整合 3 S 及安街資料採勘之研究架榜應用 於巨龍棄物違規傾倒監 測 焚先遠、徐逸祥、朱子至百
整合 3 S 及空 問 資料撰勘之研究 架構應用 於廢棄物違規it質問監測
臺灣大學治理資源學系獎先遠、徐逸祥、 摘要 過去教卡年來,隨著經濟發展所衍生出 來約污染問題,已造成造成廢棄物遞增,環 境負荷遇還並影響到環境品質。而出於環保 意識抬頭,廢棄物必須依環保標草草處頭下, 為節省發用許多廢棄物被非法草鞋霞,造成環 境讓大街擊。為積極採取有效對策,因此空 間資訊研究中J心分析棄置行為的特性導出空 間規則,結合 3 S (G路,肘 ,GPS) ~間資訊技 術'強化環境!Mi測協助了解何處易被非法至是 證垃圾。 直言先運府資料探韌的決策樹分類演算法(CART)
,萃取非法廢棄場坡之位置與其他接 閱資料間(道路聚游河流瀉程等)的相關規 則,並採用這些規則產生潛在垃圾業置場 址。衛星影像可以對目標區地表土地使用有 全面且便利的觀測能力,遂浪 1可以運用分 類、植生指數以及紋理分析得到高潛勢凰 城,交主是兩者的成果便能獲得地面棄霞的疑 似地區,最後再到當地運用 GPS個PDA進行地商調查或還用 UAV
(unmanned aerial
vehicle) 對於然法進入地點拍照存證回到 內 頁審查,提供成果保存做為後綴處理的依 據。在初步的研究中已獲得良好成果,並將 持續運用在不悶的縣市政府協助環保單位的 環境保護工作。 一、前言 台灣地~廢棄物數最逐年增加,不僅由 於人口成長,亦由於工商業進步,人民生活 水準提高,每人臼常生活中所製造的廢棄物 10 軍增加。多年的經濟與發展,除民主主垃圾大 盪增加外,的於典皇室的工繳生產,造成事業 廢棄物遞增,間的於若是保意識抬頭,使得各 地掩埋場設置間難。廢棄物在室主大且處現困 難下,一生生不向業者以及不法清潔公司,將 廢棄物非法菜價,造成環境遷大街擊。 要能夠快速府經濟地掌握大地的各種現 況及問題,進而即時解決問題的最佳工具即 是利用遙測技術,其主要特做為其資料所j涵 蓋面樹造泛ll.具有NP時之特性,不同的遙測 體系,其遙草草j教具包括衛星、飛機、直昇機、 飛船及無人飛行戰真 (UnmannedAerial
Vehicles,
UAV) 。 蜜灣地~於2004 年5 月 成 功發射的福爾摩沙衛皇室二號 (FORMOSAT2) NP為一商解析度約地面資源衛星星 , 發射成功 後,於每日提供全盤 2M黑白、 8M彩色的 衛星影像,在南按海I楠、南極i水架崩解、四 川成部地震的影像獲取後提供各方分析,遙 1M資訊無疑地成為環境監測之有效利器 。 由於蔡業廢棄物的清除耗發很多經費與 時間,為了對道非法棄鐘點進一步掌握,NIJ
E尋找出 藥價地點或!嚇跑棄置行為 , 應對棄 置 與J.j進行空間因子分析 , 以研擬一套具前導恆 星在測機制,有效查重要及過止不向之徒非法棄 霞的行為。 結合具有空間特性的各項資料採勤、遙 測與地玉皇資訊技術'可以得到買主點地盔的潛 在路罷 lflli來加強至是緝,使人們不敢隨怠菜籃 廢棄物依據廢棄物傾倒案例,歸納與環境 相關之空詞扇子(如與聚落、河流、道路之 距離、高度、坡度等) ,以分類與回歸樹演算 法產生廢棄紗J傾倒之規則,都 JE潛在發生傾的工作室 (一) 本研究以 2007 年 5月上旬及 6月下旬的 影像為分析材料(關 2及國 3 ) ,衛星影像主 要針對兩種不同的棄霞型別進行監測:
(I)
棄霞於槌:1:上; (2) 棄置於非檳史上 。 主義誼 於植生土之類且也可以雨時期影像進行槌生的 四大氣狀況改變、太楊入射強度不同,同樣 的物體在不同時期的反射強度則會不同,厚 ,可 ,本研究以襟準stretch
國 l 星星體作業程序7 日(b)2007 年5 月8 日(c)2007 年5 月9 日(d)2007 年5 月11 日 劉 2 北星星灣地區 2007 年 5 月 份褔衛二號衛星影像 國 3北畫畫灣地區 2007 年 6月份 (6月 2日) spa下5 衛星影像
