吳永軍，王永峰，肖康，王曉華，王燕午

(天津市測(cè)繪院有限公司，天津 300381)

1 引 言

改善農(nóng)村人居環(huán)境，建設(shè)美麗宜居鄉(xiāng)村，是實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的重要任務(wù)之一，是推進(jìn)鄉(xiāng)村振興的第一場(chǎng)硬仗。經(jīng)過(guò)人居環(huán)境整治三年專項(xiàng)行動(dòng)的開(kāi)展，天津市農(nóng)村人居環(huán)境明顯得到改善，尤其是村莊主干道路、里巷道路較整潔干凈。但是農(nóng)村人居環(huán)境整治工作還任重道遠(yuǎn)，在今年的中央一號(hào)文件《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見(jiàn)》中指出“實(shí)施農(nóng)村人居環(huán)境整治提升五年行動(dòng)，深入推進(jìn)村莊清潔和綠化行動(dòng)[1]”，在《天津市推進(jìn)農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化“十四五”規(guī)劃》中也將“實(shí)施農(nóng)村全域清潔化工程，大力建設(shè)‘三美四鄉(xiāng)’”[2]作為“十四五”的工作內(nèi)容。

另外，目前全國(guó)大多數(shù)城市還普遍依靠傳統(tǒng)人力巡查的方式開(kāi)展人居環(huán)境整治工作，存在農(nóng)村全域清潔化全覆蓋檢查工作量大，涉及面廣，不能做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)整改問(wèn)題；存在可持續(xù)的長(zhǎng)效管護(hù)機(jī)制不完善問(wèn)題；農(nóng)村污染多以面積形式分布，具有分散性、隱蔽性、隨機(jī)性、不易監(jiān)測(cè)、難以量化等特征，同時(shí)又與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)民的日常生活方式緊密結(jié)合[3]。為解決農(nóng)村人居環(huán)境整治中的死角和盲區(qū)的問(wèn)題、實(shí)現(xiàn)對(duì)整治工作取得的成果進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和監(jiān)督[4]，本文以天津市9個(gè)村作為試點(diǎn)，開(kāi)展一種利用測(cè)繪地理信息部門(mén)的遙感影像資源結(jié)合人工智能算法進(jìn)行垃圾目標(biāo)識(shí)別的探索研究，該能夠大力提高農(nóng)村全域清潔化工作中的巡查效率，以數(shù)字化、信息化手段賦能人居環(huán)境整治，助力鄉(xiāng)村振興。

2 研究思路

按照小切口試點(diǎn)、小范圍嘗試，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，形成可復(fù)制、可推廣模式的原則，選取具有代表性的區(qū)域作為試點(diǎn)，以天津市每年5月～6月份航拍的 0.2 m分辨率的DOM正射影像為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，通過(guò)人工選取一定數(shù)量的垃圾圖像作為樣本庫(kù)，基于深度學(xué)習(xí)遙感目標(biāo)檢測(cè)算法RSADet自動(dòng)識(shí)別出疑似垃圾目標(biāo)后，經(jīng)過(guò)外業(yè)核實(shí)取證確定垃圾目標(biāo)識(shí)別的正確率，論證整個(gè)方案的可行性。整個(gè)方案的流程如圖1所示。

圖1 基于0.2 mDOM進(jìn)行垃圾目標(biāo)識(shí)別的研究流程

3 試點(diǎn)區(qū)域介紹

為充分體現(xiàn)試點(diǎn)的覆蓋面，選擇天津市兩個(gè)區(qū)各兩個(gè)相鄰鎮(zhèn)的相鄰村作為試點(diǎn)區(qū)域，選取靜海區(qū)某個(gè)鎮(zhèn)A的3個(gè)村和其相鄰鎮(zhèn)B的2個(gè)村，武清區(qū)某個(gè)鎮(zhèn)C的2個(gè)村和相鄰鎮(zhèn)D的2個(gè)村共9個(gè)村開(kāi)展試點(diǎn)工作，面積約 31.5 km2。

表1 試點(diǎn)村面積統(tǒng)計(jì)(單位/km2)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 整體情況

試點(diǎn)區(qū)域利用0.2 m DOM進(jìn)行機(jī)器識(shí)別共發(fā)現(xiàn)疑似垃圾問(wèn)題點(diǎn)位363處，按照人工+無(wú)人機(jī)的方式進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)后，落于院內(nèi)有276處，院外識(shí)別正確的71處，識(shí)別錯(cuò)誤的有16處，識(shí)別正確率為81.61%。在現(xiàn)場(chǎng)巡查過(guò)程中，共新增機(jī)器未識(shí)別或新出現(xiàn)的院外垃圾問(wèn)題點(diǎn)位291處，試點(diǎn)區(qū)域合計(jì)有垃圾問(wèn)題362處。各試點(diǎn)村現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)情況如表2所示。

