高光譜遙感土壤重金屬污染研究綜述

付 馨，趙艷玲，李建華，曾紀(jì)勇，王亞云，何廳廳

（中國礦業(yè)大學(xué)（北京）土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所，北京100083）

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，重金屬污染問題日益嚴(yán)重，給人類生存及周邊環(huán)境造成了極大的危害。傳統(tǒng)土壤重金屬檢測(cè)多采用化學(xué)分析法，此方法特征顯著、精度較高，但分析周期長、受野外環(huán)境和樣本質(zhì)量的限制大，需要較高人力、物力投入。高光譜遙感方式能夠動(dòng)態(tài)、快速、宏觀地獲取地表信息，且不會(huì)對(duì)污染土壤及其附屬植被產(chǎn)生直接傷害，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境、地質(zhì)和土壤等多個(gè)領(lǐng)域。然而，目前利用遙感高光譜方法針對(duì)土壤重金屬污染的研究尚不成熟，其主要原因在于污染土壤中重金屬元素的含量甚微，反映在光譜中的信號(hào)也較為微弱，以現(xiàn)有技術(shù)對(duì)土壤重金屬含量進(jìn)行直接定量探測(cè)具有很大難度。盡管如此，利用遙感高光譜方式對(duì)土壤重金屬污染探測(cè)，以其高效、便捷、無損等優(yōu)勢(shì)，具有巨大研究價(jià)值。

1 土壤光譜與重金屬含量相關(guān)性

1.1 相關(guān)性依據(jù)

土壤作為巖礦的風(fēng)化產(chǎn)物，是氣候和生物活動(dòng)共同作用的結(jié)果，是復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，其光譜特征受到土壤生物地球化學(xué)、幾何光學(xué)散射以及外部環(huán)境等的影響。由于土壤中重金屬含量甚微，很難直接研究其光譜特征。但是，外源重金屬可以被土壤中的粘土礦物、鐵氧化物和有機(jī)質(zhì)等物質(zhì)吸附［1－2］，而這些組份一方面影響土壤光譜形態(tài)和反射率的大小，同時(shí)也常常在土壤光譜中顯示其特定的光譜吸收特征，為高光譜土壤污染信息的提取提供了理論依據(jù)［3－4］。從量子物理角度分析，土壤反射光譜特征起因于其化學(xué)成分的電子躍遷及分子振動(dòng)，而轉(zhuǎn)動(dòng)與振動(dòng)能級(jí)間距小，振動(dòng)或者振動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷所產(chǎn)生的吸收響應(yīng)在紅外波段［5］，從微觀角度為遙感高光譜土壤重金屬研究提供了依據(jù)。

1.2 影響因子

土壤作為一種復(fù)雜的混合物，由各種物理和化學(xué)性質(zhì)各不相同的物質(zhì)組成，而這些物質(zhì)不同程度的對(duì)土壤光譜產(chǎn)生影響。成土礦物（特別是氧化鐵）、含水量、有機(jī)物和土壤質(zhì)地是土壤光譜特性的主要影響因子［4］。不同種類土壤具有不同光譜特征，對(duì)于同一類型或成分相近的土壤，其光譜特征與土壤粒度、含水量以及土壤有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)［6］。因此，對(duì)土壤重金屬含量的研究需要最大限度去除或忽略土壤粒度、含水量及有機(jī)質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)室常用方法為對(duì)土樣進(jìn)行研磨、過濾、烘干，而野外土壤重金屬含量探測(cè)則選取土壤背景值單一，且受植被、人為影響較為接近的區(qū)域進(jìn)行研究，即假設(shè)研究區(qū)土壤顆粒大小、水分含量相似，有機(jī)物構(gòu)成及含量基本無差別，影響土壤光譜差異的主要因素為重金屬。

1.3 光譜儀的基本配置

目前，國際上使用的光譜儀有多種品牌，如FieldSpec、PIMA、SPECTRO SPC190、TRISTAN、Oxford Instruments等。光譜測(cè)試范圍可以從紫外光到短波紅外到短波紅外、熱紅外，甚至X涉嫌。測(cè)試對(duì)象包括固體、液體等，依據(jù)波長范圍和測(cè)試對(duì)象又可以分出不同型號(hào)。國內(nèi)常用于土壤光譜測(cè)量的儀器，以FieldSpec便攜式分光輻射光譜儀居多，以測(cè)量土壤反射率和輻射率為主，波長范圍0.35～2.5μm，波長精度±1nm［6］。

