最后进行交点计算确定各像素点对应的实际坐标。

在这里搜索中心点的目标函数是

其中，a,b,c分别为三点的在CF面上的实际坐标与中心点C的距离与图片上对应点与中心点的距离之比，就是三点比值的差值平方和满足使的取得最小值的(x,y,z)就是所求的中心点坐标。

在计算交点时，按照计算地形图的方法，直线与地表的交点实际是与DTM三角网的交点，本文中采用的是三角生长法构建不规则三角网，然后由射线与每一个三角形相交，取其最近点作为实际观测点，并计算该像素所测量的面积。

4 地表的热辐射功率

　自然界一切温度高于绝对零度(-273.15℃)的物体，由于分子的热运动，都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波，其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合辐射定律。红外辐射原理— 辐射定律：

5 实际运用

图1、2、4、5为某一火区的实测资料，区内煤层厚度4.5米，煤层倾角70 ，该次红外成像仪拍摄到地表面积为20573，沿煤层走向长约有206米，宽约115米，包含煤层长约174米，红外拍摄最高温度为34.9，拍摄时环境温度为15，辐射热散失功率约为313kW，相当于每年燃烧560吨煤。

6 总结与讨论

本文主要解决了以下问题：

1、突破了红外配套软件不能获取整张图片的温度数据的限制，便于进行红外数据的更深层次的运用。

2、将红外测到的温度数据进行了实地投影，使得利用红外数据绘制火区温度等值线图，圈定地表高温区范围可以进行。

3、对用红外数据进行地表热散失做了简单讨论，为解决估算年燃烧损失量提供了一种思路。

不过文中使用的方法还存在如下缺陷，需要进一步研究解决：

1、红外成像仪测得的温度与实际温度值存在一定的差异，在计算中应当进行校正，本文没有涉及此问题。

2、只能估算通过热辐射散失的热量，无法估算通过热对流流走的热量。

参考文献:

1、武哓波，王世新，肖春生。Delaunay三角网的生成算法研究。测绘学报，1999:28(1)。

2、陈英，付冬梅，罗德贵。基于IMG红外图像的编码破解与格式转换。激光与红外，第36卷 第3期，2006年3月。

论文作者:卿上坤,

论文发表刊物:《城镇建设》2019年23期

论文发表时间:2020/1/9

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