高光譜遙感技術(shù)在土壤重金屬含量測(cè)定領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展

章 瓊

（廣州城建職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510925）

高光譜遙感技術(shù)能夠克服傳統(tǒng)單光譜、多光譜遙感，在頻段、頻段和精細(xì)信息傳輸?shù)确矫婀逃械木窒扌?，以及遙感信息的范圍狹窄問(wèn)題，可從光譜空間進(jìn)行分離和識(shí)別，廣泛應(yīng)用于資源、環(huán)境、城市、生態(tài)等領(lǐng)域。應(yīng)用該方法測(cè)定土壤中重金屬含量，可獲得圖像中任何像素或像素組合，反映土壤中重金屬含量的光譜特征，并可通過(guò)計(jì)算機(jī)圖像處理快速識(shí)別。

1 高光譜遙感技術(shù)概述

1.1 概念

高光譜遙感又稱光譜遙感圖像，是一種先進(jìn)的遙感技術(shù)。光譜技術(shù)與成像技術(shù)相結(jié)合，可以連續(xù)獲取目標(biāo)的光譜信息和空間分布信息。光譜范圍包括電磁波的紫外線范圍到熱紅外范圍，高光譜遙感以頻譜寬、光譜分辨率高為特點(diǎn)，大大提高表層探測(cè)和物體識(shí)別能力，從而能夠?qū)ξ矬w類別進(jìn)行半定量和定量識(shí)別。近年來(lái)，在土壤重金屬控制領(lǐng)域已逐漸得到研究和應(yīng)用[1]。

1.2 特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的全色和多光譜遙感圖像相比，高光譜圖像具有以下特點(diǎn)：①圖像光譜儀的電磁波長(zhǎng)從可見(jiàn)光延伸到近紅外，而平均紅外和光譜分辨率達(dá)到納米層。②光譜信息與圖像的有機(jī)融合。在高光譜圖像中，每個(gè)像素對(duì)應(yīng)一條光譜曲線，所有數(shù)據(jù)都是具有空間圖像和光譜測(cè)量的光譜圖像立方體。③數(shù)據(jù)描述模型更靈活，更靈活。在高光譜圖像中，通常使用三種描述模型：圖像模型、頻譜模型和特征模型。④大量數(shù)據(jù)和冗余信息。光譜數(shù)據(jù)范圍廣，數(shù)據(jù)量大，波段間相關(guān)性大。

1.3 優(yōu)勢(shì)

隨著高光譜遙感光譜分辨率的提高，探測(cè)物體性質(zhì)信息的能力也隨之提高，與全色和多光譜遙感相比，具有以下顯著優(yōu)勢(shì)：①包含幾乎不間斷的物體光譜信息。重建光譜反照率后，高光譜圖像可根據(jù)地面測(cè)量接近大地水準(zhǔn)面連續(xù)光譜反照率曲線。實(shí)驗(yàn)室土壤光譜分析模型在遙感過(guò)程中的應(yīng)用。②表面覆蓋物識(shí)別能力明顯提高。高光譜數(shù)據(jù)能夠檢測(cè)具有診斷光譜吸收特性的物質(zhì)，并能準(zhǔn)確區(qū)分植被和覆蓋物的種類。③地形要素分類方法靈活多樣。圖像分類不僅可以基于貝葉斯識(shí)別方法、決策樹(shù)、支持向量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，還可以基于曲面特征對(duì)光譜數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較。光譜診斷特征以及特征選擇和提取可用于分類和識(shí)別。④能夠?qū)Φ匦我剡M(jìn)行定量或半定量分類和識(shí)別。在高光譜圖像中，可以估計(jì)各種物體的狀態(tài)參數(shù)，通過(guò)遙感提高定量分析的準(zhǔn)確性和可靠性[2]。

2 高光譜遙感技術(shù)在土壤重金屬含量測(cè)定領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 高空高光譜遙感技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

