土壤污染遙感研究進(jìn)展及應(yīng)用展望

吳媛媛 趙恬茵 劉東東

（1 西安航天宏圖信息技術(shù)有限公司 陜西 西安 710100；2 黔南民族師范學(xué)院 貴州 都勻 558000； 3 華潤數(shù)字科技(西安) 有限公司 陜西 西安 710061）

傳統(tǒng)的土地污染物調(diào)查方法是對(duì)野外實(shí)地逐點(diǎn)收集的樣本進(jìn)行室內(nèi)分析，以獲得不同地點(diǎn)的土地污染物濃度，研究內(nèi)容大部分集中在污染物化學(xué)測(cè)定方法、賦存狀況、土地污染物與其所附著的微觀環(huán)境之間的相互關(guān)聯(lián)、污染物分布轉(zhuǎn)化規(guī)則、環(huán)境污染危險(xiǎn)性評(píng)估方式等。利用這些方式可以獲得較高的檢測(cè)精度，但耗時(shí)費(fèi)力效率低，甚至無法較好地得到污染物在空間環(huán)境上的連續(xù)分布信息。遙感技術(shù)作為一種空間環(huán)境信息技術(shù)，為宏觀層面上迅速掌握土壤重金屬污染信息創(chuàng)造了全新的渠道。特別是近年來，國內(nèi)外多源衛(wèi)星遙感技術(shù)資料數(shù)據(jù)在空氣清晰度、時(shí)間清晰度、輻射分辨率、光譜清晰度等方面都得到了飛躍式發(fā)展，為將遙感科技應(yīng)用于土壤重金屬污染研究和檢測(cè)方面創(chuàng)造了更大的機(jī)會(huì)。為此，文章重點(diǎn)總結(jié)當(dāng)前土壤污染的遙感科技檢測(cè)發(fā)展，并根據(jù)目前土壤污染檢測(cè)的迫切要求，剖析了遙感科技的應(yīng)用及其在土壤重金屬污染檢測(cè)中的潛在應(yīng)用前景。

1 遙感技術(shù)在土壤污染中的識(shí)別調(diào)查

遙感技術(shù)的基本工作機(jī)理是通過運(yùn)用電磁波對(duì)地表物體進(jìn)行檢測(cè)和分類，以研究地理上的物質(zhì)與資源狀況，對(duì)地表的空間特性與規(guī)律實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)控。隨著遙感技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，目前已在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和災(zāi)難預(yù)測(cè)等方面發(fā)揮重要的作用。將遙感技術(shù)應(yīng)用于土壤污染研究工作中，已經(jīng)能夠?qū)ν寥牢廴疚镞M(jìn)行合理地鑒定與監(jiān)管，并對(duì)土壤環(huán)境污染的危險(xiǎn)性做出合理的評(píng)價(jià)。遙感技術(shù)已經(jīng)能夠適應(yīng)土壤污染監(jiān)測(cè)管理工作的各種需要，并通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的分析[1]。

2 土壤污染與土壤污染遙感

2.1 土壤污染及特點(diǎn)。土壤污染是受人類活動(dòng)影響而產(chǎn)生的，可對(duì)土地功效及利用價(jià)值產(chǎn)生負(fù)面的影響。土壤污染的要素一般包含3 個(gè)方面的具體內(nèi)容(土壤污染三要素)：①有可鑒定的人為污染；②可鑒定的自然污染總量在擴(kuò)大；③有現(xiàn)存(直接顯露)或潛在(通過轉(zhuǎn)化)的危險(xiǎn)結(jié)果。我們?cè)趯?shí)際項(xiàng)目中需要著重考慮的問題是土壤污染或污染土地(指已經(jīng)構(gòu)成污染的樣點(diǎn)、場(chǎng)地和不同尺度的區(qū)域土壤)。但是，因?yàn)閷?duì)環(huán)境認(rèn)識(shí)的不同，往往容易模糊沾污與污染的區(qū)別，會(huì)造成夸大土壤污染或破壞土地的現(xiàn)象。環(huán)境污染源一般包括自然源和人造源。自然源通常是指由自然界自行向環(huán)境中釋放有害物質(zhì)并產(chǎn)生不利作用的場(chǎng)所，而這些現(xiàn)象也通常稱之為天災(zāi)，例如正在活躍的火山。人造源是指由人類活動(dòng)所產(chǎn)生的污染源，是人類科學(xué)研究的重點(diǎn)對(duì)象，在人造污染源中，化學(xué)物質(zhì)對(duì)土壤的污染是需要人類尤為重視的[2]。根據(jù)化學(xué)物質(zhì)或藥劑進(jìn)入土壤的路徑，將污染方式分為污水灌溉、固體廢棄物使用、殺蟲劑和肥料的使用、大氣沉降物等。土是不可再生資源，形成1 cm 土層需數(shù)百年至上千年。土壤污染物有積聚性、不均勻性和長期存在性等特征，而物質(zhì)在環(huán)境中轉(zhuǎn)移、傳播和稀釋速率極慢，因此土地如果污染嚴(yán)重，則是“天長地久”。

