高光譜遙感在礦山環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用淺議

劉佳雷，錢建平，趙鵬偉

(桂林理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，廣西 桂林 541000)

引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)工業(yè)化進(jìn)程的加速，我國的礦產(chǎn)開發(fā)利用取得了突出成就，形成了較為完整的礦業(yè)體系。但我國大多數(shù)礦區(qū)，尤其是西部礦區(qū)，多位于生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，或地質(zhì)災(zāi)害(崩塌、滑坡、泥石流等)頻發(fā)的山區(qū)，其在生產(chǎn)開發(fā)過程中會(huì)產(chǎn)生諸多礦山生態(tài)隱患[1]，如礦區(qū)土壤退化、植被多樣性減少、水體污染等。黨的十九大以來，我國積極推進(jìn)礦山生態(tài)環(huán)境恢復(fù)工作，政府大力支持對(duì)重要流域和關(guān)鍵地區(qū)的礦山環(huán)境修復(fù)整治，生態(tài)環(huán)境部出臺(tái)了《尾礦庫環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)導(dǎo)則(試行)》規(guī)范，對(duì)礦山的環(huán)境評(píng)估有更確切的標(biāo)準(zhǔn)，開展典型礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)，探索建立省、市、縣、礦山地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測體系，提出對(duì)礦山環(huán)境實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測的預(yù)想，努力解決對(duì)我國環(huán)境安全有重大意義、生態(tài)受益面廣、嚴(yán)重影響人民群眾正常生產(chǎn)生活的大量歷史遺留礦山問題。在此背景下快速準(zhǔn)確地掌握礦山環(huán)境現(xiàn)狀，適時(shí)開展對(duì)礦山環(huán)境持續(xù)監(jiān)測具有重要意義。

近年來，隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，高光譜遙感技術(shù)已經(jīng)成為遙感領(lǐng)域不可或缺的分支。高光譜遙感技術(shù)既可同時(shí)檢測目標(biāo)的圖像和連續(xù)光譜，又能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)空間特征與光譜特征的同步探測[2]。眾所周知，早期礦山環(huán)境遙感監(jiān)測大多采用多光譜數(shù)據(jù)分析，與傳統(tǒng)多光譜遙感技術(shù)相比，高光譜的優(yōu)勢在于窄波成像，在可見光-近紅外區(qū)域光譜分辨率達(dá)到納米級(jí)[3]，因此對(duì)地物要素識(shí)別精度更好。近年來國產(chǎn)高光譜衛(wèi)星不斷升空，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高光譜、全譜段、偏振、多角度等多種觀測數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用，光譜分辨率可達(dá)2.5nm，幅寬60km，熱紅外波段探測靈敏度達(dá)0.1K，大氣探測最高光譜分辨率達(dá)0.03nm，偏振探測精度優(yōu)于0.5%，可有效填補(bǔ)我國高光譜觀測的空白，大幅提升高光譜觀測數(shù)據(jù)國產(chǎn)化率，綜合性能指標(biāo)達(dá)到國際同類衛(wèi)星的先進(jìn)水平。綜合和分析大量文獻(xiàn)可知，現(xiàn)有大多數(shù)文獻(xiàn)主要著重于單一監(jiān)測方法或單一環(huán)境要素的監(jiān)測，而環(huán)境監(jiān)測是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)的環(huán)境現(xiàn)狀要從氣象、土壤、植被、水質(zhì)、生物量等方面綜合分析，因此本文基于國內(nèi)外高光譜遙感在礦山環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用現(xiàn)狀，在前人的歸納總結(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)從礦區(qū)土壤、植被及水體三個(gè)方面進(jìn)行闡述，指出目前存在的問題，對(duì)未來高光譜遙感在礦山環(huán)境監(jiān)測應(yīng)用前景做出展望。

1 高光譜遙感在礦區(qū)土壤監(jiān)測中的應(yīng)用

土壤是人們賴以生存的寶貴資源。礦山在開發(fā)利用過程中，對(duì)礦區(qū)土壤損毀十分嚴(yán)重，其危害主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一礦山開挖、剝離、開采改變了礦區(qū)的地質(zhì)、地貌、植被和自然狀況與土地景觀[4]，如地表植被遭到毀壞，松散的泥土和巖塊裸露于地表，將大大加劇對(duì)土壤的侵蝕與風(fēng)化[5]，進(jìn)而引發(fā)土壤的退化；其二礦山開采過程中排放到坑口周邊的廢水、礦渣和尾礦粉塵等經(jīng)過雨水的沖刷、淋溶[6-7]，其中重金屬污染物滲入土壤中，由于土壤的自凈能力有限[8～10]，最終導(dǎo)致土壤中的重金屬離子被農(nóng)作物吸收富集，通過食物鏈的作用，嚴(yán)重影響人類的身體健康。

