邱琰皓 張 芳①

(1. 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266071; 2. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266071; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

近年來(lái), 海洋垃圾污染已經(jīng)成為全球性的經(jīng)濟(jì)、政治、環(huán)境議題(Ryanet al, 1993; Lawet al, 2010)。海洋垃圾的定義是“海洋和海岸環(huán)境中具持久性的、人造的或經(jīng)加工的固體廢棄物”(Sheavlyet al, 2007)。海洋垃圾不僅阻礙航運(yùn)、破壞海洋環(huán)境的美感, 產(chǎn)生負(fù)面的社會(huì)經(jīng)濟(jì)后果, 還會(huì)對(duì)海洋生物造成嚴(yán)重的危害, 并且海洋垃圾中的持久性、累積性污染物也會(huì)通過(guò)生物鏈危害人類(lèi)健康(Lazaret al, 2011; Baulchet al,2014; Liet al, 2016)。海洋垃圾主要包括海灘垃圾、海面漂浮垃圾與海底垃圾, 隨著人類(lèi)對(duì)海岸帶的不斷開(kāi)發(fā)利用, 海灘垃圾的數(shù)量迅速增加, 引起了廣泛關(guān)注, 自20 世紀(jì)80 年代以來(lái), 世界上許多組織一直在采集、分析海灘垃圾數(shù)據(jù), 以期引起人們對(duì)這一問(wèn)題的重視(Mooreet al, 2000)。開(kāi)展海灘垃圾監(jiān)測(cè), 了解海灘垃圾的類(lèi)型、來(lái)源, 可以為有效治理海灘垃圾污染、改善海岸帶生態(tài)環(huán)境提供理論和技術(shù)支撐。

目前監(jiān)測(cè)海灘垃圾主要是通過(guò)人工手段, 例如趙肖等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)建立采樣點(diǎn), 采用基線(xiàn)調(diào)查, 調(diào)查了我國(guó)各海域海灘垃圾的類(lèi)型和來(lái)源, 人工手段會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力, 采樣點(diǎn)也有相當(dāng)復(fù)雜的選取原則(趙肖等, 2016), 對(duì)于不開(kāi)放或者難以建立標(biāo)準(zhǔn)采樣點(diǎn)的區(qū)域無(wú)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。近年來(lái), 無(wú)人機(jī)技術(shù)在海洋生態(tài)學(xué)研究中得到了廣泛的應(yīng)用(Konaret al, 2018;Adadeet al, 2021)。國(guó)內(nèi)還未有利用無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)海灘垃圾的報(bào)道, 國(guó)際上多項(xiàng)研究進(jìn)行了初步實(shí)踐并探討了無(wú)人機(jī)航拍在海灘垃圾監(jiān)測(cè)中的潛力與優(yōu)勢(shì), Lo等(2020)將不同類(lèi)型的垃圾隨機(jī)放置在海灘上, 使用大疆無(wú)人機(jī)在較低的高度下(15 m 高度以下)對(duì)其進(jìn)行拍攝, 測(cè)試了小型無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)海灘垃圾的能力, 結(jié)果表明無(wú)人機(jī)調(diào)查的速度是傳統(tǒng)目視調(diào)查的3 倍,Andriolo 等(2021)采集了少量海灘垃圾在6～20 m 高度下的航拍圖像, 測(cè)試了具有不同背景的操作員對(duì)圖片中垃圾的識(shí)別、標(biāo)記和分類(lèi)能力。目前通過(guò)無(wú)人機(jī)低空拍攝方法監(jiān)測(cè)海灘垃圾的研究大部分仍然處于摸索階段, 主要在小面積樣方內(nèi)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn), 或者在較低的高度下開(kāi)展對(duì)海灘局部小范圍內(nèi)的垃圾調(diào)查(Taddiaet al, 2021)。

在此背景下, 本研究嘗試使用無(wú)人機(jī)低空拍攝方法開(kāi)展了青島市石雀灘全區(qū)域的垃圾調(diào)查, 為海灘垃圾的監(jiān)測(cè)提供了新的方向。討論了石雀灘垃圾的空間分布、大小特征、類(lèi)型組成以及顏色分布, 并分析了其來(lái)源情況, 為市政管理部門(mén)管控海灘垃圾、改善海洋生態(tài)環(huán)境提供基礎(chǔ)資料。本研究通過(guò)面積/面積密度概念來(lái)表征垃圾的豐度, 為定量海灘垃圾提供了一個(gè)新思路。

