土壤重金屬污染高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法

土壤重金屬污染高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法摘要：近些年，土壤重金屬污染非常重要，在威脅生態(tài)環(huán)境安全的同時(shí)，也非常不利于人類健康。高光譜遙感技術(shù)在土壤重金屬含量監(jiān)測(cè)時(shí)進(jìn)行應(yīng)用，可以快速的獲取結(jié)果，能夠?yàn)橥寥乐亟饘傥廴痉乐喂ぷ鞯拈_(kāi)展，提供一些數(shù)據(jù)支持。文本從三個(gè)方面對(duì)土壤重金屬污染中高光譜遙感檢測(cè)方法進(jìn)行討論，對(duì)技術(shù)概述、檢測(cè)方法以及反模型建立進(jìn)行了總結(jié)，能夠有效幫助土壤重金屬污染防治工作的高效開(kāi)展。關(guān)鍵詞：土壤重金屬污染；高光譜遙感檢測(cè)；要點(diǎn)引言針對(duì)土壤重金屬污染程度進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法，是從土壤中取樣，然后對(duì)樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析，進(jìn)而可以科學(xué)、精確的確定土壤中的重金屬元素含量，這種檢測(cè)方法環(huán)節(jié)多，并且會(huì)消耗較長(zhǎng)的時(shí)間，所以會(huì)消耗較多的成本，并且不能獲取大范圍內(nèi)的土壤重金屬污染物含量。而高光譜遙感技術(shù)具有快速、宏觀等特點(diǎn)，可以科學(xué)、精確的檢測(cè)地物信息，所以，這種技術(shù)在壤重金屬污染檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)十分明顯。1高光譜遙感概述高光譜遙感技術(shù)，還叫作321成像光譜遙感技術(shù)，這種技術(shù)十分先進(jìn)。其主要是利用光譜技術(shù)和成像技術(shù)，來(lái)完成目標(biāo)物體的監(jiān)測(cè)，并且監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)十分準(zhǔn)確，獲取的光譜信息窄且連續(xù)，光譜所覆蓋的范圍也比較廣，從電磁波的紫外波段一直到熱紅外波段都在覆蓋范圍之內(nèi)。高光譜遙感技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，表現(xiàn)出光譜范圍寬、光譜分辨率高等特點(diǎn)，所以，在地物進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)效果十分精準(zhǔn)。在信息技術(shù)不斷發(fā)展背景下，高光譜遙感技術(shù)在土壤重金屬監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中進(jìn)行廣泛應(yīng)用[1]。2土壤重金屬污染高光譜遙感監(jiān)測(cè)方法土壤中所含有的重金屬元素，都是微量元素，這些重金屬元素在對(duì)土壤進(jìn)行光譜檢測(cè)時(shí)，很難顯示出來(lái)，所以，在針對(duì)土壤重金屬元素進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，如果直接采取光譜法進(jìn)行分析，那么很難直接確定土壤中的重金屬元素含量。所以，目前針對(duì)土壤重金屬元素污染情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，可以利用重金屬元素和其他物質(zhì)進(jìn)行吸附的性質(zhì)，并且重金屬元素還會(huì)給植被帶來(lái)一定的威脅，利用重金屬元素的這些特性，來(lái)對(duì)重金屬元素進(jìn)行間接監(jiān)測(cè)，確定出土壤被重金屬的污染程度。高光譜遙感對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，主要是通過(guò)兩個(gè)方法，一種是先分析土壤光譜和重金屬元素間的關(guān)系，根據(jù)關(guān)系來(lái)確定重金屬元素的含量；另一種是先分析重金屬污染脅迫植被的光譜信息，結(jié)合光譜信息來(lái)分析土壤中的重金屬元素含量。