周雁, 楊樂, 許文倩

(1. 西藏大學(xué)藏文信息技術(shù)研究中心，西藏 拉薩 850000；2. 西藏自治區(qū)高原生物研究所，西藏 拉薩 850000；3. 湖南第一師范大學(xué)，湖南 長沙 410205)

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基于表面采樣-圖像分割技術(shù)對西藏農(nóng)牧區(qū)垃圾組成的快速監(jiān)測

周雁1, 楊樂2*, 許文倩3

(1. 西藏大學(xué)藏文信息技術(shù)研究中心，西藏 拉薩 850000；2. 西藏自治區(qū)高原生物研究所，西藏 拉薩 850000；3. 湖南第一師范大學(xué)，湖南 長沙 410205)

針對西藏農(nóng)牧區(qū)地域廣闊、居民點分散的特點，提出一種基于表面采樣-圖像分割技術(shù)的快速監(jiān)測方法，即在采集照片后，利用AutoCAD軟件測算圖像中不同類別垃圾體所占的面積，將其作為垃圾體組成比例的二維指標(biāo)進行統(tǒng)計，研究垃圾的組成情況，并根據(jù)可降解性、材質(zhì)、來源用途三種分類方法進行分類，最后得到樣點垃圾組成的基本信息。

圖像分割；西藏；垃圾組成

隨著西藏經(jīng)濟建設(shè)的高速發(fā)展，人民群眾消費產(chǎn)品的種類和數(shù)量不斷上升，作為生產(chǎn)生活副產(chǎn)品的垃圾產(chǎn)生總量也保持持續(xù)增長態(tài)勢[1]。針對西藏農(nóng)牧區(qū)地域廣闊、居民點分散的特點，提出一種基于表面采樣-圖像分割技術(shù)的快速監(jiān)測方法，以此了解西藏縣級以下農(nóng)牧區(qū)垃圾的組成情況，提出可行的應(yīng)對措施確保青藏高原尤其是農(nóng)牧區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性、完整性[2]，應(yīng)對地理氣候變化的彈性和恢復(fù)力，推動農(nóng)牧區(qū)生態(tài)環(huán)境保護[3-6]。

1 數(shù)據(jù)來源及處理

1.1 數(shù)據(jù)來源

針對西藏農(nóng)牧區(qū)居民點分散的特點，選取了西藏農(nóng)牧區(qū)的59個鄉(xiāng)(鎮(zhèn))作為樣點，樣點涵括西藏7個地區(qū)(市)，30個縣。針對樣點尋找居民點周圍的垃圾集中點，采集能夠反映垃圾集中點實時狀況的平面圖像，并盡可能提升圖像的拍攝精度，以充分辨別被拍攝的垃圾體(每個樣點采集圖像至少5張)。完成采集后，從每個樣點采集的圖像中遴選大小適中、圖像區(qū)域不重疊的3～5張作為該樣點的圖像數(shù)據(jù)進行分析。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 AutoCAD圖像處理的對話流程

利用AutoCAD2007軟件對不規(guī)則圖形區(qū)域分割和像素點統(tǒng)計的功能[7-9]來計算不同垃圾體所占的面積。具體流程如下：

(1)建立坐標(biāo)系，在AutoCAD2007中將待處理的圖像作為光柵圖像參照插入，并設(shè)置像素總和；

(2)采用平面曲面建模命令把圖像劃分為7×7個網(wǎng)格，并標(biāo)注順序，避免遺漏，見圖1；

(3)選擇查詢面積命令，然后通過沿垃圾體邊界間隔點擊圈取的方法進行圖像分割。相鄰的材質(zhì)相同的垃圾可作為同一垃圾體圈?。?/p>

(4)點擊鼠標(biāo)右鍵或輸入命令結(jié)束圈取，軟件計算圈取區(qū)域的面積和周長。為方便起見，可調(diào)出AutoCAD的文本窗口查看和復(fù)制面積，見圖2。