2.2 土壤污染遙感。遙感學(xué)是以電磁波傳播和地表物質(zhì)相互作用為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過監(jiān)測(cè)、分類與研究地球資源和環(huán)境，發(fā)現(xiàn)地球地表各基本要素的空間分布特點(diǎn)和空間規(guī)律的一種科學(xué)。近年來，隨著遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，衛(wèi)星遙感技術(shù)開始在氣象、海洋、環(huán)保、減災(zāi)等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用與發(fā)展。土壤污染遙感即使用遙感技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤污染物的辨識(shí)、反演、管控以及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。遙感設(shè)備對(duì)土壤污染物的響應(yīng)，是進(jìn)行土壤污染遙感的重要基石。所以，對(duì)于土壤污染遙感，必須設(shè)定土壤污染物的監(jiān)測(cè)需求和進(jìn)行遙感技術(shù)性分析(響應(yīng)可識(shí)別性分析)，以明確哪些要求能夠借助遙感技術(shù)完成，哪些要求能夠利用遙感技術(shù)輔助來完成，哪些要求能夠帶動(dòng)遙感技術(shù)的發(fā)展[3]。

3 土壤污染研究工作分析

3.1 光譜機(jī)理在土壤污染中的應(yīng)用研究。土壤污染研究工作中，利用遙感技術(shù)中的光譜機(jī)理，可以有效的識(shí)別土壤中的有機(jī)物和重金屬，通過對(duì)目標(biāo)區(qū)域的分析，可以對(duì)土壤中的污染物質(zhì)按照一種特定的光譜進(jìn)行識(shí)別。土壤污染光譜機(jī)理的研究內(nèi)容主要是分析土壤中的污染物對(duì)土壤光譜的影響。

3.2 土壤污染遙感技術(shù)。近些年來，技術(shù)人員對(duì)光譜學(xué)與高光譜等遙感技術(shù)在土壤污染檢測(cè)工作中的應(yīng)用開展了較全面的深入研究，同時(shí)建立了不同的遙感技術(shù)反演方案，進(jìn)一步豐富了遙感技術(shù)的手段，發(fā)現(xiàn)了航空高光譜、航天遙感平臺(tái)以及近土壤地表光譜。這些手段的出現(xiàn)和實(shí)施有效地促進(jìn)了土壤污染監(jiān)測(cè)工作的順利開展，提高了土壤污染監(jiān)測(cè)的工作效率和工作質(zhì)量[4]。