1 材料與方法

1.1 調(diào)查區(qū)域及樣區(qū)劃分

石雀灘位于青島鳳凰島旅游度假區(qū), 全長(zhǎng)兩千余米, 是一個(gè)集旅游觀光、娛樂(lè)活動(dòng)、生活休閑等于一體的風(fēng)景區(qū), 夏季以及節(jié)假日期間海灘人流量較大。海灘東部毗鄰“亞洲第一灘”金沙灘, 海灘西部毗鄰石雀灘海域國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū)。該示范區(qū)是農(nóng)業(yè)農(nóng)村部2015 年公布的第一批國(guó)家級(jí)海洋牧場(chǎng)示范區(qū), 總面積為 1 534 hm2。示范區(qū)內(nèi)建造了約200 hm2人工魚(yú)礁區(qū), 增殖刺參、盤(pán)鮑、大瀧六線(xiàn)魚(yú)、許氏平、牙鲆、黑鯛、斑石鯛等品種。示范區(qū)內(nèi)建設(shè)了280 個(gè)智能型深水抗風(fēng)浪網(wǎng)箱, 用來(lái)養(yǎng)殖鱸魚(yú)、三文魚(yú)、黑 鲪等魚(yú)種。此外, 示范區(qū)內(nèi)具有600 hm2藻類(lèi)養(yǎng)殖區(qū)。

本次調(diào)查基本覆蓋了石雀灘海灘全區(qū)域。傳統(tǒng)上,海岸帶區(qū)域被劃分為潮上帶、潮間帶和潮下帶, 為探究垃圾在海灘內(nèi)部的分布格局以及研究方便, 根據(jù)離岸距離, 我們將石雀灘劃分為三個(gè)樣區(qū)(Alshawafiet al, 2017), 分別為近岸區(qū)、中間區(qū)、遠(yuǎn)岸區(qū)。近岸區(qū)距離陸地最近, 邊界毗鄰陸地, 中間區(qū)距離陸地稍遠(yuǎn), 緊挨近岸區(qū), 遠(yuǎn)岸區(qū)距離陸地最遠(yuǎn), 緊挨中間區(qū),與海水相接。三個(gè)樣區(qū)相互毗鄰, 樣區(qū)長(zhǎng)度約2 000 m,樣區(qū)寬度約50 m, 樣區(qū)的整體方向與海陸交界平行(Oigman-Pszczolet al, 2007; Leeet al, 2017)。其中, 遠(yuǎn)岸區(qū)和中間區(qū)幾乎完全位于潮間帶, 近岸區(qū)部分位于潮間帶, 部分位于潮上帶(圖1)。

圖1 石雀灘及樣區(qū)劃分Fig.1 Shique Beach and the division of sample area

1.2 無(wú)人機(jī)以及圖像的采集

1.2.1 無(wú)人機(jī) 使用FEIMA D2000 多旋翼無(wú)人機(jī)系統(tǒng)采集石雀灘垃圾的低空航拍圖像, D2000 為深圳飛馬機(jī)器人科技有限公司產(chǎn)品, 主體展開(kāi)尺寸為495×442×279 mm, 空機(jī)重量2.6 kg, 可搭配不同功能的載荷, 最大載荷重量750 g。該系統(tǒng)搭配了正射相機(jī)模塊, 相機(jī)型號(hào)為 SONY a7Rm4, 有效像素約6 100 萬(wàn), 照片分辨率為9 504×6 336; 支持航線(xiàn)規(guī)劃,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拍照, 每飛行一段距離觸發(fā)一次拍照操作, 避免了人為操作帶來(lái)的誤差; 飛行速度為7～13 m/s, 巡航監(jiān)測(cè)效率高; 電池容量為12 000 mAh,可保證無(wú)人機(jī)在上述速度下的飛行時(shí)長(zhǎng)為50 min 左右, 單架次內(nèi)具較大的監(jiān)測(cè)范圍。

1.2.2 圖像采集 調(diào)查時(shí)間: 2021 年12 月21 日,使用FEIMA D2000 無(wú)人機(jī)對(duì)石雀灘的垃圾進(jìn)行了低空拍攝。當(dāng)日天氣晴朗, 風(fēng)速在3～5 m/s, 良好的能見(jiàn)度與較小的風(fēng)力均有利于相機(jī)穩(wěn)定、高質(zhì)量地采集圖像數(shù)據(jù)。航拍時(shí)間在中午的12 點(diǎn)到下午1 點(diǎn)之間, 該時(shí)間段內(nèi), 當(dāng)日潮水最低, 海灘的裸露面積最大。

起飛地點(diǎn): 無(wú)人機(jī)的起飛點(diǎn)(35.95°N, 120.24°E)距離石雀灘約500 m, 地表平整空曠, 天空無(wú)異物遮擋, 滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)的起飛條件, 距離周邊高層建筑50 m 以上, 盡可能地減少了高層建筑對(duì)GPS 信號(hào)的影響, 滿(mǎn)足無(wú)人機(jī)的通訊條件。