1.4 土壤重金屬含量反演

1.4.1 土壤光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理

在重金屬污染土壤采樣過程中，難免受到環(huán)境隨機(jī)因素影響以及光譜儀本身噪聲影響，因此需要對(duì)采集光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。針對(duì)不同探測(cè)元件接合部分可能出現(xiàn)偏差，可對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行斷點(diǎn)修正處理；對(duì)于不存在此類問題的光譜數(shù)據(jù)，則可運(yùn)用卷積法，直接對(duì)其進(jìn)行平滑和去噪處理。提取土壤光譜中重金屬情況，常用光譜處理方法如下。

1）重采樣處理。為消除光譜數(shù)據(jù)采集過程中相鄰波段間的數(shù)據(jù)冗余，一般采用10nm間隔重采樣進(jìn)行算術(shù)平均值運(yùn)算，所得光譜曲線較為平滑，可較好保持原始曲線光譜特征［7］。

2）基線校正?；€校正主要目的為消除背景或漂移對(duì)信號(hào)對(duì)光譜數(shù)據(jù)的影響［8－9］，常用對(duì)校正結(jié)果影響較大的一階微分處理。由于出現(xiàn)擬合現(xiàn)象，會(huì)獲得非常好的回歸，預(yù)測(cè)行為指數(shù)很高。該情況下所建模型不是很好，對(duì)樣品的預(yù)測(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的偏差［10－11］。

3）變量標(biāo)準(zhǔn)化。變量標(biāo)準(zhǔn)化適用于扣除樣品光譜中由于樣品的顆粒度和附加散射等引起的線性平移，從而選擇分類結(jié)果錯(cuò)誤概率最小的特征作為最有效特征。針對(duì)不同的光譜儀，光譜測(cè)量范圍和光譜數(shù)據(jù)會(huì)有一定差別，常用標(biāo)準(zhǔn)正交變換法和二項(xiàng)式插值法進(jìn)行變量標(biāo)準(zhǔn)化，減小類內(nèi)光譜間差異，增加類別間距離，有助于提高判別分析的準(zhǔn)確度［12－14］。

4）微分處理。微分方法又稱求導(dǎo)法，可消除部分基線和其它背景的干擾，分辨重疊峰，從而提高光譜敏感度。研究表明，光譜的低階微分處理對(duì)噪聲影響敏感性較低，在實(shí)際應(yīng)用中較有效。一般認(rèn)為，可用一階微分處理技術(shù)去除部分線性或接近線性的背景、噪聲光譜對(duì)目標(biāo)光譜的影響［15－16］。

1.4.2 土壤光譜特征選擇

針對(duì)不同種類重金屬污染的土壤，應(yīng)選擇涵蓋了該類重金屬污染的主要特征光譜，將其最大限度的區(qū)別于其他種類重金屬污染土壤，強(qiáng)化最具可分性的光譜波段。特征選擇的方式可概括為兩種，即光譜特征位置搜索和光譜距離統(tǒng)計(jì)［4］。由于光譜曲線的不連續(xù)性，處理時(shí)用連續(xù)的折線近似作為光譜曲線的包絡(luò)線。將包絡(luò)線去除后的光譜曲線特征更加明顯，且歸一化到區(qū)間（0，1）內(nèi)，大大提高了光譜特征位置搜索的準(zhǔn)確性。光譜距離統(tǒng)計(jì)的實(shí)現(xiàn)基于可分性準(zhǔn)則存在，一般而言，J－M距離和基于熵函數(shù)的可分性準(zhǔn)則效果較為理想，離散度衡量次之，歸一化距離再次之［17－18］。

2 不同重金屬種類污染土壤光譜特性

傳統(tǒng)意義上的重金屬是指密度在4.0g／cm3以上的約60種元素，或者密度在5.0g／cm3以上的45種元素［19］。由于污染的普遍性和光譜的特殊性，國內(nèi)外對(duì)于重金屬Fe和Cu研究較多，本文將做重點(diǎn)歸納。對(duì)于其他污染較為嚴(yán)重和常見的重金屬，如Cr、Pb、Cd、Zn、Hg等，本文也將現(xiàn)有結(jié)論整理總結(jié)。