3.3 植被污染脅迫遙感技術(shù)。一般土壤中的有機(jī)質(zhì)成分含量很高，而重金屬的濃度相對(duì)較低，土壤光譜所顯示出的光譜特征并不突出。但一旦土壤中的重金屬成分濃度超出了一定范圍，將會(huì)對(duì)植被造成極大的危害，導(dǎo)致植物具有巨大毒性。植物被重金屬污染后，形成的光譜變化特征十分明顯，可以通過反演植物中的重金屬含量間接對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行評(píng)估。遙感技術(shù)中植被對(duì)光波的吸收和反射作用，構(gòu)成了植物的光譜特征，植物在受到污染以后的光譜特征將會(huì)發(fā)生改變。相關(guān)人士對(duì)受污染植物進(jìn)行分析和研究，發(fā)現(xiàn)受重金屬污染后植物葉綠素的含量和細(xì)胞結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生變化，并發(fā)現(xiàn)植物和土壤間存在相關(guān)關(guān)系，因此，植物脅迫污染是反演土壤污染程度的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)評(píng)估和評(píng)價(jià)環(huán)境污染具有重要的作用。通過對(duì)光譜特征及對(duì)植物脅迫的識(shí)別，促進(jìn)土壤污染調(diào)查工作更加順利地開展[5]。但是，植物本身對(duì)重金屬存在一定的抗性，在光譜反應(yīng)變化數(shù)據(jù)中存在一定的誤差。

4 基于遙感技術(shù)的土壤污染調(diào)查應(yīng)用展望

在土壤污染源的監(jiān)管過程中，遙感技術(shù)發(fā)揮了重要的作用，它可以對(duì)污染源進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)和管控，比如在礦產(chǎn)資源開發(fā)區(qū)、石油開采區(qū)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域的監(jiān)管，對(duì)預(yù)防土壤污染起到了積極的作用。同時(shí)，通過遙感技術(shù)獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展空間監(jiān)測(cè)工作，對(duì)有可能存在的污染風(fēng)險(xiǎn)和破壞行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了遙感技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管控。通過調(diào)查土地污染相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合土地地形地貌和地質(zhì)結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和分區(qū)，可以根據(jù)提供的數(shù)據(jù)制定針對(duì)性的防治方案。

4.1 土壤污染源遙感監(jiān)管。土壤污染源是土壤污染的根源，通過做好對(duì)工礦企業(yè)的環(huán)保管理，可斬?cái)嗤寥牢廴镜母?，控制土壤污染增長的勢(shì)頭?！锻寥牢廴痉乐涡袆?dòng)計(jì)劃》中，多次明確提出了主要污染源、重要礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)范圍、重要油氣開采區(qū)的控制和農(nóng)用塑料薄膜污染的預(yù)防。遙感技術(shù)在對(duì)上述重點(diǎn)污染源監(jiān)測(cè)任務(wù)中，可以發(fā)揮很大的保障作用。針對(duì)礦業(yè)集中開發(fā)區(qū)域，可運(yùn)用遠(yuǎn)程遙感方法劃分礦業(yè)開采土地環(huán)境保護(hù)界限，實(shí)施采礦點(diǎn)未使用地環(huán)境保護(hù)遙感技術(shù)監(jiān)察。針對(duì)油田開發(fā)范圍，可利用環(huán)境遙感方法劃分土壤污染區(qū)域和面積，對(duì)油田開采區(qū)未使用的土地進(jìn)行環(huán)境遙感監(jiān)察。針對(duì)耕地農(nóng)膜，可利用環(huán)境遙感方法對(duì)河北、遼寧、山東、河南、甘肅、新疆等農(nóng)膜使用率較高地區(qū)開展環(huán)境遙感技術(shù)監(jiān)控，以分析農(nóng)膜利用面積和回收面積變化趨勢(shì)[6]。針對(duì)工業(yè)固體廢物的集中堆放場(chǎng)所，可運(yùn)用遙感識(shí)別信息技術(shù)對(duì)尾礦庫、優(yōu)質(zhì)煤礦、制造業(yè)副產(chǎn)石膏、赤泥、冶金渣、水電石殘留、砷渣和脫硫脫硝除塵等產(chǎn)生固體垃圾的堆放場(chǎng)地進(jìn)行遙感圖像辨識(shí)和遙感圖像管控。針對(duì)重點(diǎn)行業(yè)企業(yè)生產(chǎn)用地中的污染土地，可運(yùn)用生物遙感技術(shù)檢測(cè)污染土地的分布情況以及環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 遙感技術(shù)服務(wù)風(fēng)險(xiǎn)管控?！赌嗤廖廴痉乐涡袆?dòng)規(guī)劃》中明確表明，要加強(qiáng)對(duì)未被環(huán)境污染土層的環(huán)境保護(hù)，對(duì)已受環(huán)境污染的農(nóng)村土地，要“防止人居環(huán)境危險(xiǎn)性”，并建立多源衛(wèi)星數(shù)據(jù)分析，對(duì)相應(yīng)空間進(jìn)行遙感檢測(cè)工作。一是對(duì)土質(zhì)較好地區(qū)和國家確定的國土環(huán)境保護(hù)重要地區(qū)，依法進(jìn)行遠(yuǎn)程遙感監(jiān)測(cè)，密切監(jiān)控可能出現(xiàn)的水土破壞情況。二是對(duì)國土環(huán)境保護(hù)嚴(yán)重污染地區(qū)、國家確定的土壤污染控制區(qū)，開展遠(yuǎn)程遙感監(jiān)測(cè)，防止在其周圍建設(shè)住宅、學(xué)校、醫(yī)療機(jī)構(gòu)等。此外，還要利用國土環(huán)境污染源普查數(shù)據(jù)分析、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程遙感解譯等，摸清地方典型的國土環(huán)境污染源布局，并建立國土環(huán)境污染源分布數(shù)據(jù)集。疊合土壤環(huán)境污染源、遠(yuǎn)程遙感專題參數(shù)、土質(zhì)環(huán)境污染的敏感區(qū)(如居民聚居區(qū)、保護(hù)區(qū))、氣候氣象、河川地下水系統(tǒng)、土壤侵蝕程度、地形地貌、地表覆蓋及泥土使用類型等信息，并耦合經(jīng)濟(jì)發(fā)展數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)地域尺度上土壤污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和分區(qū)管理。利用模擬重金屬污染過程，開展區(qū)域經(jīng)營風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，并有針對(duì)性地提供管理方法。

