土壤重金屬污染高光譜遙感監(jiān)測方法

土壤重金屬污染高光譜遙感監(jiān)測方法摘要：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，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)測時進行應用，可以快速的獲取結(jié)果，能夠為土壤重金屬污染防治工作的開展，提供一些數(shù)據(jù)支持。文本從三個方面對土壤重金屬污染中高光譜遙感檢測方法進行討論，對技術(shù)概述、檢測方法以及反模型建立進行了總結(jié)，能夠有效幫助土壤重金屬污染防治工作的高效開展。關鍵詞：土壤重金屬污染；高光譜遙感檢測；要點引言針對土壤重金屬污染程度進行檢測時，傳統(tǒng)的檢測方法，是從土壤中取樣，然后對樣品進行化學成分分析，進而可以科學、精確的確定土壤中的重金屬元素含量，這種檢測方法環(huán)節(jié)多，并且會消耗較長的時間，所以會消耗較多的成本，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，可以科學、精確的檢測地物信息，所以，這種技術(shù)在壤重金屬污染檢測領域應用的優(yōu)勢十分明顯。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。其主要是利用光譜技術(shù)和成像技術(shù)，來完成目標物體的監(jiān)測，并且監(jiān)測的數(shù)據(jù)十分準確，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)在應用過程中，表現(xiàn)出光譜范圍寬、光譜分辨率高等特點，所以，在地物進行監(jiān)測時，監(jiān)測效果十分精準。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)測領域中進行廣泛應用[1]。2土壤重金屬污染高光譜遙感監(jiān)測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土壤進行光譜檢測時，很難顯示出來，所以，在針對土壤重金屬元素進行監(jiān)測時，如果直接采取光譜法進行分析，那么很難直接確定土壤中的重金屬元素含量。所以，目前針對土壤重金屬元素污染情況進行監(jiān)測時，可以利用重金屬元素和其他物質(zhì)進行吸附的性質(zhì)，并且重金屬元素還會給植被帶來一定的威脅，利用重金屬元素的這些特性，來對重金屬元素進行間接監(jiān)測，確定出土壤被重金屬的污染程度。高光譜遙感對土壤重金屬污染進行監(jiān)測時，主要是通過兩個方法，一種是先分析土壤光譜和重金屬元素間的關系，根據(jù)關系來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)合光譜信息來分析土壤中的重金屬元素含量。2.1土壤光譜分析法預測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，這使得對土壤光譜分析時，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系，所以，重金屬元素對土壤的光譜會產(chǎn)生一定的影響，根據(jù)光譜的影響情況，來確定光譜的反射特點，進而確定出土壤中的重金屬元素和黏土間的比例關系，進而來推算出重金屬元素的含量。土壤光譜分析法主要是對土壤進行分析，然后確定其中的重金屬含量，通常情況下，是從野外的土壤進行樣品監(jiān)測，進行光譜分析，結(jié)合光譜的特征，針對光譜做斷點修復、平滑等預處理，然后將正常的土壤光譜進行變換之后，通過對兩種指標作對比，可以確定土壤中的重金屬元素和光譜指標的關系，然后確定出一個回歸模型，利用這個模型來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預測重金屬含量，針對銅冶煉廠污染區(qū)進行土壤監(jiān)測，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光之間存在一定的相關關系，這是因為土壤中含有一定量的黏土、有機物質(zhì)，能夠和重金屬元素之間相互吸附，進而這些重金屬元素在和有機物質(zhì)吸附之后，會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，來對土壤的光譜信息進行詳細的分析，然后采取偏最小二乘法，設計出一個反演模型，然后可以監(jiān)測出土壤中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，由此可見這個反演模型的預測比較準確。王金鳳等人在2019年在室內(nèi)實驗室中，對土壤高光譜數(shù)據(jù)做詳細的分析，之后采取逐步回歸方法，開分析土壤中與鐵氧化物、有機質(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，設計出Zn元素含量反演模型，最后確定隨機森立模型反演精度相對較高，能夠準確反演出該地區(qū)土壤中的鋅元素含量。以上研究都是在實驗室中，完成土壤高光譜數(shù)據(jù)的研究工作，由于實驗室條件和室外條件相比，會比較好，不會被外界所影響，所以在對光譜數(shù)據(jù)進行處理時，條件相對一致，在研究時，重點都是在選擇建模方法，所以在實驗室中利用土壤光譜直接分析土壤重金屬含量，相對比較成熟，但是由于檢測的土壤的范圍和數(shù)量比較有限，所以，想要實現(xiàn)大范圍內(nèi)的土壤重金屬元素監(jiān)測目標，存在較大的困難。2.2植被光譜分析法預測重金屬含量唐鵬等人經(jīng)過一定的研究得到結(jié)論，土壤中含有重金屬元素時，會對土壤中生長的植物的生理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響，尤其是會給在植物的葉綠素合成時，產(chǎn)生一定的影響，進而使得植物的光譜特征出現(xiàn)變化。