1.1 對(duì)土壤退化和侵蝕的監(jiān)測

高光譜遙感在土壤監(jiān)測的應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)越性。首先，高光譜遙感在研究土壤退化和侵蝕上有明顯的成效。已有研究表明，土壤組之間的光譜差異較為明顯[11]，利用這一差異可以辨別性質(zhì)相似的土壤類型。劉偉東[12]通過實(shí)驗(yàn)室光譜建立了土壤特性參數(shù)的反演模型，嘗試對(duì)高光譜遙感圖像進(jìn)行了土壤部分特性的填圖，并建立起了比較精細(xì)的土壤參數(shù)空間分布圖。對(duì)于礦區(qū)土壤的退化與侵蝕監(jiān)測有重要意義。

1.2 對(duì)土壤中重金屬含量監(jiān)測

大量研究表明，含有重金屬的土壤光譜曲線不同于不含重金屬土壤的光譜曲線。通過對(duì)礦區(qū)土壤進(jìn)行光譜測定、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換提取出土壤特征波段，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室實(shí)測重金屬含量數(shù)據(jù)分析可以建立礦區(qū)土壤重金屬含量模型；楊鴻飛等人[13]利用銅陵市楊山?jīng)_為礦區(qū)所采集的土壤反射率數(shù)據(jù)，利用三種不同的光譜轉(zhuǎn)換形式和偏最小二乘回歸法，研究土壤中Cr、Ni、Zn三種重金屬含量與土壤光譜反射率的相關(guān)性，建立了重金屬含量預(yù)測模型；侯麗等人[14]以山東鄒城煤礦區(qū)為研究區(qū)，使用等離子質(zhì)譜儀與光譜儀同時(shí)測定出土壤中的重金屬含量與高光譜數(shù)據(jù)，再使用偏最小二乘回歸分析建立土壤重金屬含量的回歸模型，其對(duì)于Ni預(yù)測精度極高；Rukeya Sawut等人[15]以東準(zhǔn)噶爾煤田為研究區(qū)，通過原始回波以及其四次轉(zhuǎn)換回波計(jì)算的優(yōu)化光譜指數(shù)，被用于估算重金屬含量GWR模型，優(yōu)化了光譜指數(shù)在估計(jì)土壤中砷含量的模型；宋練等人[16]以重慶市萬盛采礦區(qū)為研究區(qū)，利用地物光譜儀對(duì)土壤樣品進(jìn)行光譜測定，并同時(shí)進(jìn)行土壤樣品采集，根據(jù)化學(xué)分析的結(jié)果建立土壤重金屬的模型，獲得研究區(qū)土壤中As，Cd和Zn含量的分布圖；陳遠(yuǎn)鵬等人[17]以工礦復(fù)墾區(qū)為研究區(qū)，采用偏最小二乘回歸和粒子群算法相結(jié)合的辦法對(duì)土壤中重金屬含量進(jìn)行反演，優(yōu)化了土壤重金屬預(yù)測模型；程先鋒等人[18]同樣以蘭坪礦區(qū)土壤的光譜數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)應(yīng)土壤中Zn、Pb、As、Cd這4種重金屬含量進(jìn)行響應(yīng)測試實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了四種重金屬含量與土壤實(shí)測光譜之間的多元線性回歸模型，結(jié)果證明，反演模型具有較高的精度，為大面積土壤重金屬監(jiān)測提供了借鑒。

概括起來，高光譜遙感在礦區(qū)土壤監(jiān)測中的主要進(jìn)展有：(1)通過高光譜影像對(duì)土壤部分特性填圖，建立起了較為精細(xì)的土壤空間分布圖。針對(duì)高光譜數(shù)據(jù)提出了土地退化指數(shù)(沙化土壤指數(shù)SSI、土壤退化指數(shù)SDI)，可以對(duì)土壤的退化程度進(jìn)行初步評(píng)價(jià)。(2)預(yù)測土壤重金屬含量模型愈加豐富，主要包括單變量回歸(SVR)、多元線性回歸(MLR)、偏最小二乘回歸法(PLSR)等。多種預(yù)測模型相互配合可以直觀、準(zhǔn)確的監(jiān)測土壤重金屬含量。