高光譜遙感具有成本低、節(jié)省時(shí)間以及應(yīng)用大規(guī)模監(jiān)測(cè)的優(yōu)勢(shì)。圖像分光計(jì)的出現(xiàn)使得遙感圖像的每個(gè)像素都能獲得幾乎連續(xù)的光譜數(shù)據(jù)；同時(shí)，近地空間地球遙感實(shí)踐為高光譜遙感方法的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，也有利于高光譜技術(shù)的研究和應(yīng)用。高頻光譜學(xué)方法用于確定對(duì)光譜數(shù)據(jù)影響較大的成分，如：水、有機(jī)物、氮、磷、鉀等。但在這種情況下，使用較低的高頻光譜方法來(lái)測(cè)定土壤中的重金屬含量。一方面由于土壤中重金屬含量低，又由于高空高頻遙感數(shù)據(jù)分辨率低，很難獲得重金屬反應(yīng)的光譜特征；另一方面，由于測(cè)量的高光譜遙感數(shù)據(jù)具有均勻-非均勻光譜、均勻-非均勻和混合光電池等復(fù)雜特性，需要大氣輻射校正、幾何校正、混合圖像分解、原始數(shù)據(jù)光譜分解等，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的重金屬含量數(shù)據(jù)，論證高光譜技術(shù)在高空應(yīng)用的可行性。

采用高光譜遙感法定量反演和計(jì)算土壤重金屬含量，一般選擇裸露地面面積或低植被覆蓋區(qū)。在研究點(diǎn)位于農(nóng)業(yè)區(qū)的情況下，將選擇收獲和種植之間的“終端期”進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)采集，以盡量減少地表植被對(duì)高光譜數(shù)據(jù)的影響。還可以利用植被光譜對(duì)土壤中重金屬含量進(jìn)行研究。從理論上講，這項(xiàng)技術(shù)是基于植物生長(zhǎng)在重金屬污染的環(huán)境中，其生物生態(tài)指標(biāo)發(fā)生變化并表現(xiàn)為光譜信息這一事實(shí)。通過(guò)適當(dāng)?shù)闹笜?biāo)可以間接評(píng)價(jià)土壤中重金屬的含量。目前這類研究主要用于農(nóng)業(yè)土壤監(jiān)測(cè)，獲取與組織光譜相關(guān)的光譜數(shù)據(jù)，建立土壤重金屬反演模型。這類研究的技術(shù)理論還不成熟，應(yīng)用相對(duì)較少。只有當(dāng)重金屬含量達(dá)到一定濃度時(shí)，對(duì)植物生長(zhǎng)的影響才會(huì)顯著。在土壤重金屬含量過(guò)低的情況下，根據(jù)植被光譜數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)土壤重金屬含量。此外，僅使用植被光譜數(shù)據(jù)無(wú)法確定重金屬的種類，需要土壤地球化學(xué)數(shù)據(jù)的支持。但植被光譜的研究拓展高光譜遙感技術(shù)的應(yīng)用范圍，為該技術(shù)的未來(lái)發(fā)展提供新的思路[3]。

2.2 近地高光譜遙感技術(shù)在土壤重金屬含量測(cè)定中的應(yīng)用

以前用于土壤重金屬含量測(cè)定的高光譜遙感是近地空間的高光譜遙感。該技術(shù)主要用于用土壤分光計(jì)測(cè)量室內(nèi)土壤樣品的光譜數(shù)據(jù)。光譜儀的測(cè)試范圍包括：紫外、可見(jiàn)光、近紅外和中紅外區(qū)。在內(nèi)部控制條件下，高光譜地球遙感技術(shù)可以有效地降低光譜背景變化和溫度、光輻射、大氣變化等環(huán)境因素的變化引起的額外散射變化的影響。此外，土壤中重金屬的光譜特性還取決于土壤顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)、濕度等。實(shí)驗(yàn)室工作可對(duì)待測(cè)土壤樣本進(jìn)行預(yù)磨、分揀和干燥，使土壤物理和化學(xué)性質(zhì)對(duì)光譜結(jié)果的影響最大化。由于環(huán)境因素對(duì)近地大光譜范圍的影響很小，因此很容易分析土壤成分的光譜特性。

在早期的研究中，利用該技術(shù)研究土壤中低含量重金屬元素與高含量元素之間的關(guān)系，為高光譜遙感技術(shù)在土壤重金屬含量測(cè)定中的應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)。隨著高光譜遙感方法理論基礎(chǔ)的穩(wěn)步加強(qiáng)，如何有效提高反演模型精度、提高測(cè)量精度的研究開(kāi)始。目前的重點(diǎn)是改進(jìn)頻譜預(yù)處理方法，選擇和優(yōu)化反演模型。頻譜間斷處理是利用頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行定性或定量分析之前的重要步驟，直接決定反演模型的準(zhǔn)確性[4]。