張志斌等人，經(jīng)過研究發(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相對比較低，在進行322植被波普檢測時，“紅邊位置”會發(fā)生邊改，出現(xiàn)“藍移”的問題。鄔登巍等人通過研究，發(fā)現(xiàn)這樣一個結(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狀態(tài)的重要參考。土壤中的重金屬元素如果對植被產(chǎn)生污染，就會使得光譜特征發(fā)生變化，植被的生長狀態(tài)的參數(shù)也會出現(xiàn)較大的變化，因此，可以對植被的光譜進行分析，進而來推測出土壤中的重金屬元素含量。植被光譜分析法在對土壤中重金屬元素含量進行監(jiān)測時，主要先確定對被重金屬元素影響的植被葉片的葉綠素含量進行分析，確定植被的紅邊位置以及植物的生長指數(shù)，然后分析植被中的葉綠素含量，根據(jù)土壤重金屬含量對植被的葉綠素影響關系，來構(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]。于慶等人通過使用FieldSpecHH便攜式手持地物光譜儀，來針對土壤中的綠植進行分析，并結(jié)合監(jiān)測結(jié)果，設計出土壤中微量元素的反演模型，進而分析出重金屬在土壤中的分布情況。楊靈玉等人在2016年針對土壤中的重金屬含量進行監(jiān)測時，主要是使用Hyperion高光譜影像技術(shù)，來對植被進行監(jiān)測，結(jié)合監(jiān)測結(jié)果，確定出土壤中的重金屬Zn和Cd含量的估算模型，進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。地面實測光譜技術(shù)在應用中，具有科學精準度高等特點，因此，利用這種技術(shù)進行土壤重金屬含量監(jiān)測時，主要是對地面的實測光譜數(shù)據(jù)進行收集。然而，因為植被在高光譜影像上，會表現(xiàn)出不同的特征，所以，利用高光譜影像來進行土壤受重金屬元素污染程度監(jiān)測時，具有數(shù)據(jù)獲取速度快、覆蓋面積廣的優(yōu)點。機載和星載高光譜監(jiān)測技術(shù)，在獲取數(shù)據(jù)之后，還需要進行數(shù)據(jù)處理，如噪聲去除大氣校正等，將外界的環(huán)境因素所帶來的影響控制在最低。高光譜影像數(shù)據(jù)在進行處理之后，能夠和實測光譜數(shù)據(jù)共同應用，完成對土壤重金屬污染程度的監(jiān)測，但是實際應用時，高光譜影像預測精度會相對比較低。李建龍等人利用高光譜技術(shù)來對農(nóng)田土壤重金屬的CaCl2含量進行監(jiān)測，經(jīng)過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得到結(jié)論：水稻CaCl2提取態(tài)的金屬，會受到一定濃度的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），進而獲取一些數(shù)據(jù)，進行詳細的分析，同時構(gòu)建一個模型：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）含量測定值與預測值的相關關系利用高光譜數(shù)據(jù)對土壤中的CaCl2進行分析，并對其中的態(tài)重金屬含量，構(gòu)建了線性關系，研究大規(guī)模農(nóng)田土壤重污染治理與災害預報提供了新思路。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的信號，并且光譜噪聲較大，因此，在實際開展數(shù)據(jù)采集工作時，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)，針對土壤重金屬污染監(jiān)測時，應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、噪聲所帶來的影響[4]。(1)光譜預處理光譜預處理工作，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的噪聲。通常情況下，會使用斷點修正、平滑處理、重采樣、基線校正等方式來進行光譜預處理。。斷點修正主要指的是，在使用地物光譜儀來收集土壤光譜數(shù)據(jù)時，需要多個元件一起工作，這時候就會存在一些誤差，通過斷點修正，能夠有效控制誤差；平滑處理主要是控制噪聲對反演模型所帶來的影響；重采樣能夠使得數(shù)據(jù)之間保持簡單化；基線校正主要是有效解決基線的偏移等問題，避免土壤顆粒不一所帶來的影響。(2)光譜變換光譜變換處理主要是為了將背景噪聲所帶來的影響降到最低，有效增加重金屬元素在光譜中的反應。常用的方式有三種：光譜微分技術(shù)可以有效控制環(huán)境對光譜的干擾程度，進而將重金屬元素的光譜信息進行突出，進而可以大大提升反演模型的精準度；倒數(shù)的對數(shù)主要是為了將光譜的差異性更好的展現(xiàn)出來，避免隨機因素所帶來的影響；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，進而使得重金屬的相關性更加明顯。3.2特征波段選擇土壤金屬采集涉及的范圍相對較廣，從可見光一直到熱紅外區(qū)域，波段不僅窄而且多，所以在實際監(jiān)測分析時，要對波動做好篩選，然后確定出和重金屬含量相關的關系，進而構(gòu)建出一個模型，一般都是以土壤重金屬含量和反射率之間的關系為依據(jù)，利用逐步回歸算法來選擇特征波段。經(jīng)過光譜變換處理之后，光譜曲線相對原始的光譜曲線，能夠提取出光譜特征波段。結(jié)束語本文從三個方面對土壤重金屬污染高光譜遙感監(jiān)測內(nèi)容進行討論，從中可以發(fā)現(xiàn)，高光譜遙感檢測技術(shù)在我國土壤金屬污染防治中發(fā)揮著非常重要的作用，其未來的應用前景非常廣闊，對其進行討論和研究，能夠為我國土壤治理工作提供更多的支持和思路。參考文獻[1]成永生,周瑤.土壤重金屬高光譜遙感定量監(jiān)測研究進展與趨勢[J].中