圖1 在AutoCAD中插入圖像并劃分網(wǎng)格

圖2 在AutoCAD的文本窗口中讀取面積

1.2.2 圖像的畸變控制

采用nikon 50 mm定焦鏡頭并配合F1.8光圈，以減少圖形的畸變，考慮到圖像邊緣畸變可能相對較高，對面積計算產(chǎn)生一定的影響，在使用AutoCAD圖像進行圖形處理時，舍棄靠近邊界的微小垃圾體，把大垃圾體的圈取范圍對應(yīng)地往圖像內(nèi)部平移，避免畸變的影響。

1.2.3 比例尺的歸一化

針對圖片角度、深度不同帶來的比例尺的差異，將由像素點組成的絕對數(shù)量轉(zhuǎn)化為垃圾體相對于同一樣圖中垃圾體面積總和的相對比例來進行統(tǒng)計，使用Excel 2007軟件進行數(shù)據(jù)計算匯總。

1.3 數(shù)據(jù)的分類

依照3種分類標(biāo)準(zhǔn)對各垃圾體的面積數(shù)據(jù)進行處理，3種分類標(biāo)準(zhǔn)分別是：

1.3.1 垃圾的可降解性

可降解垃圾指可以自然分解的有機垃圾，包括紙張、木材、植物、食物、糞便、天然織物等，在微生物 (細(xì)菌、霉菌、藻類)作用下，發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)，引起外觀霉變到內(nèi)在質(zhì)量變化等各方面變化，最終形成二氧化碳和水等自然界常見形態(tài)的化合物。垃圾可降解程度高，將大大減少對環(huán)境的影響[10-11]。根據(jù)垃圾的可降解性將其分為可降解垃圾，非可降解垃圾和其他三類進行統(tǒng)計，其他類數(shù)據(jù)的產(chǎn)生主要是因為垃圾體顆粒過小在圖片中無法辨別或者垃圾體由可降解與非可降解的材料結(jié)合而成，且二者無法區(qū)分。

1.3.2 垃圾的材質(zhì)

根據(jù)圖片中垃圾體的主要類型選取塑料、金屬、有機、混凝、紙質(zhì)、玻璃陶瓷、復(fù)合等7種主要材質(zhì)計算其所占的比例，以期反映西藏農(nóng)牧區(qū)垃圾組成的特點。

1.3.3 垃圾的來源

垃圾來源追蹤有助于制定相關(guān)應(yīng)對措施。以各鄉(xiāng)鎮(zhèn)采集的圖片信息為依據(jù)，將垃圾依照其不同來源分為包裝、建筑、生活垃圾和其他4類。

2 結(jié)果及分析

2.1 垃圾的可降解性

考察垃圾構(gòu)成統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全區(qū)垃圾中，可降解垃圾占總量的35.51%，非可降解垃圾占總量的64.00%，其他占0.49%。

2.2 垃圾的材質(zhì)

按照垃圾構(gòu)成的材質(zhì)分類項統(tǒng)計表明，塑料垃圾是最多的一類垃圾，包括塑料袋、飲料瓶，塑料日用品等，占所有垃圾總量的39.74%；以包裝箱(盒)為主的紙質(zhì)垃圾排在第2位，占總量的18.36%；以廚余垃圾為主的有機垃圾占總量的13.77%；其后依次是復(fù)合材料垃圾(8.83%)、混凝垃圾(8.46%)、金屬(6.45%)、玻璃陶瓷(3.48%)、其他(0.91%)。

2.3 垃圾的來源

由垃圾構(gòu)成的來源計算，包裝垃圾和生活垃圾之和超過垃圾總量的90%，二者的比例相當(dāng)，分別達(dá)到46.24%和44.28%，建筑垃圾占垃圾總量的9.23%，其他占0.25%。

3 討論

3.1 垃圾組成的研究方法

目前研究垃圾的組成大多采用的是《城市生活垃圾采樣和分析方法》(CJ/T313-2009)(以下簡稱《城市生活垃圾》)，在選定的各采樣點進行多點、多次混合采集鮮垃圾樣品和堆肥樣品，用四分法取其中部分樣品用于實驗室分析[12-13]。此種方法較適用于采樣點分布相對集中的城市。西藏農(nóng)牧區(qū)地域遼闊，居民點分散，垃圾集中點也相應(yīng)零散且垃圾量有限，無法滿足《城市生活垃圾》標(biāo)準(zhǔn)對于采樣量的要求。針對此種情況，提出利用基于表面采樣-圖像分割技術(shù)的快速監(jiān)測方法來調(diào)查西藏農(nóng)牧區(qū)的垃圾組成情況。