2.3 低空高光譜遙感技術(shù)在土壤重金屬含量測(cè)定中的應(yīng)用

低空遙感主要是通過(guò)無(wú)人平臺(tái)上的成像分光計(jì)進(jìn)行，該分光計(jì)可以獲得廣泛的高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù)。近年來(lái)，這個(gè)問(wèn)題備受關(guān)注。高光譜低空遙感與地球遙感技術(shù)相比，覆蓋范圍廣，節(jié)省時(shí)間；與高空高頻遙感方法相比，低空高頻頻譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)大氣和云層的依賴程度較低，更多地依賴于頻率范圍、更高的光譜分辨率以及更靈活的飛行軌跡和時(shí)間。此外，近地空間遙感和高空遙感技術(shù)的研究為發(fā)展低空高頻遙感提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，使其在初期階段相對(duì)成熟。近年來(lái)，它已成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前，高頻地球遙感已廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物監(jiān)測(cè)、水質(zhì)監(jiān)測(cè)、土壤侵蝕研究等領(lǐng)域。

3 高光譜遙感技術(shù)在土壤重金屬含量測(cè)定領(lǐng)域的應(yīng)用要點(diǎn)

3.1 植被光譜測(cè)定

土壤中的重金屬會(huì)影響植物的生理結(jié)構(gòu)，特別是葉綠素的合成，從而改變植物的光譜特性。當(dāng)植被暴露在重金屬中時(shí)，植被葉片葉綠素含量下降，導(dǎo)致植物的“紅色邊緣位置”（即“紅色邊緣位置”）而且植被指數(shù)是確定植被狀況的重要參數(shù)，重金屬污染對(duì)植被光譜特征和植被生長(zhǎng)參數(shù)的影響是植被分析預(yù)測(cè)重金屬污染的基礎(chǔ)。植被光譜分析通過(guò)測(cè)量地表土壤重金屬含量和植被落葉葉綠素含量，或通過(guò)生成植被狀態(tài)參數(shù)，如“紅邊緣排列”和植被指數(shù)，可以預(yù)測(cè)土壤重金屬含量。根據(jù)植被光譜特征，分析葉綠素含量或植被生長(zhǎng)參數(shù)與土壤重金屬含量的關(guān)系，模擬土壤重金屬含量反演，預(yù)測(cè)研究區(qū)域土壤重金屬污染[5]。

利用地面光譜儀采集的植物葉片高光譜反照率數(shù)據(jù)和葉片中葉綠素和重金屬含量的測(cè)定進(jìn)行預(yù)測(cè)模擬，是通過(guò)植被光譜分析預(yù)測(cè)重金屬污染的方法之一。便攜式表面光譜儀Field Spec HH可獲得典型灌溉區(qū)的光譜，建立Cr、Ni、Pb、Zn、Hg和CD元素的反演模型，以反演重金屬含量和空間分布。另一種方法是建立反演模型，根據(jù)飛機(jī)和恒星上的高頻頻譜不斷獲取地面受污染植被的光譜信息，實(shí)現(xiàn)土壤重金屬的實(shí)時(shí)、面積和來(lái)源的監(jiān)測(cè)?；蛘哂脽o(wú)人機(jī)搭載的HypessWir-384成像分光儀獲取高光譜圖像，并用便攜式地球光譜儀同步采集地面光譜數(shù)據(jù)，快速檢測(cè)土壤中的鎘。無(wú)人機(jī)的GS光譜具有控制土壤重金屬的能力，但預(yù)測(cè)精度低于ASD光譜。

土壤光譜數(shù)據(jù)具有范圍多、精度高的特點(diǎn)，利用植被光譜分析方法對(duì)土壤中重金屬含量的研究主要集中在地面測(cè)量光譜數(shù)據(jù)的分析上。由于植被對(duì)高光譜圖像的獨(dú)特反應(yīng)能力，加上高光譜圖像的快速?gòu)V泛，近年來(lái)對(duì)飛機(jī)和恒星高光譜圖像中重金屬含量的研究越來(lái)越多，而基于高光譜圖像的植物光譜分析方法已成為土壤重金屬含量反演研究的熱點(diǎn)。

