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

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)域為覆膜區(qū)（圖上表現(xiàn)為深灰色），小于閾值的區(qū)域為裸露填埋區(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