飛行高度: 本文在前期進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。在本調(diào)查之前, 使用FEIMA D2000 無(wú)人機(jī)對(duì)青島的海灘垃圾進(jìn)行了多次試航拍調(diào)查。調(diào)查在不同的飛行高度(100、120、150、170、200 m)下進(jìn)行, 調(diào)查范圍從青島奧帆中心延伸至石老人浴場(chǎng), 試航拍圖像覆蓋的海岸線(xiàn)長(zhǎng)度超過(guò)10 km, 有效覆蓋的海岸面積超過(guò)0.5 km2, 在航拍照片中發(fā)現(xiàn)了少量不同類(lèi)型的海灘垃圾。飛行高度影響航拍照片的地面分辨率, 不同飛行高度下無(wú)人機(jī)對(duì)海灘垃圾的監(jiān)測(cè)效果不同, 高度越高, 無(wú)人機(jī)能夠監(jiān)測(cè)識(shí)別到的垃圾越少。結(jié)合國(guó)外已有文獻(xiàn)資料, 綜合效率與海灘垃圾的監(jiān)測(cè)效果等因素考慮, 將本次調(diào)查的飛行高度設(shè)置為100 m。本文認(rèn)為, 100 m 是D2000 無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)海灘垃圾的最合適的飛行高度, 該高度下既保證了良好的空間分辨率(地面采樣距離為0.008 9 m/像素, 能夠分辨出的最小地面物體長(zhǎng)度在4～5 cm 左右), 使得較小的垃圾碎片在航拍照片中也有較高的識(shí)別率(Orych, 2015; Baoet al, 2018; Fallatiet al, 2019), 又避免了低飛行高度對(duì)該無(wú)人機(jī)可能產(chǎn)生的安全威脅。

飛行路線(xiàn): 無(wú)人機(jī)在石雀灘內(nèi)的飛行路線(xiàn)即是航拍圖像數(shù)據(jù)的采集路線(xiàn)。無(wú)人機(jī)從起飛點(diǎn)出發(fā), 到達(dá)石雀灘東端時(shí), 即開(kāi)始執(zhí)行拍攝任務(wù), 然后無(wú)人機(jī)在海灘上沿平行于海岸帶的方向飛行, 到達(dá)石雀灘西端后調(diào)轉(zhuǎn)方向朝海灘東端飛行, 再一次到達(dá)海灘東端時(shí)調(diào)轉(zhuǎn)方向朝海灘西端飛行, 在整個(gè)海灘內(nèi)執(zhí)行S 型往返式路線(xiàn)飛行。航向重疊度與旁向重疊度均設(shè)置為15% (Xianget al, 2011; Baoet al, 2018; Yaoet al, 2019), 該重疊度下航拍照片能有效覆蓋石雀灘全部區(qū)域, 并且避免產(chǎn)生過(guò)多的重復(fù)數(shù)據(jù)。對(duì)部分區(qū)域及內(nèi)部垃圾碎片的重復(fù)拍照會(huì)在后期圖像處理過(guò)程中通過(guò)人工辨別并篩除。

1.3 圖像處理與垃圾的識(shí)別

ImageJ 是一個(gè)基于Java 的公共的圖像處理軟件,可運(yùn)行于Microsoft Windows、Mac OS、Mac OS X 和Linux 等多種操作系統(tǒng)平臺(tái)(圖2)。使用ImageJ 軟件處理航拍照片, 主要操作步驟如下: (1) 垃圾的識(shí)別。使用ImageJ 軟件打開(kāi)航拍照片, 通過(guò)肉眼識(shí)別照片中的垃圾, 對(duì)垃圾進(jìn)行認(rèn)定、分類(lèi), 并進(jìn)行標(biāo)注、計(jì)數(shù)。(2) 使用ImageJ 軟件的Selection 功能標(biāo)記并圈出垃圾所在的區(qū)域。(3) 垃圾的形狀多樣, 并且大部分情況下是不規(guī)則的, 因此一般使用 Elliptical selection、Polygon selection 和Freehand selection 三種形狀工具,用于精準(zhǔn)選定橢圓形區(qū)域(包括圓形)、多邊形區(qū)域以及手動(dòng)自由繪制的區(qū)域。(4) 計(jì)算垃圾所在區(qū)域占據(jù)的像素個(gè)數(shù)。垃圾所在的區(qū)域選定之后, 使用Analyze工作區(qū)中的Measure 功能計(jì)算出垃圾所在區(qū)域占據(jù)的像素個(gè)數(shù)(圖3)?；诶紦?jù)的像素個(gè)數(shù)計(jì)算垃圾的實(shí)際占地面積、完成對(duì)垃圾的大小分類(lèi)。

圖2 ImageJ 主界面Fig.2 Main interface of ImageJ

圖3 使用ImageJ 處理航拍圖片的主要操作步驟Fig.3 The main steps of using ImageJ to process aerial pictures

1.4 垃圾的密度與面積計(jì)算

區(qū)域內(nèi)垃圾的密度計(jì)算方法如下:

其中,D代表垃圾的數(shù)量密度或面積密度,N為垃圾的數(shù)量或計(jì)算出的實(shí)際面積,L為樣區(qū)的長(zhǎng)度,W為樣區(qū)的寬度。

對(duì)于單個(gè)垃圾碎片而言, 無(wú)人機(jī)的低空拍攝圖像直觀地體現(xiàn)了它所在圖片區(qū)域內(nèi)的“占圖面積”, 需要將“占圖面積”轉(zhuǎn)算為該垃圾的實(shí)際占地面積, 轉(zhuǎn)算過(guò)程如下:

