高光譜遙感反演土壤重金屬的研究進(jìn)展

付泉

摘要：土壤是生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，它具有一定的自我凈化能力，能夠改善地下水的污染，也可以對市區(qū)內(nèi)的綠化提供基礎(chǔ)保障，同時(shí)為城市的環(huán)境帶來可持續(xù)發(fā)展。普通傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，需要采集大量的樣本數(shù)據(jù)，這樣會(huì)對研究區(qū)的土壤損害嚴(yán)重，不能滿足實(shí)時(shí)快速的獲取，不能達(dá)到城市土壤的快速調(diào)查要求。高光譜遙感影像主要是空間分辨率、光譜帶數(shù)多和強(qiáng)烈的連續(xù)性等優(yōu)勢，為了提高定量預(yù)測的準(zhǔn)確性，傳統(tǒng)的分析方法正在被遙感反演的方法取而代之。

關(guān)鍵詞：土壤重金屬;高光譜;光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理;定量估算模型;空間分布

1 土壤重金屬的危害及調(diào)查方法

土壤是地球上自然環(huán)境中生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展必不可少的物質(zhì)基礎(chǔ)，人類的生產(chǎn)生活也與土壤密不可分。由于人類的活動(dòng)使土壤的理化性質(zhì)和環(huán)境發(fā)生比較大的變化[1]。土壤是生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，它具有一定的自我凈化能力，能夠改善地下水的污染，也可以對市區(qū)內(nèi)的綠化提供基礎(chǔ)保障，同時(shí)為城市的環(huán)境帶來可持續(xù)發(fā)展[2]。預(yù)防和治理城市中土壤重金屬污染應(yīng)該引起重視。對城市土壤重金屬的調(diào)查和治理對保護(hù)人們的生活環(huán)境方面有很大的意義。西安市是陜西省的省會(huì)，同時(shí)也是我國西部和北方內(nèi)陸地區(qū)的金融中心。近些年來隨著西安市經(jīng)濟(jì)的高速增長，城市的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，無論是人口還是汽車的數(shù)量都在迅速增長，對城市土壤造成的污染也越來越多[4]。本論文在此背景下，通過定量遙感反演技術(shù)，對西安市主城區(qū)內(nèi)的土壤樣本進(jìn)行野外采集并在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析土壤樣本的光譜特性，建立研究區(qū)土壤重金屬含量定量反演的高光譜反演模型。利用遙感衛(wèi)星影像對研究區(qū)五種土壤重金屬含量進(jìn)行污染制圖。

2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1國外研究現(xiàn)狀

遙感反演技術(shù)至今已經(jīng)有百年的歷史，但是高光譜遙感作為一門前沿的技術(shù)至今只有二十年的發(fā)展歷程[5]。從1920年以后國內(nèi)以及國外的許多土壤研究工作者投身于土壤光譜曲線特性的研究，并且取得很大一部分的成就。國外學(xué)者對耕地土壤、礦區(qū)土壤、城市土壤進(jìn)行了研究[6]。很多學(xué)者提出可以依據(jù)土壤中的重金屬含量和有機(jī)質(zhì)、金屬氧化物的相關(guān)性實(shí)現(xiàn)間接的對土壤的重金屬含量的預(yù)測。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

通過研究得出在快速識(shí)別土壤中重金屬元素污染情況的問題上定性分類更為方便，對高光譜遙感直接預(yù)測土壤重金屬含量及間接預(yù)測重金屬污染的方法進(jìn)行了綜述，并且對比分析了模型之間存在的各種差異，提出了三種算法，第一種是人工智能技術(shù)算法，第二種是高維矩陣算法，第三種是數(shù)據(jù)挖掘算法，找到比較好的數(shù)據(jù)同化模型等方法來提高模型反演精度[7]。利用偏最小二乘回歸建模方法建立了研究區(qū)土壤反演定量預(yù)測模型，探究環(huán)境一號(hào)超光譜的地表反射率數(shù)據(jù)與土壤中重金屬實(shí)測值的關(guān)系，對光譜反射率進(jìn)行了一階微分和倒數(shù)的對數(shù)值變換，建立了3個(gè)回歸模型[8]。在建立的三個(gè)回歸模型中，通過對土壤樣本光譜曲線的一階微分處理后所建立模型的預(yù)測效果最好。