3.2 土壤光譜測(cè)定

雖然重金屬是土壤中的微量元素，沒(méi)有可見(jiàn)的特性譜，但粘土礦物、土壤有機(jī)物等土壤成分往往與吸附或吸收有關(guān)。這些成分的存在使土壤光譜形態(tài)和反照率發(fā)生一定的變化，從而能夠呈現(xiàn)出土壤光譜線的具體反射特性。利用重金屬與這些組分之間的耦合，可以估計(jì)元素的含量。為評(píng)價(jià)土壤中重金屬含量，光譜分析采用實(shí)驗(yàn)室或田間條件下測(cè)定的斷點(diǎn)恢復(fù)、平滑和預(yù)處理后的土壤樣品光譜法，一次光譜與其數(shù)學(xué)變換的相關(guān)性，以及轉(zhuǎn)化后光譜指標(biāo)的比較，以實(shí)際土壤重金屬含量為例，并建立土壤重金屬濃度與光譜指示特性之間的最優(yōu)回歸模型，利用該模型對(duì)土壤重金屬含量進(jìn)行定量評(píng)價(jià)[6]。

土壤中銅、鉛、鋅、鈷、鎳、鐵、鎘、鉻和錳的含量對(duì)土壤的可見(jiàn)紅外反射光譜很重要。這是由于土壤成分如有機(jī)物、粘土礦物、鐵錳氧化物等的吸附作用。其他這些重金屬。通過(guò)土壤采樣、土壤光譜信息分析，采用最小二乘法建立銅、鉛、鋅土壤元素反演模型。PB元素反演最準(zhǔn)確，模型具有良好的預(yù)測(cè)能力，根據(jù)土壤的高光譜數(shù)據(jù)，還可通過(guò)分階段回歸法選擇有效光譜變量580、810、1410、1910、2160、2260、2270、2350、2430納米等。利用隨機(jī)林、支持向量、偏方等建立鋅元素含量反演模型，結(jié)果表明，基于二階微分變換的反演精度最高，是土壤鋅含量反演的最佳模型。

上述研究基于高土壤光譜的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)室獲得的土壤光譜數(shù)據(jù)受外界條件影響最小，光譜數(shù)據(jù)處理?xiàng)l件相對(duì)一致。研究的重點(diǎn)是建模方法的選擇。利用土壤實(shí)驗(yàn)室光譜直接分析土壤重金屬含量是目前土壤重金屬超光譜反演中最成熟的方法，但由于采樣土壤樣本的數(shù)量和范圍有限，很難利用實(shí)驗(yàn)室土壤光譜來(lái)監(jiān)測(cè)大規(guī)模重金屬污染。

4 高光譜遙感技術(shù)在土壤重金屬含量測(cè)定領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 調(diào)整測(cè)定模式

傳統(tǒng)的檢測(cè)方法需要在室外采樣和室內(nèi)進(jìn)行化學(xué)分析，不能事先防治，只能在土壤污染后進(jìn)行檢測(cè)；此外，它只能被無(wú)法大規(guī)模監(jiān)測(cè)的點(diǎn)所取代，因此是一種被動(dòng)的探測(cè)方法。高光譜遙感可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、物的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行三維監(jiān)測(cè)。它是一種主動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，有助于人們?cè)缙诎l(fā)現(xiàn)和管理、管理和控制。此外，還有從地面到航空航天平臺(tái)的多種高光譜遙感平臺(tái)，可在各級(jí)實(shí)時(shí)、快速、主動(dòng)地監(jiān)測(cè)土壤重金屬污染，而高光譜遙感將成為監(jiān)測(cè)日益嚴(yán)重的土壤重金屬污染的主要手段[7]。

4.2 結(jié)合多種技術(shù)