在100 m 的航拍高度下, 單張圖片所覆蓋的實(shí)際面積(圖4)計(jì)算如下, 鏡頭長(zhǎng)視角度α=48.1°, 寬視角度β=33.1°。則圖片顯示的實(shí)際面積S如公式(2):

圖4 單張照片實(shí)際覆蓋的面積Fig.4 Actual area covered by a single photo

其中, 長(zhǎng)度X=100tanα/2=89.25 m; 寬度Y=100tanβ/2=59.50 m。

單張圖片的總像素個(gè)數(shù)N為 60 217 344 個(gè)(9 504×6 336), 通過(guò)ImageJ 軟件計(jì)算求出某個(gè)垃圾所占據(jù)的像素個(gè)數(shù)(n), 求得垃圾實(shí)際占地面積s:

1.5 垃圾的分類(lèi)

從大小、材料、顏色和來(lái)源四個(gè)角度對(duì)垃圾進(jìn)行分類(lèi)。

目前, 對(duì)于海灘垃圾的大小尺寸等級(jí)國(guó)際上尚未有統(tǒng)一的定義, 缺乏對(duì)其分類(lèi)的系統(tǒng)框架。在尺寸界限不存在明確的科學(xué)依據(jù)的情況下, 應(yīng)當(dāng)基于實(shí)用主義和工作需要來(lái)指導(dǎo)垃圾尺寸的劃分(Hartmannet al, 2019; Salgado-Hernanzet al, 2021), 參考《海洋垃圾監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(國(guó)家海洋局生態(tài)環(huán)境保護(hù)司, 2015)中對(duì)海洋垃圾大小的分類(lèi), 結(jié)合航拍圖像特點(diǎn), 使用垃圾在圖片上占據(jù)的像素個(gè)數(shù)來(lái)表征垃圾的大小。像素是構(gòu)成圖片的基本元素, 它不會(huì)因?yàn)轱@示設(shè)備、人眼感知的差異等受影響, 能幫助我們獲得客觀真實(shí)的大小評(píng)價(jià)。根據(jù)垃圾占據(jù)像素個(gè)數(shù)的多少, 將發(fā)現(xiàn)的垃圾分為小型垃圾、中型垃圾、大型垃圾、特大型垃圾四類(lèi)(表1)。

表1 垃圾的大小分類(lèi)Tab.1 Classification of garbage size

參考《海洋垃圾監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》, 根據(jù)材料類(lèi)型, 垃圾可以分為塑料類(lèi)、泡沫類(lèi)、玻璃類(lèi)、金屬類(lèi)、橡膠類(lèi)、織物(布)類(lèi)、木制品類(lèi)、紙類(lèi)和其他人造物品及無(wú)法辨識(shí)的材料。

對(duì)所有垃圾的顏色進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分類(lèi), 包括白色、黑色、綠色、藍(lán)色、棕色、紅色、黃色、灰色、紫色、粉色等常見(jiàn)顏色。

海灘垃圾來(lái)源分類(lèi)根據(jù)西北太平洋組織(NOWPAP)的統(tǒng)計(jì)方法, 按人類(lèi)海岸活動(dòng)、航運(yùn)/漁業(yè)類(lèi)活動(dòng)、醫(yī)療/衛(wèi)生用品、吸煙用品、其他棄置物5 類(lèi)對(duì)能辨別出類(lèi)型的垃圾的來(lái)源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類(lèi)(表2)。

表2 垃圾的來(lái)源分類(lèi)Tab.2 Classification of garbage type

2 結(jié)果

2.1 海灘垃圾的空間分布

從數(shù)量上看, 本次調(diào)查在石雀灘共發(fā)現(xiàn)1 436 個(gè)垃圾, 近岸區(qū)內(nèi)垃圾為862 個(gè), 占比60%, 中間區(qū)內(nèi)垃圾為309 個(gè), 占比22%, 遠(yuǎn)岸區(qū)內(nèi)垃圾為265 個(gè),占比18%; 從實(shí)際占地面積看, 海灘內(nèi)垃圾總占地面積944.22 m2, 近岸區(qū)內(nèi)垃圾占地面積為622 m2, 占比66%, 中間區(qū)內(nèi)垃圾占地面積為154 m2, 占比16%,遠(yuǎn)岸區(qū)內(nèi)垃圾占地面積為168 m2, 占比18%(圖5)。

圖5 石雀灘垃圾的數(shù)量和面積占比Fig.5 Percentages in quantity (left) and area (right) of garbage on the Shique Beach