2.1 重金屬鐵污染土壤光譜特性

鐵在土壤中存在形式主要是氧化鐵。氧化鐵是影響土壤光譜反射特性的重要土壤成分，其含量的增加會(huì)使反射率減小［20］。一般來說，土壤的氧化鐵含量與反射率之間存在一定負(fù)相關(guān)。在氧化鐵含量增加時(shí)，可見光與近紅外部分吸收增強(qiáng)，而在波段0.5～0.7μm的吸收增強(qiáng)幅度不大，其相關(guān)性不明顯［21］。重金屬鐵的敏感波段與有機(jī)質(zhì)一樣，主要位于可見光和近紅外，定量區(qū)分有機(jī)質(zhì)和氧化鐵對(duì)光譜反射率的貢獻(xiàn)難度較大，因此通過遙感技術(shù)精確估算土壤氧化鐵含量的難度很大［22］。1964年，Obulhov和Orlov指出，在土壤光譜曲線的0.7μm和0.9μm 處，存在三氧化二鐵的吸收帶［23］。1976年，Montgomery的研究表明，游離態(tài)氧化鐵的存在對(duì)整個(gè)可見光和近紅外區(qū)域的光譜都有很大影響［24］。Baumgardner等［25］研究表明，在細(xì)沙質(zhì)土壤870nm處的鐵吸收峰表現(xiàn)明顯，且氧化鐵含量越高，吸收峰越寬；而且有機(jī)質(zhì)的存在并不能掩蓋鐵對(duì)土壤反射率的貢獻(xiàn)；土壤反射率和鐵氧化物含量在中遠(yuǎn)紅外波段具有更強(qiáng)的相關(guān)性［26］。何挺等［27］研究表明：①土壤中氧化鐵含量與反射率呈負(fù)相關(guān)，氧化鐵含量增加會(huì)導(dǎo)致土壤反射率下降；②經(jīng)一階微分變換，反射率平方根在1674nm處對(duì)氧化鐵有較好的敏感性；③利用紅波段和藍(lán)波段平均反射率的對(duì)數(shù)可構(gòu)成土壤氧化鐵指數(shù)，對(duì)土壤氧化鐵有較好的相關(guān)性。2008年，通過對(duì)中國江寧地區(qū)和八卦洲地區(qū)重金屬污染土壤進(jìn)行研究［5］，得出土壤重金屬元素的預(yù)測(cè)精度順序與它們和鐵的相關(guān)性順序一致，即與Fe元素的相關(guān)性越高，該元素的預(yù)測(cè)精度也越高，且土壤的總鐵含量增加會(huì)降低土壤反射率。2.2 重金屬銅污染土壤光譜特性

2005年，吳昀昭對(duì)重金屬元素光譜特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)重金屬元素Cu在土壤中的含量超過4000mg／kg濃度時(shí)，才會(huì)在土壤光譜上有響應(yīng)，否則此光譜特征會(huì)被其他成分的特征所掩蓋［5］。2008年，楊璐等對(duì)銅含量1000～5000mg／kg的重金屬污染土壤進(jìn)行高光譜實(shí)驗(yàn)，得出利用高光譜遙感直接監(jiān)測(cè)重金屬銅污染土壤是不可行的結(jié)論［1］。2008年，任紅艷博士對(duì)寶山礦區(qū)農(nóng)田土壤－水稻系統(tǒng)重金屬污染進(jìn)行光譜探測(cè)，得出結(jié)論：540nm、670nm以及2100～2190nm為預(yù)測(cè)重金屬Cu模型的關(guān)鍵波段［2］。通過對(duì)銅冶煉廠污染區(qū)可見光－近紅外反射光譜的研究，Cu作為研究區(qū)主要污染物，在土壤反射光譜的許多光譜區(qū)域都是活躍的，與反射光譜之間的相關(guān)性主要受有機(jī)質(zhì)的影響［28］。2010年，黃長平等對(duì)土壤重金屬Cu含量遙感反演的波段選擇與最佳光譜分辨率進(jìn)行研究，得到預(yù)測(cè)重金屬元素Cu含量的最佳波段數(shù)為10個(gè)，最佳光譜采樣間隔為32nm［29］。2011年，王維等基于高光譜的土壤重金屬銅的反演，得到土壤重金屬Cu與Mg、Fe的相關(guān)性顯著（n＝34，P＝0.05），而與土壤有機(jī)質(zhì)相關(guān)性較差［30］。

