基于表面采样-图像分割技术对西藏农牧区垃圾组成的快速监测

周雁, 杨乐, 许文倩

(1. 西藏大学藏文信息技术研究中心，西藏 拉萨 850000；2. 西藏自治区高原生物研究所，西藏 拉萨 850000；3. 湖南第一师范大学，湖南 长沙 410205)



基于表面采样-图像分割技术对西藏农牧区垃圾组成的快速监测

周雁1, 杨乐2*, 许文倩3

(1. 西藏大学藏文信息技术研究中心，西藏 拉萨 850000；2. 西藏自治区高原生物研究所，西藏 拉萨 850000；3. 湖南第一师范大学，湖南 长沙 410205)

针对西藏农牧区地域广阔、居民点分散的特点，提出一种基于表面采样-图像分割技术的快速监测方法，即在采集照片后，利用AutoCAD软件测算图像中不同类别垃圾体所占的面积，将其作为垃圾体组成比例的二维指标进行统计，研究垃圾的组成情况，并根据可降解性、材质、来源用途三种分类方法进行分类，最后得到样点垃圾组成的基本信息。

图像分割；西藏；垃圾组成

随着西藏经济建设的高速发展，人民群众消费产品的种类和数量不断上升，作为生产生活副产品的垃圾产生总量也保持持续增长态势[1]。针对西藏农牧区地域广阔、居民点分散的特点，提出一种基于表面采样-图像分割技术的快速监测方法，以此了解西藏县级以下农牧区垃圾的组成情况，提出可行的应对措施确保青藏高原尤其是农牧区生态系统的复杂性、完整性[2]，应对地理气候变化的弹性和恢复力，推动农牧区生态环境保护[3-6]。

1 数据来源及处理

1.1 数据来源

针对西藏农牧区居民点分散的特点，选取了西藏农牧区的59个乡(镇)作为样点，样点涵括西藏7个地区(市)，30个县。针对样点寻找居民点周围的垃圾集中点，采集能够反映垃圾集中点实时状况的平面图像，并尽可能提升图像的拍摄精度，以充分辨别被拍摄的垃圾体(每个样点采集图像至少5张)。完成采集后，从每个样点采集的图像中遴选大小适中、图像区域不重叠的3～5张作为该样点的图像数据进行分析。

1.2 数据处理方法

1.2.1 AutoCAD图像处理的对话流程

利用AutoCAD2007软件对不规则图形区域分割和像素点统计的功能[7-9]来计算不同垃圾体所占的面积。具体流程如下：

(1)建立坐标系，在AutoCAD2007中将待处理的图像作为光栅图像参照插入，并设置像素总和；

(2)采用平面曲面建模命令把图像划分为7×7个网格，并标注顺序，避免遗漏，见图1；

(3)选择查询面积命令，然后通过沿垃圾体边界间隔点击圈取的方法进行图像分割。相邻的材质相同的垃圾可作为同一垃圾体圈取；

(4)点击鼠标右键或输入命令结束圈取，软件计算圈取区域的面积和周长。为方便起见，可调出AutoCAD的文本窗口查看和复制面积，见图2。

图1 在AutoCAD中插入图像并划分网格

图2 在AutoCAD的文本窗口中读取面积

1.2.2 图像的畸变控制

采用nikon 50 mm定焦镜头并配合F1.8光圈，以减少图形的畸变，考虑到图像边缘畸变可能相对较高，对面积计算产生一定的影响，在使用AutoCAD图像进行图形处理时，舍弃靠近边界的微小垃圾体，把大垃圾体的圈取范围对应地往图像内部平移，避免畸变的影响。

1.2.3 比例尺的归一化

针对图片角度、深度不同带来的比例尺的差异，将由像素点组成的绝对数量转化为垃圾体相对于同一样图中垃圾体面积总和的相对比例来进行统计，使用Excel 2007软件进行数据计算汇总。

1.3 数据的分类

依照3种分类标准对各垃圾体的面积数据进行处理，3种分类标准分别是：

1.3.1 垃圾的可降解性

可降解垃圾指可以自然分解的有机垃圾，包括纸张、木材、植物、食物、粪便、天然织物等，在微生物 (细菌、霉菌、藻类)作用下，发生生物化学反应，引起外观霉变到内在质量变化等各方面变化，最终形成二氧化碳和水等自然界常见形态的化合物。垃圾可降解程度高，将大大减少对环境的影响[10-11]。根据垃圾的可降解性将其分为可降解垃圾，非可降解垃圾和其他三类进行统计，其他类数据的产生主要是因为垃圾体颗粒过小在图片中无法辨别或者垃圾体由可降解与非可降解的材料结合而成，且二者无法区分。