2.1土壤光譜分析法預(yù)測(cè)重金屬含量土壤中含有的元素比較多，有些重金屬元素是微量元素，這使得對(duì)土壤光譜分析時(shí)，不能直接確定土壤中的重金屬含量，但是由于土壤中包括一些黏土礦物等成分，這些成分和重金屬元素之間存在吸附的關(guān)系，所以，重金屬元素對(duì)土壤的光譜會(huì)產(chǎn)生一定的影響，根據(jù)光譜的影響情況，來(lái)確定光譜的反射特點(diǎn)，進(jìn)而確定出土壤中的重金屬元素和黏土間的比例關(guān)系，進(jìn)而來(lái)推算出重金屬元素的含量。土壤光譜分析法主要是對(duì)土壤進(jìn)行分析，然后確定其中的重金屬含量，通常情況下，是從野外的土壤進(jìn)行樣品監(jiān)測(cè)，進(jìn)行光譜分析，結(jié)合光譜的特征，針對(duì)光譜做斷點(diǎn)修復(fù)、平滑等預(yù)處理，然后將正常的土壤光譜進(jìn)行變換之后，通過(guò)對(duì)兩種指標(biāo)作對(duì)比，可以確定土壤中的重金屬元素和光譜指標(biāo)的關(guān)系，然后確定出一個(gè)回歸模型，利用這個(gè)模型來(lái)分析土壤中的重金屬元素含量。解憲麗等人在2007年采取土壤光譜分析法來(lái)預(yù)測(cè)重金屬含量，針對(duì)銅冶煉廠污染區(qū)進(jìn)行土壤監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)土壤中含有銅、鋅、鎳、鐵、錳等金屬元素，這些金屬元素和土壤可見(jiàn)光之間存在一定的相關(guān)關(guān)系，這是因?yàn)橥寥乐泻幸欢康酿ね?、有機(jī)物質(zhì)，能夠和重金屬元素之間相互吸附，進(jìn)而這些重金屬元素在和有機(jī)物質(zhì)吸附之后，會(huì)影響土壤的光譜信息[2]。李瓊瓊等人在2019年在室外采集一些土壤樣本，來(lái)對(duì)土壤的光譜信息進(jìn)行詳細(xì)的分析，然后采取偏最小二乘法，設(shè)計(jì)出一個(gè)反演模型，然后可以監(jiān)測(cè)出土壤中Cu、Pb、Zn等元素的含量。這些重金屬元素中，Pb元素的含量最高，R2=0.77，RMSE=7.66，由此可見(jiàn)這個(gè)反演模型的預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確。王金鳳等人在2019年在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室中，對(duì)土壤高光譜數(shù)據(jù)做詳細(xì)的分析，之后采取逐步回歸方法，開(kāi)分析土壤中與鐵氧化物、有機(jī)質(zhì)、黏土礦物等物質(zhì)的光譜變量，分別是580、810、1410、1910、2160、2260、2270、2350、2430nm，然后采取偏最小二乘等方法，設(shè)計(jì)出Zn元素含量反演模型，最后確定隨機(jī)森立模型反演精度相對(duì)較高，能夠準(zhǔn)確反演出該地區(qū)土壤中的鋅元素含量。以上研究都是在實(shí)驗(yàn)室中，完成土壤高光譜數(shù)據(jù)的研究工作，由于實(shí)驗(yàn)室條件和室外條件相比，會(huì)比較好，不會(huì)被外界所影響，所以在對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，條件相對(duì)一致，在研究時(shí)，重點(diǎn)都是在選擇建模方法，所以在實(shí)驗(yàn)室中利用土壤光譜直接分析土壤重金屬含量，相對(duì)比較成熟，但是由于檢測(cè)的土壤的范圍和數(shù)量比較有限，所以，想要實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的土壤重金屬元素監(jiān)測(cè)目標(biāo)，存在較大的困難。2.2植被光譜分析法預(yù)測(cè)重金屬含量唐鵬等人經(jīng)過(guò)一定的研究得到結(jié)論，土壤中含有重金屬元素時(shí)，會(huì)對(duì)土壤中生長(zhǎng)的植物的生理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響，尤其是會(huì)給在植物的葉綠素合成時(shí)，產(chǎn)生一定的影響，進(jìn)而使得植物的光譜特征出現(xiàn)變化。