enhancement)
,將原始影像的光議值分佈夜 方間 (histogram)中,大於或小於平均值 2 倚襟準差的極端個消去,被保留之光譜反射 偵則延伸為 0 至U255
'被去徐之極端{直則令 為 0及 25 5 '成為一個新的分佈竅方圈。加 強後的影像設定淳雲的閥值較容易, Fl P綠 、 紅、紅外光三個波段的 DN值愈接近 25 5'
愈可能為厚雲。本研究依各張影像的狀況, 設定各個波段最適合的腐值,將厚雲去!涂。 本研究所使用之影像中, 6月 22臼之影 像有許多破Ii平之厚雲,因此利用機準豆豆延伸 12-加強及悶館設定的扇動化方式進行雲霧去 除,最後再人工方式加強動作成槃如毆 4。 國 4 2007 年 6 月 22 日 影像去除雲霧後之結 來。上:自動去除雲霧之結果;下:自 動去除雲霧加人工去徐草草雲之結果。其 中黑色區域為原本雲草草草宣蓋臣。(三)影像分類
1 分類程序
:本研究以置在發性分類中的最大約似
法對影像進行分類。本研究以非監督設
分類中的反覆自我組織資料分析法
(iterative
self-org缸lizingdata analysis
techniques algorithm
,
ISODATA)
,
敗之訓練樣區進行非監督性的分類,如 此可大致將不同光譜中寺院的菩提盤物樣 區分門別類,使所選取的訓練樣甚至更均 質化,最後再以均質化的訪II練樣本以最 大相似法對經張影像進行分類,分為主義 置湯、裸露草地、人工建築、概全及水體 等五種類刻,棄語[±弱的訓練樣區是參考 餃子l是影像中合法掩埋場之光譜特徵 ' 其 它地物訪II絞樣區則是以人之選垠的方 式進行選取,其流程控口溜 5所示。 國市、樹林市三反掩埋場之搭理區做為 訓練樣~之示意詞,國 7為 5月份所有 影像之分類結果,國 8為 6月份量生{象之 分類結果分類精度去口袋 1 個 6 穿草糧物訓線樣區選取示意歸 (劉 t:j:J影 像為 5月 7日之梅衛二號影像) (位)05 11 (b)0508 (c}0507 (d)0509 非法主任置 棵露地 才宜生 水聽 人工建草 書嘉沒資料 前仍a
..m
國 5分類程序國 以合法掩埋區做為監管性分類之訓 練樣區。關 6即以 5月 7日之中高衛影像 為例,顯示影像中所包含的八里鄉、桃 國 7 5 月 份褔衛影像 之分類結果 劉 8 6 月 份SPOT-5 影像之分類結果聖盡合 3 S 及sg偷食料碎、勘之研究架構應用於潑潑物違規傾倒監測 欒先淺、徐逸祥、朱子草草 間. . 83 側 的 肌 叫 恥lOG 助的66.6£凡 的 忘 旁.粉)報.比進.:4:;.-才也人工<!: Z其 總 計 二、空間資料採勘 資料探勸領域相關之技術很多,包括資 料庫 (database)、統計、人工智慧 (artifici“ intelligence)、 及視覺化 。 常用的統計技術及 資料採勘工其是合於安街分析需求的;但地 理資訊及地理分析有其特殊性 (Opensb酬 ,
2000)
;因此,在利用資料探勘 工具時,必須要發展新的分析方法,以同時 兼顧全防資料的特性。 環境悶子與廢棄物傾置之闊的關係通常 是非線性的,為建立推論機制與知識是在礎, 囡此必須建立原閻一條何一一結梁之關係,探 討每一億變因活動所引發之一系列影響,以 利知識的正式化,因此經過上述之分析可 知,利用決策樹的方法是比較適宜的。決策 樹的結悔亦可顯琨出輸入層闊的階層關係與 非線性關係,在樹的起點,先透過門種做的 設定,來將資料分成兩個不同的群組(吳宗 睬, 2004) 。 (一)資料蒐築 本研究自前收集約資料,包括﹒(I)非 法廢棄物棄隨場址及非棄i置場址資料;(2)