全區(qū)域內(nèi)垃圾數(shù)量密度為4 787 個(gè)/km2, 各樣區(qū)內(nèi)的數(shù)量密度分別為8 620、3 090、2 650 個(gè)/km2。全區(qū)域內(nèi)垃圾的面積密度為3 147 m2/km2, 各樣區(qū)內(nèi)垃圾的面積密度分別為6 217、1 540、1 685 m2/km2(圖6)。石雀灘內(nèi)垃圾的內(nèi)部分布具有明顯的差異性, 其中近岸區(qū)內(nèi)的垃圾數(shù)量、實(shí)際面積及豐度明顯大于中間區(qū)與遠(yuǎn)岸區(qū), 另外兩帶的垃圾相對(duì)較少, 處于類(lèi)似水平。

圖6 石雀灘垃圾的豐度分布Fig.6 Distribution in abundanceof garbage in Shique Beach

2.2 海灘垃圾的大小分布

石雀灘內(nèi)小型垃圾數(shù)量的為472 個(gè), 占據(jù)垃圾總數(shù)量的33%, 中型垃圾的數(shù)量為763 個(gè), 占據(jù)總數(shù)量的53%, 大型垃圾的數(shù)量為186 個(gè), 占據(jù)總數(shù)量的13%, 特大型垃圾的數(shù)量為15 個(gè), 占據(jù)總數(shù)量的1%。從數(shù)量上看, 石雀灘的垃圾以中型垃圾和小型垃圾為主, 一共為1 235 個(gè), 占總量的86%。

石雀灘內(nèi)內(nèi)小型垃圾的實(shí)際占地面積為23.24 m2,中型垃圾的實(shí)際占地面積為201.76 m2, 大型垃圾的實(shí)際占地面積為467 m2, 特大型垃圾的實(shí)際占地面積為252.22 m2。從面積占比來(lái)看, 特大型垃圾和大型垃圾處于突出位置, 分別占比49%、27%, 二者共占據(jù)海灘垃圾總面積的76% (圖7)。

圖7 石雀灘不同大小垃圾的數(shù)量和面積占比Fig.7 Percentages in quantity (left) and area (right) of different-sized garbage pieces on Shique Beach

統(tǒng)計(jì)不同大小的垃圾在石雀灘內(nèi)部三個(gè)樣區(qū)內(nèi)的分布情況(圖8), 結(jié)果表明, 各樣區(qū)內(nèi)的分布格局與總體趨于一致: 在數(shù)量上均是小型垃圾和中型垃圾之和占主導(dǎo)地位, 各區(qū)域內(nèi)二者貢獻(xiàn)均在各區(qū)域總數(shù)量的82%以上; 在占地面積上大型和特大型垃圾之和占主導(dǎo)地位, 各區(qū)域內(nèi)二者貢獻(xiàn)均在各區(qū)域總面積的67%以上。也就是說(shuō), 不同大小的垃圾在各個(gè)樣區(qū)間的分布是較為均勻的。

圖8 各樣區(qū)內(nèi)不同大小垃圾的數(shù)量、面積分布Fig.8 Percentage in quantity (left) and area (right) of different-sized garbage in each sampling zone

2.3 海灘垃圾的類(lèi)型組成

從數(shù)量上看, 石雀灘內(nèi)塑料類(lèi)垃圾的數(shù)量最多,為567 個(gè), 占比39.48%, 其次是其他類(lèi)垃圾, 為539個(gè), 占比37.53%, 這些垃圾絕大多數(shù)為細(xì)小的碎屑,不作重點(diǎn)討論。木制品類(lèi)垃圾有143 個(gè), 占比9.96%?？椢?布)類(lèi)、橡膠類(lèi)、泡沫類(lèi)、金屬類(lèi)和玻璃類(lèi)這5類(lèi)垃圾的數(shù)量相對(duì)較少, 分別為72 個(gè)(5.01%)、58 個(gè)(4.04%)、31 個(gè)(2.16%)、24 個(gè)(1.67%), 2 個(gè)(0.14%)。從實(shí)際占地面積上看, 依舊是塑料類(lèi)垃圾貢獻(xiàn)最大,總占地面積為363.84 m2, 占比38.53%, 其次是其他類(lèi)垃圾, 占地面積為173.66 m2, 占比18.39%。木制品類(lèi)垃圾、織物(布)類(lèi)、橡膠類(lèi)、金屬類(lèi)這4 類(lèi)垃圾面積占比處于類(lèi)似水平, 在7%～13%之間, 泡沫類(lèi)與玻璃類(lèi)屬于最少的一檔, 面積占比僅為 1.83%、0.01%(圖9)。

圖9 石雀灘不同類(lèi)型垃圾的數(shù)量、面積分布Fig.9 Percentage in quantity (left) and area (right) of different types of garbage in Shique Beach

對(duì)石雀灘內(nèi)部三個(gè)樣區(qū)內(nèi)不同類(lèi)型垃圾的數(shù)量分布和面積分布也進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析, 發(fā)現(xiàn)垃圾在各個(gè)區(qū)域內(nèi)的類(lèi)型分布特征和大小分布特征表現(xiàn)一致,均趨同于全區(qū)域的分布格局, 結(jié)合數(shù)量和占地面積來(lái)看, 塑料類(lèi)垃圾也依舊是各個(gè)樣區(qū)內(nèi)的優(yōu)勢(shì)類(lèi)型(圖10)。