張志斌等人，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的植被被重金屬元素威脅之后，植被葉片中的葉綠素含量會(huì)相對(duì)比較低，在進(jìn)行322植被波普檢測(cè)時(shí)，“紅邊位置”會(huì)發(fā)生邊改，出現(xiàn)“藍(lán)移”的問(wèn)題。鄔登巍等人通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)這樣一個(gè)結(jié)論，“紅邊位置”植被指數(shù)等展示的是土壤中植被的一種生長(zhǎng)狀態(tài)的重要參考。土壤中的重金屬元素如果對(duì)植被產(chǎn)生污染，就會(huì)使得光譜特征發(fā)生變化，植被的生長(zhǎng)狀態(tài)的參數(shù)也會(huì)出現(xiàn)較大的變化，因此，可以對(duì)植被的光譜進(jìn)行分析，進(jìn)而來(lái)推測(cè)出土壤中的重金屬元素含量。植被光譜分析法在對(duì)土壤中重金屬元素含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，主要先確定對(duì)被重金屬元素影響的植被葉片的葉綠素含量進(jìn)行分析，確定植被的紅邊位置以及植物的生長(zhǎng)指數(shù)，然后分析植被中的葉綠素含量，根據(jù)土壤重金屬含量對(duì)植被的葉綠素影響關(guān)系，來(lái)構(gòu)建重金屬含量的反演模型，確定出土壤被重金屬污染的程度[3]。于慶等人通過(guò)使用FieldSpecHH便攜式手持地物光譜儀，來(lái)針對(duì)土壤中的綠植進(jìn)行分析，并結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果，設(shè)計(jì)出土壤中微量元素的反演模型，進(jìn)而分析出重金屬在土壤中的分布情況。楊靈玉等人在2016年針對(duì)土壤中的重金屬含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，主要是使用Hyperion高光譜影像技術(shù)，來(lái)對(duì)植被進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果，確定出土壤中的重金屬Zn和Cd含量的估算模型，進(jìn)而推演出土壤中的重金屬元素含量，確定出土壤被重金屬元素污染的程度。地面實(shí)測(cè)光譜技術(shù)在應(yīng)用中，具有科學(xué)精準(zhǔn)度高等特點(diǎn)，因此，利用這種技術(shù)進(jìn)行土壤重金屬含量監(jiān)測(cè)時(shí)，主要是對(duì)地面的實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。然而，因?yàn)橹脖辉诟吖庾V影像上，會(huì)表現(xiàn)出不同的特征，所以，利用高光譜影像來(lái)進(jìn)行土壤受重金屬元素污染程度監(jiān)測(cè)時(shí)，具有數(shù)據(jù)獲取速度快、覆蓋面積廣的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)載和星載高光譜監(jiān)測(cè)技術(shù)，在獲取數(shù)據(jù)之后，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如噪聲去除大氣校正等，將外界的環(huán)境因素所帶來(lái)的影響控制在最低。高光譜影像數(shù)據(jù)在進(jìn)行處理之后，能夠和實(shí)測(cè)光譜數(shù)據(jù)共同應(yīng)用，完成對(duì)土壤重金屬污染程度的監(jiān)測(cè)，但是實(shí)際應(yīng)用時(shí)，高光譜影像預(yù)測(cè)精度會(huì)相對(duì)比較低。李建龍等人利用高光譜技術(shù)來(lái)對(duì)農(nóng)田土壤重金屬的CaCl2含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得到結(jié)論：水稻CaCl2提取態(tài)的金屬，會(huì)受到一定濃度的CaCl2提取態(tài)重金屬的影響，結(jié)合水稻葉片高光譜數(shù)據(jù)的PLSR模型，能夠構(gòu)建出一個(gè)反演模型，確定土壤中CaCl2提取態(tài)重金屬含量的能力（圖1，圖2），進(jìn)而獲取一些數(shù)據(jù)，進(jìn)行詳細(xì)的分析，同時(shí)構(gòu)建一個(gè)模型：圖1.