河川i認及道路間 ; (3) 聚落萎料 ; (4) 數值高度模毀 (digital
elevation model
,
DEM) 等 o以下對各項資料及其經處理而產生之資料進 行說明。 1 歷史菜籃點 也環保署提供 8 1 至 9 1 年至全閥登報資 料共 1 83處列管非法棄霞場址,以做為 資料探勘的分析的子。另外加入非棄儘 lQfi訓練樣本共 2 1 2笨(人工選擇不可能 發生棄寵的地形,如山稜線、高速公路 上、密集商業區或住宅遁的房庭上 等) ,以期分析架構更臻完善(如 I~司 1 0 所示)。 吼益。 水壁畫 I 0ι o· 卡 6, 0.紗ι 1 趴) 。 閥 、戶 洞 口100.000斗 的10" 叭"已 景:fA哩 I G ~;<:i61 0 o·ω 。ω」 cl 生 I O. O.ω 仰。丸, 人.'!.,皂 也真實科 gfOl:nd η屯 h 表 2 2007 年6 月22 日SPO下5 con如SlOU rna甘1X 表 1 2007 年5 月8 日FORMSAT
2 confusion
matrix
20070508航間photos 20070508福街影啤 分類 圖 9 以 5 月 8 日 褔衛影像之分類結果為例 , 以未被選擇為訓練樣區的積叫 l掩圾場做 為初步驗證區之驗證結果 純真女將,ee叩 d tru tl\.· I蒙 軍f句 得 .it J'!:. 益 土 , 來信 人 二 建5養 媳 tf 素主毒 I 5 0 裸露地 I 1 4 , 品 的 。 : ι o· 月 " " 6 O. 0 心 。 ,. ω 。很凡 !.'i; tt·· 1 ι 6 e. 6·- 3 0.-這結果 2. 成果驗設 本研究初步以新竹縣橫山鄉之掩理 場做為 5 月 8臼褔iI~j最多像分去那吉泉之驗 證區。如國 9所示, 5 月8 日 的航照影 像中扇窗樣逆之範間俺i皇場實際掩湖 區,與l可臼之福衛影像分類結果比較, 主義陸物分佈區域已確發被標定。由以上 案例可知,以合法拘埋甚至之光譜特性做 為影像分類之訓練樣區為可行之方法。 14J~ |胡 IO 上 . 現有非法棄 霞場址分佈廚 ; 下:人二五點選之非棄渣場址分佈閻 2. 河川 間及道路國 以交通部進紛研究所於 2002年生淺 的河川及道路路網國做為資料探勸 所需的發閉關係資料。原始的河川資料 為向最式多邊形:資料,記錄各縣市內各 河川之流域;道路資料則為向量式線狀 資料,記錄各縣市內重要道路之中心 線。 3. 聚落資料 以 ]/25000地形國之聚落資料做為資 料探勘所需的安街串串係資料。原始的聚 在草資料為向主義式多邊形資料,記錄各區 域內還要的聚落分佈。 4. 數值高度模型 使用 40公尺原始解析皮的 DEM ' 提 供資料探勘時所謂的高程及坡度等資 訊。 DEM乃以數億化方式主呈現三度皇宮 闊地形起伏變化情形,其形式包含向讀 式 (vector)及綱格式 (raster)資料,為 使於進行資料探勘,在此採m網格式資 料來進行分析 o (二)規則歸納 利m
CART
4.0 的軟艘 , i得上述的哥II練 資料輸入後卻可產生「棄宣」及「非君主賢」 的規則,在成本與效益主考畫畫下,吾吾用規則愈、 少相對分析成木較低。本研究採府主主建議, 以 13條規則決定所有的繁種及非褒置能 間,其結果如國1I所示。 1 3條規划中棄霞 的規則有 6條,其規則舉例二條列如表 3 所示。方為
而 T 同 口勵數
-mH 閉州一叫一圓規
狗一叫一狀佳
人11一
樹
設
立則議叫一關乎也
叫一之時
叫一支次叫一產費
仁( m A υ 們寸 、 恥-4 . 叫 什 己「 2 )叫-w
配
條
。框的
閱 表 3空間資料探勘歸納之規則表(窩里例)(在) 0508 褔做二號 (右)0622 SPOT昀5 表 4 ZE間資料探勘與 NDVI 四、現場查報 (一)配合 PDA現場紀錄絕關巡祭資訊 外梁自古先將欲主主訪的地點輸入 GPS-PDA , 如疑似點GIS 圈 套豆 、 道路園 、 以 及切1Irui遁的影像,