1.3.2 垃圾的材质

根据图片中垃圾体的主要类型选取塑料、金属、有机、混凝、纸质、玻璃陶瓷、复合等7种主要材质计算其所占的比例，以期反映西藏农牧区垃圾组成的特点。

1.3.3 垃圾的来源

垃圾来源追踪有助于制定相关应对措施。以各乡镇采集的图片信息为依据，将垃圾依照其不同来源分为包装、建筑、生活垃圾和其他4类。

2 结果及分析

2.1 垃圾的可降解性

考察垃圾构成统计数据，全区垃圾中，可降解垃圾占总量的35.51%，非可降解垃圾占总量的64.00%，其他占0.49%。

2.2 垃圾的材质

按照垃圾构成的材质分类项统计表明，塑料垃圾是最多的一类垃圾，包括塑料袋、饮料瓶，塑料日用品等，占所有垃圾总量的39.74%；以包装箱(盒)为主的纸质垃圾排在第2位，占总量的18.36%；以厨余垃圾为主的有机垃圾占总量的13.77%；其后依次是复合材料垃圾(8.83%)、混凝垃圾(8.46%)、金属(6.45%)、玻璃陶瓷(3.48%)、其他(0.91%)。

2.3 垃圾的来源

由垃圾构成的来源计算，包装垃圾和生活垃圾之和超过垃圾总量的90%，二者的比例相当，分别达到46.24%和44.28%，建筑垃圾占垃圾总量的9.23%，其他占0.25%。

3 讨论

3.1 垃圾组成的研究方法

目前研究垃圾的组成大多采用的是《城市生活垃圾采样和分析方法》(CJ/T313-2009)(以下简称《城市生活垃圾》)，在选定的各采样点进行多点、多次混合采集鲜垃圾样品和堆肥样品，用四分法取其中部分样品用于实验室分析[12-13]。此种方法较适用于采样点分布相对集中的城市。西藏农牧区地域辽阔，居民点分散，垃圾集中点也相应零散且垃圾量有限，无法满足《城市生活垃圾》标准对于采样量的要求。针对此种情况，提出利用基于表面采样-图像分割技术的快速监测方法来调查西藏农牧区的垃圾组成情况。

3.2 西藏农牧区垃圾组成的特殊性

文献[14]统计了我国村镇生活垃圾的组成，指出厨余/果皮(食品垃圾)及作物秸秆树枝叶等构成的易腐有机垃圾为最主要的组分(40%～50%)，这点和西藏垃圾组成的情况差异较大，其原因来自西藏农牧区特殊的生活习惯：村民多养有牲畜，厨余垃圾大部分用于喂牲畜，较少作为垃圾倾倒，而牲畜的粪便又多回收晒干用做燃料，减少了易腐有机垃圾的产生。文献[15]对西藏贡嘎、曲水和札囊三县的调查表明，橡胶、灰土、厨余、玻璃和纸类是生活垃圾的主要组分，这一结果和雅鲁藏布江中下游及拉萨河流域农业相对发达的乡镇的情况比较吻合，但深入到相对偏远的乡镇，尤其是西藏北部和西部的牧区，橡胶、厨余垃圾的比例就迅速缩小，取而代之的是塑料和纸类。

3.3 潜在的污染风险及应对建议

垃圾存于地表处理不得当，淋溶水分渗透到周围的土壤和水体中可能造成污染[16]。西藏位于我国多条河流的上游，无形又增大了污染扩散的风险；垃圾材质中塑料和纸类比例较高，一旦疏于监管，占39.74%的塑料垃圾将会给西藏农牧区的生态景观带来巨大的冲击，加上西藏传统畜牧业以放养为主，塑料垃圾被牛羊误食的案例也会日益增多；就垃圾来源而言，包装垃圾的比例超过生活垃圾，固然有地处偏远回收成本过高、回收机制不健全等因素的影响，但无疑也受到了国内普遍存在的过度包装问题的影响。建议开展垃圾污染潜在风险的专项调查，摸清现状，加大生态环境保护的宣传力度，开展形式多样的环境教育，建立健全基层环保监测机制，推动环境保护管理体系再上新台阶。

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[11] 陈其皎,陈强,廖德聪,等.城市可降解生活垃圾的生物综合处理模式初探[J].安全与环境学报,2004,4(6):11-13.

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[15] 韩智勇,旦增,孔垂雪.青藏高原农村固体废物处理现状与分析——以川藏5个村为例[J].农业环境科学学报, 2014,33(3):451-457.

[16] 张艳艳,张芯.生活垃圾与危险废物的焚烧工艺及污染防治措施比较[J].环境监控与预警，2011,3(2):51-53.

(栏目编辑 顾进伟)

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

西藏自治区软科学研究基金资助项目(201212-2)

周雁(1981—)，女，讲师，硕士，主要从事计算机应用领域研究。

*通讯作者：杨乐 E-mail：yangletibet@126.com。

X87；X799.3

B

1674-6732(2015)02-0035-03