圖10 各樣區(qū)內(nèi)不同類(lèi)型垃圾的數(shù)量、面積分布Fig.10 Percentage in quantity (left) and area (right) of different-typed garbage in each sample zone

2.4 海灘垃圾的顏色特征

石雀灘內(nèi)共發(fā)現(xiàn)10 種顏色的垃圾, 分別為白色、黑色、綠色、藍(lán)色、棕色、紅色、黃色、灰色、紫色、粉色。

從數(shù)量上看, 白色垃圾的數(shù)量最多, 有417 個(gè),占比29%, 其次是綠色垃圾和藍(lán)色垃圾, 為321 個(gè)、151 個(gè), 分別占比22%、10%, 這3 種顏色的垃圾共占據(jù)了總量的61%。從占地面積上看, 面積最多的垃圾的顏色分別是綠色、黑色、白色、紅色, 分別為234.82、139.73、131.98、127.19 m2, 占比25%、15%、14%、13%(圖11)?？傮w來(lái)看, 白色、綠色、藍(lán)色、黑色、紅色是海灘垃圾的主要色調(diào)。

圖11 石雀灘不同顏色垃圾的數(shù)量、面積分布Fig.11 Percentage in quantity (left) and area (right) of different-colored garbage in Shique Beach

值得注意的是, 數(shù)量最多的綠色、白色和藍(lán)色垃圾中, 塑料類(lèi)垃圾占比53%, 占地面積最多的綠色、白色、黑色和紅色垃圾中, 塑料類(lèi)垃圾占比50%。

2.5 海灘垃圾的來(lái)源分析

根據(jù)西北太平洋組織(NOWPAP)的統(tǒng)計(jì)方法, 對(duì)所有識(shí)別出類(lèi)型的海灘垃圾的來(lái)源進(jìn)行了統(tǒng)計(jì), 涉及人類(lèi)海岸活動(dòng)、航運(yùn)/漁業(yè)類(lèi)活動(dòng)、其他棄置物三個(gè)類(lèi)型(圖12)。

圖12 海灘垃圾的來(lái)源分類(lèi)Fig.12 Classification in origination of beach garbage

結(jié)果表明, 石雀灘全區(qū)域內(nèi)來(lái)源于人類(lèi)海岸活動(dòng)的垃圾數(shù)量最多, 占據(jù)比例為52%、來(lái)源于人類(lèi)海岸活動(dòng)和航運(yùn)/漁業(yè)類(lèi)活動(dòng)的垃圾貢獻(xiàn)了總量的83%,二者在海灘垃圾的產(chǎn)生中起主要作用, 整體來(lái)看, 各樣區(qū)內(nèi)垃圾來(lái)源比例的分布與全區(qū)域的結(jié)果是十分相似的。

3 討論

從青島石雀灘的垃圾分布調(diào)查結(jié)果來(lái)看, 空間分布上, 近岸區(qū)垃圾在數(shù)量和面積上都明顯大于另外兩個(gè)樣區(qū)。海灘垃圾的產(chǎn)生主要受人類(lèi)海岸活動(dòng)的影響(Foster-Smithet al, 2007; Asensio-Montesinoset al, 2019), 與中間區(qū)、遠(yuǎn)岸區(qū)相比, 近岸區(qū)承載了更頻繁、更密集的人類(lèi)活動(dòng), 因此更多的垃圾被遺棄、留存在了這個(gè)區(qū)域。此外, 海灘上的垃圾在自然因素(風(fēng)、潮汐、徑流)及人類(lèi)活動(dòng)的作用下(Prevenioset al,2018; Asensio-Montesinoset al, 2020), 在海灘內(nèi)會(huì)發(fā)生位置的移動(dòng), 在石雀灘近岸區(qū)內(nèi), 尤其是與陸地相接的一邊, 存在較多砂石區(qū)、彎角地帶、洼地區(qū)域以及低矮交錯(cuò)的植物群, 這些地勢(shì)條件對(duì)垃圾有著一定的截留作用, 近岸區(qū)內(nèi)這些地勢(shì)及其周?chē)睦S度也大于其他區(qū)域; 類(lèi)似地, 在中間區(qū)以及遠(yuǎn)岸區(qū)內(nèi), 有著少量的礁石區(qū)、砂礫區(qū), 這些區(qū)域內(nèi)的垃圾豐度也略大于同一樣區(qū)內(nèi)的開(kāi)闊平坦區(qū)(Bowmanet al, 1998)。石雀灘中間區(qū)與遠(yuǎn)岸區(qū)絕大部分地勢(shì)開(kāi)闊平坦, 該地勢(shì)一定程度上促進(jìn)了垃圾的運(yùn)動(dòng), 這就造成了近岸區(qū)垃圾豐度明顯大于其他兩帶的分布格局。由此可見(jiàn), 地勢(shì)條件是影響海灘內(nèi)部垃圾分布的重要因素之一, 對(duì)垃圾有截留作用的地勢(shì)我們稱(chēng)其為優(yōu)勢(shì)地勢(shì), 在海灘垃圾治理中, 應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注這些優(yōu)勢(shì)地區(qū), 提供針對(duì)性的措施。