應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，土壤是一個(gè)十分復(fù)雜的系統(tǒng)，高光譜遙感在對(duì)土壤監(jiān)測中還存在部分問題：(1)土壤中重金屬的光譜信息較為微弱，利用光譜儀的測定時(shí)容易受到陽光、溫度、水分等因素影響，收集光譜信息還有一定難度。(2)目前高光譜遙感對(duì)土壤監(jiān)測大分還是依賴室外采集樣本進(jìn)行測定光譜信息結(jié)合化學(xué)分析的方法，難以對(duì)礦區(qū)土壤進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。(3)在礦區(qū)土壤的監(jiān)測研究分析過程中沒有規(guī)范化一致性的方法，不同研究區(qū)的土壤性質(zhì)不同，在數(shù)據(jù)的確定過程中存在不確定性，建立的反演模型也有一定差異，最終導(dǎo)致光譜預(yù)測土壤重金屬含量的結(jié)果存在不確定性。因此有必要在未來的研究中結(jié)合航天航空平臺(tái)的高光譜數(shù)據(jù)建立起一套完整、精確且規(guī)范化的礦山土壤重金屬反演流程體系，更好地為礦山環(huán)境監(jiān)測服務(wù)。

2 高光譜遙感在礦區(qū)植被監(jiān)測中的應(yīng)用

植被是環(huán)境的重要組成因子，也是反應(yīng)區(qū)域生態(tài)環(huán)境的最好標(biāo)志之一[19-20]。由于礦山的開發(fā)利用過程中產(chǎn)生的選礦廢水以及采礦石尾礦渣等[21]，其中有毒的微量元素通過水體、土壤等介質(zhì)在植被內(nèi)富集[22-23]，影響植被的正常生長發(fā)育和生理生態(tài)特征，因此對(duì)礦區(qū)植被監(jiān)測也成為對(duì)礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測的重要手段之一。

2.1 利用波譜特征監(jiān)測植被污染

由于受污染的影響，植被生物化學(xué)特性發(fā)生了一系列的變化[24-25]，其中包括：色素含量的變化、葉體含水量的變化等，植被的波譜特征也會(huì)隨之變化，因此利用波譜特征來監(jiān)測植被的受污染程度成為遙感手段監(jiān)測礦區(qū)環(huán)境污染的一種主要方法。張兵等人[26]以澳大利亞MountLyell礦區(qū)為研究區(qū)，基于對(duì)主要礦物的生物地球化學(xué)效應(yīng)、植被光譜以及植被指數(shù)的分析利用植被劣化指數(shù)和吸水率不相關(guān)指數(shù)對(duì)礦區(qū)植被進(jìn)行了精確評(píng)估；胡玉玲[27]等利用地物波譜儀以及HJ1-A高光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)兗州煤礦區(qū)的植被污染情況進(jìn)行分析，利用Field Spec FR 波譜儀測試植物的波譜曲線，同時(shí)對(duì)高光譜衛(wèi)星圖像進(jìn)行處理，利用NDVI閾值法提取植被信息，獲取礦區(qū)植被的污染分布情況，然后再利用實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證反演精度，并分析礦區(qū)植被污染情況。為礦區(qū)大面積的植被污染情況分析評(píng)價(jià)提供了有效的技術(shù)手段。

2.2 復(fù)墾區(qū)植被監(jiān)測

高光譜遙感不僅可以用于對(duì)礦山植被污染的直接監(jiān)測，在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)，土地復(fù)墾中也有應(yīng)用，魏吉鑫等[28]通過無人機(jī)搭載高光譜成像儀，對(duì)龍南縣足洞礦區(qū)修復(fù)區(qū)采集植被高光譜數(shù)據(jù)，通過選定的綠度、光利用率、葉綠素含量三個(gè)植被指數(shù)對(duì)足洞礦區(qū)修復(fù)區(qū)的植被健康情況做出監(jiān)測與評(píng)價(jià)；周貝貝等人[29]收集了賈子北圍墾場址6種典型植被葉片的高光譜數(shù)據(jù)，在對(duì)其選擇特征波段的平均置信區(qū)間法的基礎(chǔ)上，采用t檢驗(yàn)選擇最佳波段構(gòu)建Fisher[30]、逐步判別(SD)和多層感知機(jī)(MLP)三種判別模型對(duì)植被類型進(jìn)行判別獲得了更加豐富的植被含水量信息；王英浩等人[31]對(duì)贛州定南縣坳背塘稀土礦區(qū)四種典型植被進(jìn)行了光譜測定，將測定數(shù)據(jù)利用Bsyes和Fisher兩種判別方法進(jìn)行光譜變換后，四種植被的分類精度有明顯提升。復(fù)墾植被的識(shí)別與分析為稀土礦區(qū)復(fù)墾植被生理參數(shù)和復(fù)墾效果監(jiān)測提供了技術(shù)支撐與理論依據(jù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)稀土礦區(qū)生態(tài)環(huán)境大規(guī)模監(jiān)測有重要意義。