對土壤中重金屬含量進(jìn)行調(diào)查，首先得測出土壤樣本重金屬的含量，同時(shí)測出土壤光譜反射率，對光譜反射率數(shù)據(jù)先進(jìn)行前期處理，再進(jìn)行數(shù)學(xué)變換使其特征值更加突出。根據(jù)實(shí)測重金屬含量值和光譜特征值做相關(guān)性分析分別找出建模所需的每個(gè)重金屬敏感特征波段，高光譜遙感影像主要是空間分辨率、光譜帶數(shù)多和強(qiáng)烈的連續(xù)性等優(yōu)勢，為了提高定量預(yù)測的準(zhǔn)確性，傳統(tǒng)的分析方法正在被遙感反演的方法取而代之。

3 研究機(jī)理

遙感技術(shù)定量反演的主要原理是不同地物都有各自的光譜特性，預(yù)測理論技術(shù)是土壤中不同的重金屬具有不同的光譜特征。高光譜分辨率遙感是利用大量的窄電磁波在光的中紅外、近紅外、可見光和紫外線范圍主要是通過了波譜的效應(yīng)來采集土壤樣本中的光譜反射率技術(shù)。遙感的探測器識(shí)別地物的能力跟地物間的光譜特征的差異有關(guān)，差異越大識(shí)別能力越強(qiáng)，所以地物光譜特性的提取可以構(gòu)建精確的預(yù)測模型。

由于土壤中重金屬污染元素的光譜響應(yīng)能力在土壤中屬于弱信息，并且光譜特征容易受到其他土壤成分的干擾，不僅如此，不同地區(qū)、種類的土壤由于其理化性質(zhì)的差異，導(dǎo)致土壤的光譜曲線各有所不同，實(shí)施物理模型的難度很大，運(yùn)用相關(guān)性分析土壤重金屬和樣本光譜的敏感波段，定性定量的反演重金屬元素的含量?，F(xiàn)階段的統(tǒng)計(jì)學(xué)模型主要有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析、多元線性逐步回歸、偏最小二乘回歸法、支持向量機(jī)算法等。半經(jīng)驗(yàn)方法是指設(shè)法對描述所建立的數(shù)學(xué)模型，需要實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，在理論基礎(chǔ)上的模型加入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并確定其模型參數(shù)的模型。將獲取的土壤光譜進(jìn)行處理后，找出與土壤重金屬含量實(shí)測的實(shí)測值來做相關(guān)關(guān)系，將土壤光譜反射率作為自變量，重金屬含量為因變量建立土壤重金屬反演預(yù)測模型，將模型結(jié)合處理好的遙感數(shù)據(jù)，可以得到研究區(qū)的污染分布圖。

4 結(jié)論

當(dāng)前的學(xué)者研究更傾向于提高模型的預(yù)測精度和光譜的特性研究，單一的變量和普通的線性回歸分析方法已經(jīng)不能滿足預(yù)測精度的要求。偏最小二乘，支持向量機(jī)等方法正在逐步推廣，算法也在不斷的得到提升。對土壤中重金屬含量進(jìn)行調(diào)查，首先得測出土壤樣本重金屬的含量，同時(shí)測出土壤光譜反射率，對光譜反射率數(shù)據(jù)先進(jìn)行前期處理，再進(jìn)行數(shù)學(xué)變換使其特征值更加突出。高光譜遙感影像主要是空間分辨率、光譜帶數(shù)多和強(qiáng)烈的連續(xù)性等優(yōu)勢，為了提高定量預(yù)測的準(zhǔn)確性，傳統(tǒng)的分析方法正在被遙感反演的方法取而代之。

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（作者單位：陜西地建土地勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司）