大小分布上, 對(duì)于所有區(qū)域, 數(shù)量上, 中型垃圾和小型垃圾是優(yōu)勢(shì)類(lèi)型; 面積上, 大型垃圾和特大型垃圾是優(yōu)勢(shì)類(lèi)型。值得注意的是, 與近岸區(qū)、中間區(qū)以及全域相比, 遠(yuǎn)岸區(qū)小型垃圾的數(shù)量比例明顯較低, 作者推測(cè)這是由于遠(yuǎn)岸區(qū)接近海水, 部分小型垃圾在潮汐的作用下被沖刷到海洋中(Prevenioset al,2018)。從類(lèi)型上來(lái)看, 與其他國(guó)內(nèi)外針對(duì)海灘垃圾的研究結(jié)果一樣, 塑料類(lèi)垃圾占據(jù)主導(dǎo)地位。顏色分布上, 白色、綠色、藍(lán)色、黑色、紅色占據(jù)主要地位, 顏色與垃圾類(lèi)型相關(guān), 可為揭示垃圾的來(lái)源提供幫助(Beheraet al, 2021)。海灘塑料類(lèi)垃圾是海洋微塑料的重要來(lái)源, 一項(xiàng)針對(duì)微塑料的研究中觀察到了6 種顏色的微塑料, 頻率最多的顏色為紅色、白色、黃色、藍(lán)色、綠色, 研究人員推測(cè)微塑料顆粒多樣的顏色對(duì)海洋生物可能很有吸引力, 從而增加了他們對(duì)微塑料的攝入(Paleret al, 2019)。

清潔度高的海灘背景顏色是十分單一的, 在這樣的背景下, 各類(lèi)顏色的垃圾絕大部分具有明顯的邊界(Jakovljevicet al, 2020)(這也是通過(guò)占有的像素來(lái)表征垃圾大小的依據(jù)之一), 在低空拍攝圖像中,顏色海灘垃圾最為直觀的特征。自動(dòng)化識(shí)別檢測(cè)圖像中的垃圾碎片是未來(lái)的研究方向, 顏色可以作為圖像中垃圾的“指示”特征(Laverset al, 2016)。實(shí)現(xiàn)垃圾與海灘背景的分離, 建立特定的感興趣區(qū)域(region of interest, ROI)是計(jì)算機(jī)對(duì)圖中的垃圾進(jìn)行“自動(dòng)解釋”(automatic interpretation)的首要環(huán)節(jié), 顏色差異使垃圾與海灘背景之間產(chǎn)生了明顯的邊界, 有利于構(gòu)建有效的ROI 區(qū)(Baoet al, 2018)。并且, 顏色區(qū)域的面積可以表征垃圾的面積(Kakoet al, 2012), 結(jié)合深度學(xué)習(xí)手段, 通過(guò)顏色提取區(qū)域面積(Hidakaet al,2022), 從而實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、定量海灘垃圾,進(jìn)一步提高效率。

從作者大量的現(xiàn)場(chǎng)踏勘經(jīng)驗(yàn)來(lái)看, 青島市各個(gè)海灘均存在大量的紙類(lèi)、玻璃類(lèi)垃圾, 以及煙頭[吸煙用品是在西北太平洋組織(NOWPAP)的統(tǒng)計(jì)方法中垃圾來(lái)源的一項(xiàng)大類(lèi)]。本次調(diào)查未發(fā)現(xiàn)紙類(lèi)垃圾以及煙頭, 僅發(fā)現(xiàn)極少的玻璃垃圾, 這是由于紙類(lèi)和玻璃在海灘上的留存狀態(tài)多是碎屑、碎片式的, 和煙頭一樣, 非常小, 很難被無(wú)人機(jī)鏡頭“觀察”到(Leeet al,2016)。使用更高素質(zhì)的鏡頭使地面分辨率達(dá)到亞厘米級(jí)能有效解決這個(gè)問(wèn)題(Hanet al, 2017), 或者使用小型消費(fèi)級(jí)無(wú)人機(jī)在較低的飛行高度下(5～20 m)輔助調(diào)查(Loet al, 2020; Andrioloet al, 2021; Taddiaet al, 2021)。此外, 現(xiàn)場(chǎng)存在少量垃圾被礁石、植物等地表物體遮蓋而無(wú)法辨識(shí), 但這些垃圾絕大部分是小型垃圾碎片, 并且整體上存量很少, 對(duì)本研究的調(diào)查結(jié)果影響非常小。

