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    基于國產(chǎn)高分遙感影像的城鎮(zhèn)垃圾填埋場監(jiān)測管理研究

    2015-09-04 07:49:14
    中國建設(shè)信息化 2015年21期
    關(guān)鍵詞:填埋場覆膜分辨率

    1、引言

    在我國,衛(wèi)生填埋是城市垃圾處置的主要手段,垃圾填埋過程中會產(chǎn)生惡臭及有毒有害氣體,產(chǎn)生滲濾液、滋生蚊蠅等對周邊環(huán)境產(chǎn)生一定的影響,需要投入大量人力、物力來管理和監(jiān)測這些垃圾填埋場。遙感技術(shù)可為城鎮(zhèn)垃圾填埋場的監(jiān)測、管理提供數(shù)據(jù)支持?!案叻忠惶枴毙l(wèi)星是中國高分辨率對地觀測系統(tǒng)的首發(fā)星,于2013年4月26日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功,配置了兩臺2m分辨率全色/8m分辨率多光譜相機(jī),四臺16m分辨率多光譜相機(jī),具有高空間分辨率、多光譜與高時間分辨率的特征,在城鎮(zhèn)垃圾填埋場的監(jiān)測管理方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。本研究以蘇州市七子山垃圾填埋場為研究對象,探索利用高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行垃圾填埋場的識別及變化監(jiān)測技術(shù),為城鎮(zhèn)垃圾填埋設(shè)施的遙感研究提供技術(shù)支持。

    2、七子山垃圾填埋場簡介

    七子山生活垃圾填埋場位于蘇州市吳中區(qū)七子山北麓山坳,距最近居民點(diǎn)1.5公里,距市區(qū)13.5公里,占地面積60公頃,其中填埋庫庫區(qū)面積25公頃,總庫容為470萬立方。1992年6月正式施工,1993年5月底竣工,同年7月12日投入試運(yùn)行,二期擴(kuò)建工程于2010年10月項(xiàng)目開工建設(shè),2013年1月試生產(chǎn)。填埋場采用衛(wèi)生填埋方式,垃圾被卸在填埋區(qū)推鋪平、壓實(shí)之后在表面覆土填埋,填埋完成后會在表面再覆上一層黑色的防臭膜。

    3、數(shù)據(jù)搜集與預(yù)處理

    本研究搜集了2013年8月13日、2014年4月30日、2015年6月14日三個時相覆蓋研究區(qū)的高分一號衛(wèi)星影像數(shù)據(jù),采用了2m分辨率的全色波段數(shù)據(jù)和8m分辨率的多光譜數(shù)據(jù),具體參數(shù)見表1所示。

    對影像進(jìn)行了輻射校正、幾何精校正處理、影像融合及研究區(qū)裁切,其中融合環(huán)節(jié)為將2m分辨率全色波段數(shù)據(jù)與8m分辨率多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行影像融合,最終生成的數(shù)據(jù)集成多光譜高分辨率的特性,能夠更清楚了區(qū)分垃圾填埋場的邊界。數(shù)據(jù)見圖1(a-c),依次為2013年8月13日、2014年4月30日、2015年6月14日高分一號影像預(yù)處理結(jié)果,為標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成影像圖。

    4、研究方法

    4.1 SAVI指數(shù)

    垃圾填埋場的非作業(yè)區(qū)往往用黑色的防滲膜覆蓋,這種防滲膜的材質(zhì)具有獨(dú)特的光譜特征,容易與周邊的植被、裸露土壤區(qū)分,但是其光譜特征往往與建筑用地、道路、濕地光譜特征接近,不容易區(qū)分。本研究引入土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)SAVI對具有黑色防滲膜覆蓋的大型垃圾填埋場進(jìn)行目標(biāo)檢測。

    SAVI定義為:其中為近紅外波段反射率,為紅光波段的反射率,L取值0.5。

    SAVI與歸一化差異植被指數(shù)NDVI相比,增加了土壤調(diào)節(jié)系數(shù)L,用以解釋背景的光學(xué)特征變化,修正NDVI對土壤背景的敏感。最適合于研究低植被覆蓋區(qū),如城市建成區(qū),其探測植被覆蓋率的下限可低至15%,而歸一化差異植被指數(shù)NDVI僅30%。這使得建筑區(qū)、植被和水體3 種地類在SAVI 影像中會比在NDVI 影像中更容易區(qū)分。大型垃圾填埋場選址往往位于城市郊區(qū),距離建成區(qū)有一定的距離,運(yùn)行中的垃圾填埋場無植被覆蓋。

    表1 高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)參數(shù)