3.2 西藏農(nóng)牧區(qū)垃圾組成的特殊性

文獻[14]統(tǒng)計了我國村鎮(zhèn)生活垃圾的組成，指出廚余/果皮(食品垃圾)及作物秸稈樹枝葉等構(gòu)成的易腐有機垃圾為最主要的組分(40%～50%)，這點和西藏垃圾組成的情況差異較大，其原因來自西藏農(nóng)牧區(qū)特殊的生活習(xí)慣：村民多養(yǎng)有牲畜，廚余垃圾大部分用于喂牲畜，較少作為垃圾傾倒，而牲畜的糞便又多回收曬干用做燃料，減少了易腐有機垃圾的產(chǎn)生。文獻[15]對西藏貢嘎、曲水和札囊三縣的調(diào)查表明，橡膠、灰土、廚余、玻璃和紙類是生活垃圾的主要組分，這一結(jié)果和雅魯藏布江中下游及拉薩河流域農(nóng)業(yè)相對發(fā)達(dá)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)的情況比較吻合，但深入到相對偏遠(yuǎn)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)，尤其是西藏北部和西部的牧區(qū)，橡膠、廚余垃圾的比例就迅速縮小，取而代之的是塑料和紙類。

3.3 潛在的污染風(fēng)險及應(yīng)對建議

垃圾存于地表處理不得當(dāng)，淋溶水分滲透到周圍的土壤和水體中可能造成污染[16]。西藏位于我國多條河流的上游，無形又增大了污染擴散的風(fēng)險；垃圾材質(zhì)中塑料和紙類比例較高，一旦疏于監(jiān)管，占39.74%的塑料垃圾將會給西藏農(nóng)牧區(qū)的生態(tài)景觀帶來巨大的沖擊，加上西藏傳統(tǒng)畜牧業(yè)以放養(yǎng)為主，塑料垃圾被牛羊誤食的案例也會日益增多；就垃圾來源而言，包裝垃圾的比例超過生活垃圾，固然有地處偏遠(yuǎn)回收成本過高、回收機制不健全等因素的影響，但無疑也受到了國內(nèi)普遍存在的過度包裝問題的影響。建議開展垃圾污染潛在風(fēng)險的專項調(diào)查，摸清現(xiàn)狀，加大生態(tài)環(huán)境保護的宣傳力度，開展形式多樣的環(huán)境教育，建立健全基層環(huán)保監(jiān)測機制，推動環(huán)境保護管理體系再上新臺階。

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(欄目編輯 顧進偉)

Rapid Detection of the Composition of Garbage in the Farming and Pastoral Areas in Tibet Based on Surface Sampling-Image Segmentation

ZHOU Yan1, YANG Le2*, XU Wen-qian3

(1.TibetanInformationTechnologyResearchCenter,TibetUniversity,Lhasa,Tibet850000,China; 2.TibetanPlateauInstituteofBiology,Lhasa,Tibet850001,China; 3.HunanFirstNormalUniversity,Changsha,Hunan410205,China)

Based on the vast area and sparse residential areas of Tibet, this paper presented a rapid detection approach to study the composition of garbage using surface sampling-image segmentation technique. We took pictures of the garbage and then used the software AutoCAD to calculate the areas occupied by different types of garbage. The data were analyzed as two dimensional index of the proportional statistics of garbage，which were used to study the composition of garbage, and classify the garbage by the degradability, material, origin and utilization. The basic information of the composition of garbage in the sampling site could be obtained at last.

Image segmentation; Tibet; Composition of garbage

2014-12-24；

2015-02-16

西藏自治區(qū)軟科學(xué)研究基金資助項目(201212-2)

周雁(1981—)，女，講師，碩士，主要從事計算機應(yīng)用領(lǐng)域研究。

*通訊作者：楊樂 E-mail：yangletibet@126.com。

X87；X799.3

B

1674-6732(2015)02-0035-03