GPS
I'曰:導外榮人員到疑 似點約近紀錄地問真實資料如圓的。 (侮例至三置規划三交集之絲一主是 詞 1 2依 CART4.0產生之現則進行ZE間分析 之結果 (三)幸在合空去間規划與影像變遷成果 將圈 1 2所有的結果,與前一節 NDVI 變遷分析的結果進行交集,可得到更為聚焦 之區域,本研究依Ilt[,ji!城選擇八盟及林臼兩 鄉共五個地點進行現地檢核,五處檢核點之 詳細資料如表 4所示。第 4處檢核點之資料 探勘及變進分析交集結果如國 13所示,而現 地所示新崩塌地,亦可籍自比對前後期影像 進行了解如劉 1 4。 國 1 3第 4處(材2日)檢核點ZE悶資料探勘及 變遷分析交集之結果(如深紅色部分所示)濁的 The GPS-PDA 作業
整合 3 S 及:?i:間表料探勸之研究架橋應fIj於廢棄物遂規傾倒壁畫測 獎先遠、徐逸祥、朱子豪 依嫁表的規則,本研究再以原始的空 戀愛料產生潛在棄質區域的空間分佈筒。EI3 於;本研究中資料探勘的目的是要找出潛在發 生棄攘的區域,自此僅需對策質發生的規則 II:'±.空 間分佈闊 。 依據各項規則 中 的 門檻 {霞,再以 ArcGIS進行讓城分析,最後將所 有環域分析的結果進行交集後, RP可得到潛 在發生棄霞場所的分佈圈,如關 1 2所;7G 0 16結合 GPS 定位的 PDA , 前往驗設點之 前先行將背景影像與待查核點與道路等地物 先行輸入,協助前往現地查核與定位。 i可步 可以揭帶照相機與紙本做假形式的現場紀錄 如圓 1 6 '若礙認為棄優點,說明規則的正確 仿k 單單f以點間報 垃圾地與j發棄物堆援 表 5 CANON350D 相機規格 表 6 推估地在自解析ffl'與關I~頂涵蓋間積 地晶解析畏的長 emρ !
10.28.·
12.85.
疑似點剖幸區:空地與雜草草地 地曲解軒 Z是一 克 em·'10.28.
12.85
,
3υ只3戶 2 44也 國 1 6 檢核點前後期衛星影像及現地檢核m
單子長講革-寬 m·236.8
296ρ (二) UAV 進行 岳標區拍攝 車子良品革晶積企曙|8.41
13一14. UAV 是非 常優真 的低豆豆取得 包 機區影 像的工具,運用 Canon3 50D的教具(相機鏡 區 1 7 The UAV 影像處理程序問UAV _ harbor .' UAV - rive‘ 國 1 8各式地物 UAV空拍成果 五、結論 空閑資料探韌的結果顯示的最有可能發 生棄置的這域,可協助相關人員將分析的範 劉縮小,將較不可能發生棄置的~域排餘, 能節省資料分析的精筒,提高分析的效率。 臼後才注研究將再加入更多可能影響欒釐 物傾倒的扇子,如海岸的距離、與各緩不同 類型河段的距離、與谷地的距離、二!二主義類授 等,使資料探勛的結果能更聚焦。在利用遙 測衛星影像進行分析時,亦可參考探勘後的 結果,選取潛在分佈密度較高的區域,來做 為影像的選取範園,如此可排除潛在位低的 區域,節省影像購買之經費。 本研究遙溺j及空間資料探勘約箱5美雖有 成功找l:f:j棄霞物之案例,但仍有改進之空 間,影像判釋結果亦常將重創區豆、合法工地、 合法土15場或私人掩過場談判為主表震區,影 響分析正確性。因此於未來資料探勘分析將 再加入合法廢棄物處理廠、合法堆置場等空 間資料進行篩選,以期使遠燒菜置點之誤判 來下降,後指望將持續尋找更佳之規則以及空 間資料過 i處可疑區(如國土利用調查資 料) ,以達成運用遙測及空間資料探勘於廢 棄物壁畫測,逐步取代現今仍以人力現地查緝 為主之作業方式,提升環保稽查業務的效 能,對於非法棄還行為有更大的嚇阻作用。 ← 1 8 一
參考文獻
(2004)
物管理,Be叮y,