    圖1 不同時相高分遙感影像數(shù)據(jù)及垃圾填埋場識別結(jié)果

    4.2 目標(biāo)識別

    分別計算研究區(qū)遙感影像的SAVI值,為突出垃圾填埋場的特征,圖中較亮的區(qū)域?qū)?yīng)較低的SAVI值。根據(jù)研究區(qū)特征,設(shè)置SAVI最小閾值對計算結(jié)果進(jìn)行掩膜處理,即SAVI值大于閾值的部分為植被,可將植被信息從影像中過濾掉,本研究中對應(yīng)2013年、2014年、2015年遙感影像SAVI設(shè)置的閾值分別為0.2,0.08,-0.08,結(jié)果如圖1(d-f)所示,可以看出,垃圾填埋場在SAVI圖上的表現(xiàn)特征與建筑區(qū)、裸地差別較大,可進(jìn)一步設(shè)置閾值進(jìn)行區(qū)分。但是與水體比較接近,此時可借助先驗(yàn)知識,可通過人機(jī)交互的方式設(shè)置掩膜區(qū),去掉水域噪音的影響,得到垃圾填埋場的區(qū)域范圍,如圖1(g-i)所示。

    基于以上識別結(jié)果,可通過設(shè)置SAVI閾值的方式對圖像二值化處理,將填埋場范圍內(nèi)的覆膜區(qū)和裸露區(qū)區(qū)分開來,以2013年數(shù)據(jù)為例,設(shè)置閾值為-0.24,大于閾值的區(qū)域?yàn)楦材^(qū)(圖上表現(xiàn)為深灰色),小于閾值的區(qū)域?yàn)槁懵短盥駞^(qū)(圖上表現(xiàn)為白色),為如圖2所示。

    圖2 2013年8月13日高分一號衛(wèi)星數(shù)據(jù)及垃圾填埋場提取結(jié)果

    圖3 垃圾填埋場變化檢測結(jié)果

    對3個時相識別結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計,結(jié)果見表2,可以看到,不同時相得到的總面積不同,與項(xiàng)目介紹中描述的25公頃相較有一定的差別,產(chǎn)生誤差的主要原因包括影像幾何糾正誤差、閾值選取的主觀性、以及遙感影像的分辨率。為如表2所示。

    4.3 變化檢測

    垃圾填埋場的作業(yè)模式是分區(qū)塊填埋,識別覆膜區(qū)和裸露區(qū)的變化,一定程度上可反應(yīng)垃圾填埋場的填埋量的變化,此外,裸露區(qū)容易引起揚(yáng)塵,對裸露區(qū)覆膜區(qū)的識別,可反應(yīng)垃圾填埋場運(yùn)營管理的合理性。

    可基于分類后變化監(jiān)測的方法對填埋場的變化特征進(jìn)行提取,本研究通過計算圖像差值進(jìn)行變化檢測,七子山垃圾填埋場于2013年至2015年間未經(jīng)封場或者擴(kuò)建,因此填埋場變化主要為填埋區(qū)與覆膜區(qū)的變化。變化檢測結(jié)果見圖3所示,紅色表示由填埋區(qū)變?yōu)楦材^(qū),綠色表示由覆膜區(qū)變?yōu)樘盥駞^(qū)。從變化統(tǒng)計結(jié)果看,從2013年8月 到2014年4月,由填埋區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楦材^(qū)的面積為2.92公頃,由覆膜區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樘盥駞^(qū)的面積為5.46公頃,總體來看,填埋區(qū)范圍呈增加趨勢。2014年4月值2015年6月,由填埋區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楦材^(qū)的面積為4.43公頃,由覆膜區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樘盥駞^(qū)的面積為3.47公頃,填埋區(qū)的范圍有所下降。閾值選取的主觀性會導(dǎo)致覆膜區(qū)與填埋區(qū)的凈變化值與區(qū)域總面積變化值不一致。

    5、結(jié)論

    本研究基于高分一號遙感影像數(shù)據(jù)識別大型城鎮(zhèn)垃圾填埋場,并利用多時相的影像數(shù)據(jù)對七子山垃圾填埋進(jìn)行變化檢測分析,通過引入土壤調(diào)節(jié)植被指數(shù)SAVI,設(shè)置合理的閾值,可有效獲取城鎮(zhèn)垃圾填埋場的位置及邊界范圍信息,結(jié)果證明高分一號遙感影像數(shù)據(jù)基本能夠滿足對大型城鎮(zhèn)垃圾填埋場進(jìn)行遙感監(jiān)測的需求。

    表2 七子山垃圾填埋場識別結(jié)果統(tǒng)計表

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