表2 垃圾目標(biāo)識(shí)別結(jié)果外業(yè)核實(shí)情況匯總

4.2 無(wú)人機(jī)使用情況

現(xiàn)場(chǎng)巡查人員通過(guò)人工+無(wú)人機(jī)的方式對(duì)疑似問(wèn)題點(diǎn)位進(jìn)行核實(shí)，在人員無(wú)法到達(dá)的地方借助無(wú)人機(jī)進(jìn)行航拍取證。在無(wú)人機(jī)飛往指定點(diǎn)位核實(shí)的路線上，如果發(fā)現(xiàn)有新的垃圾問(wèn)題，則作為新增點(diǎn)位進(jìn)行上報(bào)。

9個(gè)試點(diǎn)村現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)中無(wú)人機(jī)共起落17架次，核實(shí)疑似垃圾問(wèn)題點(diǎn)位31處，約占所有點(diǎn)位的10.3%。通過(guò)無(wú)人機(jī)發(fā)現(xiàn)的垃圾問(wèn)題點(diǎn)位有14處，約占所有新增垃圾問(wèn)題點(diǎn)位的4.9%。各試點(diǎn)村無(wú)人機(jī)投入、核實(shí)情況如表3所示。

表3 無(wú)人機(jī)使用情況

4.3 垃圾問(wèn)題分級(jí)分類統(tǒng)計(jì)

對(duì)試點(diǎn)區(qū)域的垃圾問(wèn)題按照類型進(jìn)行粗略分類，建筑垃圾約有212處、生活垃圾約有65處、柴草樹(shù)枝秸稈等約有27處、畜禽糞便有5處，其他為多種類型垃圾混合約有53處。

根據(jù)垃圾覆蓋地面區(qū)域、對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害程度、對(duì)周邊居民生活環(huán)境的影響程度分成A、B、C三個(gè)等級(jí)。A級(jí)表示垃圾覆蓋區(qū)域廣(面積>100 m2)、對(duì)生態(tài)環(huán)境危害嚴(yán)重(垃圾落于永久基本農(nóng)田、永久生態(tài)保護(hù)區(qū)域)、對(duì)居民生活環(huán)境影響嚴(yán)重(距離居民區(qū) 20 m以內(nèi))；B級(jí)表示垃圾覆蓋區(qū)域較大(20 m2<面積<100 m2)、對(duì)生態(tài)環(huán)境危害較大(垃圾落于耕地、主要河流)、對(duì)居民生活環(huán)境影響較大(距離居民區(qū) 100 m以內(nèi)、20 m以外)；C級(jí)表示垃圾覆蓋區(qū)域小(面積<20 m2)、對(duì)生態(tài)環(huán)境危害一般(垃圾落于一般區(qū)域)、對(duì)居民生活環(huán)境影響小(距離居民區(qū) 100 m以外)。每個(gè)村三個(gè)等級(jí)的垃圾問(wèn)題點(diǎn)位統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 試點(diǎn)區(qū)域垃圾問(wèn)題分級(jí)

按照垃圾問(wèn)題分布位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)有垃圾問(wèn)題位于村莊內(nèi)部人群居住區(qū)約占1/10，并且以面積小、木板、樹(shù)枝為主；村莊外約占9/10，主要分布在村莊通往田間地頭的道路兩邊，如圖2、圖3所示。

圖2 武清區(qū)試點(diǎn)村垃圾點(diǎn)位分布

圖3 靜海區(qū)試點(diǎn)村垃圾點(diǎn)位分布

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

5.1 疑似垃圾問(wèn)題點(diǎn)位院內(nèi)外分布情況分析

試點(diǎn)區(qū)域基于0.2 m遙感影像+機(jī)器識(shí)別的方式共獲得363處疑似垃圾問(wèn)題點(diǎn)位，經(jīng)人工+無(wú)人機(jī)方式現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)后實(shí)際位于院外的只有87處，占比約為24.0%，位于院內(nèi)的有276處，占比約為76%。根據(jù)樣本數(shù)據(jù)分析，疑似垃圾問(wèn)題點(diǎn)位中位于院內(nèi)的占比較高，外業(yè)核實(shí)工作量較大。造成這一情形的原因在于：

(1)影像分辨率不夠，圍墻邊界無(wú)法判讀。內(nèi)業(yè)作業(yè)人員無(wú)法從 0.2 m的航片中清晰地判斷出疑似點(diǎn)位是否位于院落內(nèi)。按照“無(wú)法判斷院內(nèi)外即歸為院外”的原則，造成一批院內(nèi)的疑似垃圾問(wèn)題沒(méi)有在前期的人工排查中篩除。

(2)機(jī)器識(shí)別、人工核查區(qū)域不明確。大多數(shù)院內(nèi)的疑似垃圾問(wèn)題點(diǎn)位位于村界范圍內(nèi)的工業(yè)園、批發(fā)市場(chǎng)、廠區(qū)，如天津靜海國(guó)際農(nóng)產(chǎn)品物流園、天津國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)靜海高新區(qū)等。目前沒(méi)有掌握上述這些區(qū)域的邊界，所以無(wú)法通過(guò)前期的篩除，只能通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)、確認(rèn)。