4.3 遙感技術(shù)在土壤調(diào)查與布點(diǎn)情況優(yōu)化中的應(yīng)用。土壤污染監(jiān)視和調(diào)查結(jié)果中，土地樣點(diǎn)的空間結(jié)構(gòu)布置對(duì)監(jiān)視和問卷調(diào)查的成果很重要。常規(guī)取樣地點(diǎn)的空間結(jié)構(gòu)布置方式可分為地區(qū)隨意布點(diǎn)法、劃分隨意布點(diǎn)法和系統(tǒng)(網(wǎng)格)布點(diǎn)法。劃分隨意布點(diǎn)法主要是采用地域內(nèi)部分異性的空間結(jié)構(gòu)布點(diǎn)狀況方案，包括土壤種類、土地利用種類和地形地貌、植物生長狀況等，由于綜合考慮了部分異性，因此該法具備了較好的針對(duì)性和經(jīng)濟(jì)效益。而遙感技術(shù)的綜合反應(yīng)特性則能夠綜合反應(yīng)地域內(nèi)的部分異性，所以，根據(jù)土地污染的空間分布特點(diǎn)、遙感技術(shù)反應(yīng)特性和土壤污染性質(zhì)有關(guān)的空氣資料特征等，就能夠從地域分辨率尺寸上實(shí)現(xiàn)土地樣點(diǎn)空間布局優(yōu)選。同樣，在局地尺度上，通過超高空間分辨率的遙感影像，在收集樣點(diǎn)局地環(huán)境信息后，可對(duì)土壤取樣點(diǎn)的具體布置作出合理設(shè)計(jì)和優(yōu)選[7]。

我國在土壤污染的研究工作中，充分利用遙感技術(shù)的宏觀性、連續(xù)性和光譜綜合特征，對(duì)土壤的污染程度和監(jiān)管能力進(jìn)行提升和優(yōu)化，為我國土壤環(huán)境的管理提供了重要的技術(shù)支持，同時(shí)也有效提高了土壤管理工作的效率和質(zhì)量，獲取了更加全面和精準(zhǔn)的土壤污染信息，為我國綜合治理國土污染工作提供了重要的技術(shù)保障。