大規(guī)模土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)，將高光譜遙感與地理信息系統(tǒng)和定位系統(tǒng)相結(jié)合，利用地面便攜式光譜儀獲取土壤重金屬污染的光譜信息，利用生態(tài)學(xué)、分子生物學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和傳感器技術(shù)相結(jié)合的方法，對(duì)航空航天遙感和遙感以及重金屬污染進(jìn)行宏觀動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)，目前正在收集土壤重金屬污染的范圍、類型和深度的信息。以及建立用于早期探測(cè)和處理的大型現(xiàn)場(chǎng)三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這是未來(lái)土壤重金屬污染高光譜遙感監(jiān)測(cè)的主要趨勢(shì)。

4.3 應(yīng)用先進(jìn)設(shè)備

綜合監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室從化學(xué)檢測(cè)向化學(xué)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的轉(zhuǎn)變?yōu)楫愘|(zhì)檢測(cè)，不能滿足快速、大規(guī)模獲取土壤重金屬污染信息的需要。隨著高光譜遙感技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)可以利用各種遙感平臺(tái)獲取廣袤土壤中重金屬的光譜信息。

在小范圍內(nèi)，借助便攜式智能土壤探測(cè)器，便攜式智能土壤監(jiān)測(cè)器可以實(shí)時(shí)采集顆粒光譜信息，并通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)酱笤屏抗庾V數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)土壤損傷的快速檢測(cè)。檢測(cè)到的數(shù)據(jù)可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸，并顯示在智能手機(jī)終端上。目前已收集1500多個(gè)樣本，平均檢測(cè)精度超過(guò)95%。

在中范圍內(nèi)，利用無(wú)人駕駛飛行器、XRF分析儀，在待測(cè)地區(qū)均勻選擇足夠的取樣點(diǎn)，每個(gè)取樣點(diǎn)將在離地面很近的地方進(jìn)行測(cè)試，并獲得一組待測(cè)金屬含量數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)驗(yàn)證和預(yù)處理：數(shù)據(jù)采集完成后，通過(guò)從已知數(shù)據(jù)中繪制散射點(diǎn)圖進(jìn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，消除數(shù)據(jù)中明顯的誤差，并根據(jù)預(yù)成像建立多項(xiàng)式n的對(duì)應(yīng)關(guān)系；依次計(jì)算最高多項(xiàng)式n-1和n的四次函數(shù)和誤差的平方和；如果最后一個(gè)組合函數(shù)的誤差平方和大于給定閾值的誤差，及減小平方值繼續(xù)計(jì)算高階可調(diào)諧函數(shù)大于n，直到最后一個(gè)組合函數(shù)的誤差平方是二次，并且小于前一個(gè)組合函數(shù)的給定誤差閾值；記錄并保存誤差最小的二次方和相應(yīng)的加函數(shù)，其他事項(xiàng)最終反向模型；攜帶XRF分析儀的無(wú)人機(jī)收集地面附近的土壤數(shù)據(jù)。采用反演樣本對(duì)采集的土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行反演，獲得準(zhǔn)確的土壤重金屬含量數(shù)據(jù)，記錄并存儲(chǔ)反演數(shù)據(jù)。

在大范圍中，利用人造衛(wèi)星等平臺(tái)獲取高光譜遙感數(shù)據(jù)，快速、完整地獲取土壤重金屬污染信息，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模三維現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，以及土壤重金屬污染的一般監(jiān)測(cè)控制[8]。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，利用高光譜數(shù)據(jù)對(duì)土壤重金屬含量進(jìn)行定量測(cè)定取得很大進(jìn)展，但存在著同類型建模、特征剖面數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)不完整、不準(zhǔn)確、應(yīng)用范圍狹窄、噪聲控制效果不充分等問(wèn)題。

目前對(duì)土壤重金屬物理化學(xué)性質(zhì)的遙感研究主要局限于實(shí)驗(yàn)室光譜分析。在實(shí)驗(yàn)室反射光譜預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，今后的研究重點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)室反射光譜與遙感在高空應(yīng)用之間的土壤場(chǎng)反射光譜。隨著新遙感技術(shù)的引進(jìn)，利用遙感技術(shù)反向反射土壤重金屬含量的技術(shù)得到越來(lái)越多的應(yīng)用。建立更適合現(xiàn)有遙感技術(shù)的土壤重金屬含量反演模型，提高模型建模精度將是未來(lái)研究的主要目標(biāo)之一。