概括起來，高光譜遙感在礦區(qū)植被監(jiān)測中取得的主要進(jìn)展有：(1)通過對(duì)不同波段進(jìn)行組合，提出了多種植被指數(shù)(植被指數(shù)NDVI、綠度植被指數(shù)GVI等)用來監(jiān)測礦區(qū)植被的生長情況。(2)利用線性回歸、非線性回歸及多元統(tǒng)計(jì)回歸等方法分析植被光譜特征參數(shù)，對(duì)礦區(qū)植被生長情況準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

目前高光譜遙感技術(shù)在礦區(qū)植被監(jiān)測存在的問題有：(1)在野外采集植被光譜數(shù)據(jù)時(shí)，由于植被的生長期、樹葉的陰陽面以及土壤背景等因素可能對(duì)波譜曲線有影響，最終影響分析結(jié)果。(2)在研究中，野外采集的波譜數(shù)據(jù)很難找到同時(shí)期對(duì)應(yīng)的高光譜成像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)于礦區(qū)的調(diào)查還不夠全面。(3)由于大部分研究還只是停留在驗(yàn)證階段，實(shí)驗(yàn)過程中較為依賴實(shí)地采樣化學(xué)分析的數(shù)據(jù)結(jié)果，還未能作為一種直接、大面積應(yīng)用的技術(shù)手段在礦山植被污染監(jiān)測中廣泛應(yīng)用。

隨著高光譜衛(wèi)星平臺(tái)不斷增多，配合愈加成熟的反演預(yù)測模型，在不破壞礦區(qū)植被的前提下能夠全方位，全時(shí)段監(jiān)測礦區(qū)植被污染狀況是未來的發(fā)展趨勢。

3 高光譜遙感在礦區(qū)水體監(jiān)測中的應(yīng)用

水是生命之源。在礦山的開發(fā)利用過程中，通過金屬污染物、加工化學(xué)品、酸性廢水以及腐蝕沉積物等四個(gè)方面對(duì)礦區(qū)水體造成污染[32～34]。雖然重金屬離子可以轉(zhuǎn)化成各種不同的氧化態(tài)[35]，但其也會(huì)沉淀溶解于水中，難以被生物降解[36]，長期以往，水中的重金屬離子會(huì)通過食物鏈影響人類健康[37]。因此水質(zhì)監(jiān)測工作已經(jīng)刻不容緩。相較于多光譜，高光譜遙感具備捕捉細(xì)微光譜特征的能力[38]，因此在礦區(qū)水體污染監(jiān)測工作中它有更加出色的表現(xiàn)。

3.1 礦區(qū)水體識(shí)別

馬秀強(qiáng)等[39]基于國產(chǎn)HJ-1A高光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)研究大冶銅鐵礦區(qū)的水環(huán)境水環(huán)境污染情況，通過端元提取的地物波譜特征分析，針對(duì)植被和水體波譜特征的精確高光譜數(shù)據(jù)降維，同時(shí)利用歸一化差分水體指數(shù)法進(jìn)行水體精細(xì)識(shí)別，大幅度提高了光譜精細(xì)度和識(shí)別精度，彌補(bǔ)了指數(shù)法在基于多光譜數(shù)據(jù)的大范圍波譜區(qū)間時(shí)的精度不足問題；郭秋等[40]以曹家壩礦山為例，基于環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)以研究區(qū)水體光譜特征和顏色作為標(biāo)志物，通過波段預(yù)算和灰度法對(duì)礦區(qū)水體的污染情況進(jìn)行分析，作出了較為精確的評(píng)價(jià)。