農(nóng)田土壤中提取態(tài)鎘Cd（a）和提取態(tài)鉛Pb(b)與作物葉片光譜（原始光譜、一階微分光譜和二階微分光譜）的相關(guān)性分析結(jié)果圖2.重金屬鎘CaCl2提取態(tài)（a）和鉛CaCl2提取態(tài)（b）含量測(cè)定值與預(yù)測(cè)值的相關(guān)關(guān)系利用高光譜數(shù)據(jù)對(duì)土壤中的CaCl2進(jìn)行分析，并對(duì)其中的態(tài)重金屬含量，構(gòu)建了線性關(guān)系，研究大規(guī)模農(nóng)田土壤重污染治理與災(zāi)害預(yù)報(bào)提供了新思路。3反演模型的建立3.1光譜處理賀軍亮等人，在2015年研究發(fā)現(xiàn)，土壤中的背景光具有較強(qiáng)的信號(hào)，并且光譜噪聲較大，因此，在實(shí)際開(kāi)展數(shù)據(jù)采集工作時(shí)，很容易被周圍環(huán)境以及一些人為因素所影響，使得光譜數(shù)據(jù)中，包括一些噪聲，對(duì)光譜的特征產(chǎn)生明顯的影響。所以，在采取土壤光譜數(shù)據(jù)技術(shù)，針對(duì)土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)該在分析重金屬含量之前，做好高光譜數(shù)據(jù)的處理工作，最大程度降低背景、噪聲所帶來(lái)的影響[4]。(1)光譜預(yù)處理光譜預(yù)處理工作，是為了保證光譜數(shù)據(jù)采集的效果，有效控制一些額外因素所帶來(lái)的噪聲。通常情況下，會(huì)使用斷點(diǎn)修正、平滑處理、重采樣、基線校正等方式來(lái)進(jìn)行光譜預(yù)處理。。斷點(diǎn)修正主要指的是，在使用地物光譜儀來(lái)收集土壤光譜數(shù)據(jù)時(shí)，需要多個(gè)元件一起工作，這時(shí)候就會(huì)存在一些誤差，通過(guò)斷點(diǎn)修正，能夠有效控制誤差；平滑處理主要是控制噪聲對(duì)反演模型所帶來(lái)的影響；重采樣能夠使得數(shù)據(jù)之間保持簡(jiǎn)單化；基線校正主要是有效解決基線的偏移等問(wèn)題，避免土壤顆粒不一所帶來(lái)的影響。(2)光譜變換光譜變換處理主要是為了將背景噪聲所帶來(lái)的影響降到最低，有效增加重金屬元素在光譜中的反應(yīng)。常用的方式有三種：光譜微分技術(shù)可以有效控制環(huán)境對(duì)光譜的干擾程度，進(jìn)而將重金屬元素的光譜信息進(jìn)行突出，進(jìn)而可以大大提升反演模型的精準(zhǔn)度；倒數(shù)的對(duì)數(shù)主要是為了將光譜的差異性更好的展現(xiàn)出來(lái)，避免隨機(jī)因素所帶來(lái)的影響；連續(xù)統(tǒng)去除能夠?qū)⒐庾V曲線的吸收和反射特征較明顯的展現(xiàn)出來(lái)，進(jìn)而使得重金屬的相關(guān)性更加明顯。3.2特征波段選擇土壤金屬采集涉及的范圍相對(duì)較廣，從可見(jiàn)光一直到熱紅外區(qū)域，波段不僅窄而且多，所以在實(shí)際監(jiān)測(cè)分析時(shí)，要對(duì)波動(dòng)做好篩選，然后確定出和重金屬含量相關(guān)的關(guān)系，進(jìn)而構(gòu)建出一個(gè)模型，一般都是以土壤重金屬含量和反射率之間的關(guān)系為依據(jù)，利用逐步回歸算法來(lái)選擇特征波段。經(jīng)過(guò)光譜變換處理之后，光譜曲線相對(duì)原始的光譜曲線，能夠提取出光譜特征波段。結(jié)束語(yǔ)本文從三個(gè)方面對(duì)土壤重金屬污染高光譜遙感監(jiān)測(cè)內(nèi)容進(jìn)行討論，從中可以發(fā)現(xiàn)，高光譜遙感檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)土壤金屬污染防治中發(fā)揮著非常重要的作用，其未來(lái)的應(yīng)用前景非常廣闊，對(duì)其進(jìn)行討論和研究，能夠?yàn)槲覈?guó)土壤治理工作提供更多的支持和思路。參考文獻(xiàn)[1]成永生,周瑤.土壤重金屬高光譜遙感定量監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展與趨勢(shì)[J].中