ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 6, с. 22-28
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
УДК 528.88; 528.854
АВТОМАТИЧЕСКАЯ ИДЕНТИФИКАЦИЯ СВАЛОК ПО РАЗНОСПЕКТРАЛЬНЫМ АЭРОКОСМИЧЕСКИМ ДАННЫМ
© 2007 г. О. В. Бровкина
Научно-исследовательский центр 4-го Центрального научно-исследовательского института Минобороны РФ/Научно-исследовательский центр экологический безопасности РАН,
Санкт-Петербург Тел.: (812) 235-83-79; e-mail: olgabrovkina@mail.ru Поступила в редакцию 15.04.2007 г.
Описана возможность решения задачи идентификации несанкционированных свалок на основе раз-носпектральных аэрокосмических данных. По результатам наземных экспериментов и космическим изображениям полигона твердых коммунальных отходов (ТКО) изучены яркостные характеристики свалок. Применены методы автоматической классификации аэрокосмических данных для идентификации участков разновременного складирования мусора на полигоне твердых коммунальных отходов и несанкционированных свалок.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из острых проблем в Ленинградской области на сегодняшний день является проблема распространения несанкционированных свалок на территории региона. На них попадают специфические материалы: грунт из выемок, строительный мусор (обломки), коммунальные отходы, отходы особого характера. Наиболее распространены несанкционированные смешанные свалки (коммунальный мусор в сочетании с вредными веществами) и складирование строительного мусора. Пищевые отходы привлекают птиц, грызунов, животных, трупы которых являются источником болезнетворных микроорганизмов. Коммунальные отходы при хранении на свалках оказывают вредное воздействие на окружающую среду, образуя фосфорорганические соединения и диоксиды, генерируя взрыво- и пожароопасные газы и другое. Задача обнаружения несанкционированного складирования коммунальных и строительных отходов органами надзора и контроля решается неэффективно, с большими временными и экономическими затратами. Поэтому идентификация несанкционированных свалок по данным аэросъемки и космическим изображениям высокого разрешения является весьма актуальной.
ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
И АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ
Задача идентификации несанкционированных свалок решалась в два этапа:
- изучение яркостных характеристик изображений свалок;
- применение методов автоматической классификации аэрокосмических данных для идентифи-
кации участков разновременного складирования мусора полигона твердых коммунальных отходов (ТкО) и несанкционированных свалок.
Яркостные характеристики изображений объектов наблюдения
Свалки и материалы, их составляющие, отражают, поглощают и излучают электромагнитные волны и, таким образом, обеспечивают возможность обнаружения и получения информации о состоянии этих объектов дистанционными методами.
При изучении земной поверхности дистанционными методами носителем информации об объектах зондирования служит их электромагнитное излучение - собственное или отраженное. При этом излучение может иметь естественное и искусственное происхождение. К первому случаю относятся собственное (тепловое) излучение объектов и отраженное, или рассеянное, излучение, вызванное освещением земной поверхности Солнцем. Искусственное отраженное излучение создается при облучении местности электромагнитным сигналом, посылаемым с борта носителя (летательного аппарата), на котором установлено регистрирующее устройство [1]. В описываемых ниже исследованиях имеет место электромагнитное излучение объектов естественного происхождения.
Изучение отражательной способности свалок и полигонов твердых коммунальных отходов выполнялось путем измерения интенсивностей электромагнитных сигналов изображений исследуемых объектов и фонов, полученных дистанционными методами в оптическом спектральном диапазоне.
По многоспектральному космическому снимку ЕТМ ИСЗ Landsat-7 с линейным разрешением
Контраст, ед. 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0
0.49 0.56 0.65
0.82 1.64 2.20 Длина волны, мкм
Лес
Грунтовая дорога
Площадка песка
Болото
Рис. 1. Кривые контрастов объекта (свалки) с фоном (грунтовая дорога, лес, болото, площадка песка), измеренные по
космическим снимкам.
на местности 15 м были измерены интенсивности электромагнитных сигналов исследуемой несанкционированной свалки твердых коммунальных и строительных отходов и объектов окружающего фона (лес, грунтовая дорога, площадка песка, болото) в каждом спектральном канале. Для измерений выбирались одни и те же участки изображений объектов размером 10 пикселов в каждом спектральном канале. По полученным значениям интенсивностей электромагнитных сигналов с учетом метеорологических условий были определены коэффициенты яркостей рассматриваемых объектов и рассчитаны контрасты. Возможность различить два объекта по величине их излучения определяется отличием значений их яркостей в направлении визирования [2]. В спектральной области это свойство характеризуется величиной так называемого яркостного контраста, задаваемого как отношение разности (энергетических) яркостей объекта и фона к (энергетической) яркости фона
м = -Цр^.
^ф
Кривые контрастов объектов приведены на рис. 1.
Из графиков рис. 1 видно, что свалки отчетливо идентифицируются на окружающем фоне леса и болота. Наименьший яркостный контраст имеют свалки с песчаными (грунтовыми) объектами.