3.2 礦區(qū)水體pH值及重金屬含量反演

徐良驥等[41]以潘-礦沉陷水域所采集的光譜反射率數(shù)據(jù)，采用不同形式的數(shù)據(jù)變換(一階微分、二階微分、倒數(shù)對(duì)數(shù))對(duì)光譜信息進(jìn)行放大，采用多元逐步回歸法、單波段回歸法和波段深度與偏最小二乘(PLSR)結(jié)合3種方法對(duì)水體中的重金屬元素建立預(yù)測模型，并對(duì)3種模型進(jìn)行精確評(píng)定，確定Cu、Pb，、Zn、As、Cd和Cr六種重金屬元素最佳的預(yù)測模型，為以后礦區(qū)水體重金屬監(jiān)測工作提供了參考；朱菊蕊[42]等人利用高光譜數(shù)據(jù)對(duì)來反演礦區(qū)水體pH值和重金屬Zn含量。通過多種變換方法對(duì)原始光譜進(jìn)行處理，在此基礎(chǔ)利用相關(guān)性分析提取相關(guān)性較高的波段組合作為特征因子。運(yùn)用線性模型(多元回歸、逐步回歸)和非線性模型支持向量機(jī)建立回歸模型，并利用調(diào)整后決定系數(shù)和均方根誤差評(píng)價(jià)模型精度，選擇最佳反演模型并最終實(shí)現(xiàn)了水體pH值和土壤Zn含量的影像定量反演，為礦區(qū)污染定量化監(jiān)測構(gòu)建了技術(shù)方法體系和操作流程。

概括起來，高光譜遙感在礦區(qū)水體監(jiān)測中取得的主要進(jìn)展有：(1)利用高光譜影像數(shù)據(jù)通過波段運(yùn)算、灰度法對(duì)礦區(qū)水體進(jìn)行解譯，識(shí)別監(jiān)測水體受污染情況。(2)利用線性與非線性模型對(duì)水體中重金屬含量反演。

目前高光譜遙感技術(shù)對(duì)礦區(qū)水質(zhì)參數(shù)反演存在的問題有：(1)對(duì)于水體的識(shí)別采用多光譜高光譜數(shù)據(jù)融合方法，提高了識(shí)別精度，但融合算法較為單一。(2)水體中的重金屬含量反演預(yù)測模型還不成熟，需要大量的研究驗(yàn)證來完善。

因此在后續(xù)的研究中，有必要對(duì)水體指數(shù)以及反演模型進(jìn)行改進(jìn)，例如引進(jìn)更多的波段，加深融合算法的改進(jìn)，為礦山的水體監(jiān)測提供更加可靠有效的服務(wù)。

4 結(jié) 論

(1)礦區(qū)生產(chǎn)過程中對(duì)環(huán)境威脅最大的是重金屬污染，重金屬離子在土壤、植被及水體中均難以轉(zhuǎn)移降解，其通過農(nóng)作物，飲用水等進(jìn)入人體，并在體內(nèi)滯留富集，對(duì)礦區(qū)居民的健康危害很大。

(2)高光譜遙感對(duì)礦區(qū)土壤退化評(píng)價(jià)、土壤重金屬污染監(jiān)測、植被重金屬污染監(jiān)測、復(fù)墾區(qū)植被生長狀況評(píng)價(jià)及水體重金屬污染監(jiān)測方面均有不同程度的應(yīng)用。通過搭載在不同平臺(tái)的光譜儀采集的數(shù)據(jù)結(jié)合反演預(yù)測模型在礦山環(huán)境監(jiān)測中初見成效。

(3)高光譜遙感在礦區(qū)的環(huán)境監(jiān)測中還較為依賴實(shí)地采集樣本測定光譜信息，其受外部因素影響較大，主要應(yīng)用于礦山周邊地區(qū)的環(huán)境污染監(jiān)測，對(duì)于大面積的研究區(qū)域顯得力不從心。

(4)高光譜遙感在眾多土壤、植被以及水體重金屬含量反演模型中大部分還停留在驗(yàn)證階段，較為依賴樣品的化學(xué)分析數(shù)據(jù)作為支撐，尚無法獨(dú)立對(duì)礦區(qū)環(huán)境做出評(píng)價(jià)。

(5)隨著搭載高光譜設(shè)備的衛(wèi)星不斷升空，高質(zhì)量的高光譜影像數(shù)據(jù)不斷更新，同時(shí)逐步建立和不斷完善系統(tǒng)光譜庫，結(jié)合當(dāng)前大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新興技術(shù)對(duì)礦山環(huán)境實(shí)時(shí)、立體、全面監(jiān)測是未來的發(fā)展趨勢。

高光譜遙感涵蓋了衛(wèi)星、航空以及地面觀測，以先進(jìn)的信息提取、數(shù)據(jù)處理分析、多學(xué)科多領(lǐng)域等特點(diǎn)成為了遙感領(lǐng)域一支重要的生力軍。高光譜遙感技術(shù)在礦山環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用，正在為傳統(tǒng)礦區(qū)的環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域開辟出一條新路，由此減少傳統(tǒng)礦山監(jiān)測工作中的巨大的人力物力消耗，因此具有很好的應(yīng)用和發(fā)展前景。