基于無人機(jī)遙感影像的土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測方法研究

高魯紅

關(guān)鍵詞：土壤；重金屬污染；無人機(jī)；監(jiān)測；遙感影像

前言

土壤重金屬污染元素含量超標(biāo)后，對(duì)生態(tài)環(huán)境建設(shè)產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至慢性危害人們的生命安全。因此，近年來，土壤污染環(huán)境治理工作越發(fā)受到重視，相應(yīng)的各種土壤污染監(jiān)測方法也開始涌現(xiàn)。文獻(xiàn)[2]結(jié)合一體化監(jiān)測理念，獲取目標(biāo)區(qū)域土壤的反射光譜，通過改進(jìn)灰狼優(yōu)化算法從反射光譜上選取特征波長，實(shí)現(xiàn)土壤污染濃度監(jiān)測。但是該方法監(jiān)測結(jié)果耗時(shí)長。文獻(xiàn)[3]采集該區(qū)域衛(wèi)星遙感影響，應(yīng)用主導(dǎo)變異權(quán)重法和最鄰近法統(tǒng)一影像尺度，結(jié)合多元線性回歸模型進(jìn)行反演，得到土壤污染監(jiān)測結(jié)果。但是該方法監(jiān)測結(jié)果的平均分析誤差大。文獻(xiàn)[4]應(yīng)用無人機(jī)于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，經(jīng)過光譜數(shù)據(jù)處理、遙感反演分析等環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)污染監(jiān)測。但是該監(jiān)測方法應(yīng)用局限性大。因此，因?yàn)闊o人機(jī)遙感的采集影像清晰度高、分辨率高的特點(diǎn)，在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。文中參考傳統(tǒng)土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測方法，設(shè)計(jì)一種以無人機(jī)遙感影像為核心的技術(shù)，得到與實(shí)際情況相符的土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測結(jié)果。

1設(shè)計(jì)以無人機(jī)遙感影像為核心的土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測方法

1.1規(guī)劃無人機(jī)區(qū)域作業(yè)航線

考慮到監(jiān)測區(qū)域可能呈現(xiàn)為不規(guī)則的多邊形作業(yè)區(qū)域，為了保證采集的無人機(jī)遙感影像可以覆蓋整個(gè)研究區(qū)域，結(jié)合無人機(jī)遙感作業(yè)幅寬，將整個(gè)作業(yè)區(qū)域劃分為多個(gè)子作業(yè)區(qū)域，從而規(guī)劃更加合理的無人機(jī)飛行航線。在航線規(guī)劃中，以無人機(jī)飛行起始點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，從該點(diǎn)向北向和東向分別引出Y軸和X軸，形成直角坐標(biāo)系，監(jiān)測區(qū)域在第一象限中。在該坐標(biāo)系中設(shè)定OXY表示作業(yè)環(huán)境坐標(biāo)系。設(shè)凸多邊形作業(yè)區(qū)域總共有n條邊界線，按照每一次無人機(jī)遙感影像拍攝范圍，在整個(gè)監(jiān)測區(qū)域中添加數(shù)條子區(qū)域分隔線，使得作業(yè)區(qū)域劃分為多個(gè)子作業(yè)區(qū)域。再計(jì)算每個(gè)子作業(yè)區(qū)域的橫坐標(biāo)極限值，將極限值對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)看作無人機(jī)航點(diǎn)。按照遞推原理可得出不同航點(diǎn)的坐標(biāo)：

1.2區(qū)域無人機(jī)遙感影像的采集與處理

無人機(jī)連續(xù)垂直航拍得到研究區(qū)域的高分辨率遙感影像，作為土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測的基礎(chǔ)。為了便于土壤重金屬污染監(jiān)測分析，計(jì)算不同影像之間的單應(yīng)性矩陣，實(shí)現(xiàn)遙感影像的拼接，單應(yīng)性矩陣需要滿足：