已有的報(bào)道主要基于數(shù)量和質(zhì)量?jī)煞N指標(biāo)來(lái)研究海灘垃圾, 本研究引入面積來(lái)表征垃圾的大小和豐度。Sydes 等(1981)的研究指出, 從凋落物對(duì)草本植物的產(chǎn)量影響結(jié)果來(lái)看, 凋落物的表面積是比凋落物的重量更重要的影響因素。對(duì)于海灘垃圾而言, 占地面積或許是比數(shù)量和質(zhì)量更重要的指標(biāo)。1 顆2 cm左右玻璃球的質(zhì)量約等于10～20 個(gè)普通塑料袋的質(zhì)量, 從人文角度來(lái)講, 后者引起的視覺(jué)沖擊與視覺(jué)污染遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前者, 從生態(tài)角度來(lái)說(shuō), 10～20 個(gè)塑料袋對(duì)海洋環(huán)境以及海洋生物的潛在危害也遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于同等質(zhì)量的1 顆玻璃球。金屬類(lèi)、木制品類(lèi)、橡膠類(lèi)垃圾與塑料類(lèi)垃圾之間的對(duì)比也是如此。已有的海灘垃圾研究也都表明, 海灘垃圾類(lèi)型多樣且塑料類(lèi)垃圾占優(yōu)勢(shì)地位, 因此, 在海灘管理工作以及科學(xué)研究中,垃圾的面積/面積密度與重量相比是更實(shí)用更重要的指標(biāo)。常規(guī)的人工調(diào)查方法要想測(cè)量垃圾的占地面積是極其困難且不現(xiàn)實(shí)的, 因此目前也幾乎沒(méi)有關(guān)于海灘垃圾的占地面積資料。根據(jù)我們的研究, 無(wú)人機(jī)低空拍攝方法是獲取垃圾占地面積的有力工具, 為海灘垃圾的定量提供了新的角度, 結(jié)合數(shù)量、質(zhì)量資料可以對(duì)海灘垃圾豐度進(jìn)行更客觀的評(píng)估。

本研究通過(guò)無(wú)人機(jī)開(kāi)展對(duì)海灘垃圾的全覆蓋調(diào)查, 結(jié)果表明, 無(wú)人機(jī)低空拍攝調(diào)查海灘垃圾具有極大的可行性與優(yōu)越性, 本次使用無(wú)人機(jī)對(duì)石雀灘垃圾的航拍實(shí)際覆蓋的海灘面積約為30 萬(wàn)m2, 圖像采集實(shí)際耗時(shí)僅為40 min, 后續(xù)對(duì)垃圾的認(rèn)定與分類(lèi)、垃圾的豐度評(píng)估均在室內(nèi)完成。與在現(xiàn)場(chǎng)的人工調(diào)查方法相比, 效率得到了極大的提高(Martinet al,2021), 另外也避免了海灘垃圾潛在的對(duì)人體的污染影響。獲取了石雀灘垃圾的數(shù)量與占地面積資料, 基于空間、大小、類(lèi)型、顏色以及來(lái)源討論了海灘垃圾的分布特征, 為管理部門(mén)制定針對(duì)性治理措施提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。高分辨率的低空航拍圖像使得該方法可以監(jiān)測(cè)到海灘上的大部分垃圾, 并且該方法的學(xué)習(xí)門(mén)檻低, 作業(yè)方式靈活, 流程簡(jiǎn)單, 數(shù)據(jù)采集的過(guò)程大部分為自動(dòng)化步驟, 能夠進(jìn)行快速、高頻次的飛行部署(Martinet al, 2018), 為海灘垃圾碎片的長(zhǎng)期觀測(cè)計(jì)劃提供了新方法(Merlinoet al, 2020)。

4 結(jié)論

(1) 石雀灘的垃圾在空間分布上具有差異性, 近岸區(qū)垃圾的豐度顯著大于中間區(qū)與遠(yuǎn)岸區(qū); 地勢(shì)條件是影響垃圾空間分布的重要因素, 海灘內(nèi)存在“優(yōu)勢(shì)”地勢(shì), 對(duì)垃圾有一定的截留作用。

(2) 石雀灘內(nèi), 小型、中型垃圾在數(shù)量上占優(yōu),大型、特大型垃圾在面積上占比較高; 塑料類(lèi)垃圾占據(jù)主要地位; 白色、綠色、藍(lán)色、黑色、紅色是石雀灘垃圾的主要色調(diào); 人類(lèi)海岸活動(dòng)和航運(yùn)/漁業(yè)類(lèi)活動(dòng)是石雀灘垃圾的主要來(lái)源。

(3) 不同類(lèi)型垃圾的影響力、危害程度不同, 不能僅通過(guò)數(shù)量與質(zhì)量來(lái)評(píng)估垃圾的豐度, 引入面積來(lái)表征垃圾的量可以獲得更客觀的評(píng)價(jià)。

(4) 無(wú)人機(jī)低空拍攝方法監(jiān)測(cè)海灘垃圾效率高、成本低、流程簡(jiǎn)單, 可以進(jìn)行快速、高頻次的部署, 具有極大的優(yōu)越性, 可以廣泛推廣應(yīng)用到海灘管理工作與科學(xué)研究中。