2.3 其他重金屬污染土壤光譜特性

1970年，Hunt和Salisbury指出，土壤中一些礦物質(zhì)在近紅外區(qū)具有清晰的光譜紋跡［31］。李巨寶等［32］研究表明，高光譜、多光譜和平均值都可用于預(yù)測(cè)Fe、Zn、Se元素的含量，且其含量與光譜的平均反射率呈負(fù)相關(guān)，而位于短波紅外的TM7波段為最佳波段。1997年，Malley和 Williams［33］利用反射光譜快速預(yù)測(cè)了湖泊沉積物重金屬含量?；贑d、Zn含量與土壤有機(jī)質(zhì)之間的正相關(guān)，Kooistra等［34］使用反射光譜預(yù)測(cè)了萊茵河流域土壤Cd和Zn的污染。利用重金屬元素與Fe的相關(guān)性，Kemper［35］使用反射光譜成功預(yù)測(cè)了礦區(qū)土壤As、Fe、Hg以及Pb的含量。通過對(duì)重金屬元素以及土壤光譜特征分析，重金屬元素Ni、Cr和Cu在VNIR波段具有晶體場(chǎng)效應(yīng)引起的診斷性光譜特征，而重金屬元素Zn、Hg、Cd和Pb則沒有光譜特征［5］。其中，Ni、Cr、Cu與反射率的相關(guān)性最高，Hg和Cd與反射率的相關(guān)性最低。解憲麗等研究探討了可見一近紅外反射光譜與土壤銅、鉛、鋅、鎘等9種重金屬元素之間的相關(guān)性，得出Pb、Zn、Co、Ni主要受黏土礦物和鐵錳氧化物的影響；Cr與反射光譜之間的相關(guān)性同時(shí)受有機(jī)質(zhì)和黏土礦物的影響［28］。蔣建軍等［36］以土壤有機(jī)質(zhì)為中介，得出利用有機(jī)質(zhì)診斷指數(shù)反演土壤Cd含量的方法是可行的，且土壤Cd含量和土壤有機(jī)質(zhì)含量存在正相關(guān)關(guān)系的結(jié)論。龔紹琦等通過對(duì)土壤反射光譜的測(cè)量和同步的土壤化學(xué)分析，研究了土壤重金屬Cr、Cu、Ni與土壤粘土礦物、鐵錳氧化物以及碳酸鹽之間的賦存關(guān)系，并得出結(jié)論：這3種重金屬與波長429nm、470nm、490nm、1430nm、2398nm、2455nm 處，光譜變量具有很好的相關(guān)性［37］。

3 問題與展望

李小文院士指出：“定量遙感反演的困難，在于應(yīng)用參數(shù)往往不是控制遙感信息的主導(dǎo)因子，只能為遙感信息提供弱信號(hào)。”污染土壤中的重金屬元素是一種弱之又弱的信號(hào)，因此要以遙感高光譜手段對(duì)土壤重金屬含量進(jìn)行反演，具有很大難度。

1）重金屬污染對(duì)土壤的光譜信號(hào)影響微弱，因此對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理、反演和建模，都有很高要求。一方面對(duì)于現(xiàn)有處理方法的選擇最優(yōu)，另一方面嘗試新的處理和反演方法。

2）土壤光譜是土壤各組分的綜合反映，利用高光譜數(shù)據(jù)需排除水分、有機(jī)質(zhì)等多種因素影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤重金屬含量的預(yù)測(cè)。而在采集和處理中，光譜數(shù)據(jù)不可避免的受到這些因素的影響，故而精度有限，僅滿足定性要求。對(duì)于進(jìn)一步污染定量分析則有待研究。

3）目前研究表明，與Fe元素的相關(guān)性使得無光譜特征的重金屬元素的預(yù)測(cè)成為可能。而對(duì)于Cd、Hg等毒性較強(qiáng)，與Fe的相關(guān)性較差元素的預(yù)測(cè)，則很難利用高光譜手段實(shí)現(xiàn)。

4）利用光譜儀進(jìn)行重金屬污染土壤光譜測(cè)量，目前仍處于野外采集土壤樣品。在室內(nèi)處理、檢測(cè)，雖然精度有所提高，卻大大降低時(shí)效性。在野外實(shí)時(shí)檢測(cè)重金屬污染土壤方面，有待進(jìn)一步發(fā)展。

伴隨配套硬件設(shè)施的逐漸成熟和光譜技術(shù)研究的不斷深入，高光譜遙感在土壤重金屬污染方面呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)［38－39］。

1）光譜儀的光譜探測(cè)能力將不斷提升。儀器便攜、采樣迅速、光譜分辨率提高、對(duì)采樣環(huán)境要求降低，對(duì)重金屬的敏感程度將不斷提升。

2）光譜數(shù)據(jù)處理能力將得到更大的發(fā)展，出現(xiàn)更快速更精確的污染土壤重金屬含量的反演算法和模型，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲取重金屬污染數(shù)據(jù)。

3）地面、航空、航天多源信息集成，利用不同平臺(tái)高光譜數(shù)據(jù)相結(jié)合，逐步從重金屬污染的定性分析向定量分析發(fā)展。

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