Спектральные свойства свалок были изучены методом наземных спектрофотометрических и радиационных измерений. С помощью полевого многоканального фотометра (ПМКФ) измерялись интервальные значения коэффициентов яркости на участках спектра, определяемых характеристиками фильтра и спектральной чувствительностью приемника. Основные технические характеристики прибора приведены в таблице. Реализуемые в ПМКФ спектральные каналы согласуются с таковыми, применяемыми в отече-
ственной и зарубежной многоспектральной авиационной и космической аппаратуре. Набор этих каналов позволяет отслеживать и распознавать изменения отражательных свойств объектов.
Измерения спектральных свойств отходов проводились при одинаковых метеоусловиях на различных участках полигона твердых коммунальных отходов: рабочая карта полигона, участок укатанных отходов, участок подготовленных к рекультивации отходов, укатанных с грунтом, участок рекультивированных отходов. Также измерялась отражательная способность разных по морфологическому составу отходов (строительный мусор, твердые коммунальные отходы) и объектов окружающего фона (торфяная почва, бетонное покрытие, песок, растительность). По результатам наземных измерений 2005 и 2006 гг. были построены кривые интервальной яркости (КИЯ) отходов на разных участках полигона и объектов окружающего фона (см. рис. 2).
Из графиков рис. 2 видно, что свежие отходы имеют большие значения КИЯ, чем отходы, хранящиеся на свалке в течение года. Оптические характеристики свежих отходов зависят от грануло-
Основные технические характеристики полевого многоканального фотометра
Спектральные диапазоны, мкм Угловое поле зрения прибора, град. Частота измерений, Гц Пределы допустимого значения относительной, приведенной к единице, погрешности при измерении КИЯ, %
1. 0.30-0.40 2. 0.40-0.50 3. 0.52-0.60 4. 0.62-0.70 5. 0.76-0.90 6. 0.90-1.10 7. 1.55-1.75 12 10 1
КИЯ 0.30
0
0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.20 0.15 0.10 0.05 0
345 460 520 640 780 1050 1600
- отходы на рабочей карте
■ слой отходов, укатанный без грунта
■ слой отходов, укатанный с грунтом
- отходы на рабочей карте
■ торфяная почва на отходах
- торфяная почва
■ желтая трава на участке, закрытом 1 год назад (09.2004)
" растительность на участке, закрытом в 1995 г.
■ бетонное покрытие
отходы на рабочей карте
■ слой отходов, укатанный без грунта слой отходов, укатанный с грунтом растительность на участке, закрытом в 1995 г. бетонное покрытие
■ участок укатанных отходов, закрытый 1 год назад
■ почва на отходах
почва, грунт
345 460 520 640 780 1050 Длина волны, нм
Рис. 2. Анализ спектрально-яркостных характеристик отходов: а - 2005 г.; б - 2006 г.
метрического состава поверхности участка свалки: КИЯ отходов возрастает с уменьшением размера частиц. Гранулометрический состав участков свалки укатанных и не укатанных отходов различен. Наибольшие значения КИЯ соответствуют укатанным свежим отходам. Сравнивая кривые КИЯ почвы и почвы (грунта) на отходах, видно, что отходы увеличивают КИЯ почвы.
На основе проведенных измерений были сделаны следующие выводы:
- чем больше степень измельчения отходов, тем больше значения КИЯ;
- с ростом степени увлажнения отходов, отражающие свойства уменьшаются;
КИЯ загрязненной почвы возрастают с увеличением доли отходов.
Автоматическая классификация аэрокосмических данных
Идентификация участков разновременного складирования мусора полигона ТКО. Результаты проведенных наземных измерений были использованы для идентификации участков полигона твердых коммунальных отходов по многоспек-
тральному космическому снимку с ИСЗ Landsat-7 (ЕТМ), полученному 25 апреля 2000 г. Использовались спектральные каналы: Ь1 - 450-515 нм -голубой, Ь2 - 525-605 нм - зеленый, Ь3 - 630690 нм - красный, Ь4 - 775-900 нм - ближний инфракрасный (БИК), Ь5 - 1550-1750 нм - коротковолновый ИК, Ь7 - правый край БИК. Пример изображения полигона ТКО, полученного Landsat-7 в канале Ь3, приведен на рис. 3.
Для анализа космических изображений полигона были выбраны следующие участки, представляющие наибольший научный интерес:
- свежие отходы на рабочей карте;
- участок начала рекультивации (отходы, укатанные с грунтом);
- участок отходов, рекультивированный 1 год назад;
- участок, закрытый для приема отходов несколько лет назад;
- растительность вокруг свалки.
Идентификация участков полигона ТКО проводилась по результатам автоматической классификации - разделения без предварительного обучения с помощью учителя или обучающей выборки. По изображению свалки рисовалась маска,
Рис. 3. Изображение (с окружающим фоном и отдельно - на увеличенном фрагменте) полигона ТКО Landsat-7 ( канал Ь3).
Метод нечетких множеств, метрика Евклида, число классов - 6
ISODATA, метрика Евкли
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.