5.2 垃圾目標(biāo)識(shí)別正確率分析

本次試點(diǎn)區(qū)域院外疑似垃圾問(wèn)題點(diǎn)位共有87處，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)后，確實(shí)是垃圾的有71處，錯(cuò)誤識(shí)別的16處，識(shí)別正確率為81.61%，其中靜海區(qū)識(shí)別正確率為87.5%，武清區(qū)的識(shí)別正確率為53.33%。根據(jù)試點(diǎn)樣本數(shù)據(jù)分析：①疑似點(diǎn)位數(shù)量與識(shí)別正確率呈正相關(guān)關(guān)系。疑似點(diǎn)位數(shù)量越少，識(shí)別正確率越低；疑似點(diǎn)位數(shù)量越多，識(shí)別正確率越高。②識(shí)別正確率與現(xiàn)場(chǎng)(人員+無(wú)人機(jī))巡查新增數(shù)量呈正相關(guān)關(guān)系。識(shí)別正確率越高，巡查新增數(shù)量越多；識(shí)別正確率越低，巡查新增數(shù)量越少。繼而說(shuō)明，清潔化指數(shù)高的村莊，其疑似垃圾點(diǎn)位數(shù)量少、現(xiàn)場(chǎng)巡查新增垃圾數(shù)量少。

根據(jù)試點(diǎn)樣本數(shù)據(jù)分析，識(shí)別錯(cuò)誤的垃圾問(wèn)題點(diǎn)位主要是以下情形：

(1)把水塔、線號(hào)塔、簡(jiǎn)易棚房等顏色特征容易與垃圾混淆的地物識(shí)別為垃圾。

(2)現(xiàn)場(chǎng)碼放比較整齊或是有篷布遮蓋的堆放物識(shí)別為垃圾。

(3)把堆放在院外的大面積建筑類、修理類物品識(shí)別為垃圾。

現(xiàn)階段識(shí)別錯(cuò)誤較多的原因主要是：

(1)樣本庫(kù)不夠豐富。沒(méi)有將水塔、線號(hào)塔、簡(jiǎn)易棚房等加入負(fù)面樣本。

(2)影像分辨率不夠。在對(duì)機(jī)器識(shí)別成果進(jìn)行第一次人工篩查的時(shí)候，無(wú)法通過(guò)影像將院外碼放整齊或是建筑類物品進(jìn)行判讀篩除。

5.3 識(shí)別遺漏問(wèn)題分析

本次試點(diǎn)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)核查新增垃圾問(wèn)題點(diǎn)位291處，根據(jù)試點(diǎn)樣本數(shù)據(jù)分析新增的垃圾問(wèn)題較多主要是因?yàn)椋?/p>

(1)5月～6月份0.2 m遙感影像獲取后新增的垃圾；

(2)利用0.2 m遙感影像通過(guò)深度學(xué)習(xí)遙感目標(biāo)檢測(cè)算法RSADet識(shí)別的垃圾目標(biāo)基本上在 20 m2以上，無(wú)法識(shí)別面積較小的垃圾目標(biāo)；

(3)垃圾樣本不夠豐富，缺少木板、樹(shù)枝、柴草、畜禽糞便等垃圾的樣本；

(4)遙感影像無(wú)法獲取地面目標(biāo)，如因?yàn)闃?shù)木遮擋等原因，衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)等無(wú)法拍到樹(shù)冠下的垃圾。

5.4 垃圾問(wèn)題點(diǎn)位分布情況分析

根據(jù)試點(diǎn)樣本數(shù)據(jù)分析，垃圾問(wèn)題點(diǎn)位主要分布在村莊通往田間地頭的道路兩邊。環(huán)繞村邊的溝渠邊上、河面上白色垃圾污染嚴(yán)重。村莊內(nèi)部呈零星分布。

6 總 結(jié)

本文利用0.2 m DOM正射影像基于深度學(xué)習(xí)遙感目標(biāo)檢測(cè)算法RSADet，對(duì)農(nóng)村區(qū)域垃圾目標(biāo)識(shí)別的正確率整體達(dá)到了81.61%，能夠滿足人居環(huán)境整治工作的需求。下一步我們將進(jìn)一步建立水面、線號(hào)塔、簡(jiǎn)易棚房等垃圾樣本的負(fù)面清單，增加木板、樹(shù)枝、柴草、畜禽糞便等正面樣本充實(shí)到樣本庫(kù)中，相信不僅可以提高目標(biāo)識(shí)別的數(shù)量，還可以有效提高識(shí)別的正確率。同時(shí)在生產(chǎn)項(xiàng)目實(shí)際開(kāi)展過(guò)程中，我們可以通過(guò)明確垃圾目標(biāo)識(shí)別的有效范圍，排查村內(nèi)各工業(yè)園區(qū)、廠區(qū)、批發(fā)市場(chǎng)等非管轄區(qū)域，大大減少院內(nèi)垃圾目標(biāo)的識(shí)別數(shù)量，從而提高外業(yè)核查的工作量和工作效率。另外，我們也可以使用更高分辨率的無(wú)人機(jī)遙感影像作為機(jī)器識(shí)別的數(shù)據(jù)源來(lái)保證垃圾目標(biāo)的識(shí)別數(shù)量和正確率。