將上述式（3）代人式（4）內(nèi)，可以確定世界坐標(biāo)系內(nèi)的點(diǎn)在圖像坐標(biāo)系內(nèi)的具體坐標(biāo)值。根據(jù)無人機(jī)遙感影像采集原理，描述不同視點(diǎn)下的航拍示意圖，針對(duì)無人機(jī)遙感范圍設(shè)置對(duì)應(yīng)的大地平面，并分析該平面與原點(diǎn)之間的距離，可得出：

1.3構(gòu)建基于隨機(jī)森林的遙感反演模型

考慮到無人機(jī)遙感影像中可能同時(shí)存在植被信息和土壤信息，在遙感反演過程中，需要先應(yīng)用像元二分模型提取土壤光譜信息，并計(jì)算反射率。在像元二分模型的作用下，分解影像光譜信息。

通過上述計(jì)算處理得到土壤光譜，在光譜敏感性分析處理后，從中提取光譜特征波段，并計(jì)算出光譜指數(shù)，作為反演模型的輸入變量。而后，建立以隨機(jī)森林算法為核心的遙感反演模型，按照重金屬元素類型，將原始輸入變量劃分為多個(gè)訓(xùn)練子集，每個(gè)子集獨(dú)立訓(xùn)練一棵決策樹，分別得到不同重金屬元素含量的回歸分析結(jié)果，再進(jìn)行平均加權(quán)運(yùn)算，得出土壤重金屬元素的具體含量。

如圖1所示的遙感反演回歸模型進(jìn)行運(yùn)算，輸出目標(biāo)檢測區(qū)域土壤中每種重金屬元素的具體含量，完成土壤重金屬污染環(huán)境初步監(jiān)測。

1.4獲取土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測結(jié)果

為了得到更加直觀的土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測結(jié)果，需要進(jìn)行土壤重金屬污染指數(shù)的計(jì)算。對(duì)于單一的土壤重金屬污染元素來說，對(duì)土壤的影響可以表示為式（11）：

根據(jù)綜合污染指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)可知，當(dāng)式（12）的計(jì)算結(jié)果低于1，表明土壤重金屬污染環(huán)境屬于無污染級(jí)別，當(dāng)綜合污染指數(shù)在1～2之間，土壤重金屬污染級(jí)別為微污染。而土壤重金屬污染環(huán)境為中污染級(jí)別時(shí)，綜合污染指數(shù)取值范圍為2～3。綜合污染指數(shù)計(jì)算結(jié)果大于3，土壤處于重度污染。

2實(shí)驗(yàn)

2.1數(shù)據(jù)獲取

以岳陽縣某地區(qū)為例，應(yīng)用文章中提出的基于無人機(jī)遙感影像的方法，監(jiān)測土壤重金屬污染環(huán)境。通過實(shí)地考察可知，該研究區(qū)域臨近洞庭湖，屬于關(guān)鍵產(chǎn)糧區(qū)域。近年來，該區(qū)域?yàn)榱颂嵘r(nóng)業(yè)糧食產(chǎn)量，大量使用農(nóng)藥、化肥等，導(dǎo)致土壤重金屬污染不斷加重。監(jiān)測該區(qū)域的土壤重金屬污染環(huán)境時(shí)，采用無人機(jī)搭載遙感影像采集設(shè)備，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。按照文中研究內(nèi)容規(guī)劃無人機(jī)航線，無人機(jī)按照航線采集遙感影像，采用的無人機(jī)產(chǎn)自大疆創(chuàng)新科技有限公司，相關(guān)參數(shù)見表1。

設(shè)置無人機(jī)飛行高度為150m，得到地面分辨率為0.065m的遙感影像。在完成無人機(jī)遙感處理后，得到監(jiān)測區(qū)域相關(guān)的遙感影像，作為土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測所需的基本數(shù)據(jù)。

2.2土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測結(jié)果

結(jié)合無人機(jī)控制系統(tǒng)提供的位置參數(shù)，拼接處理所有無人機(jī)遙感影像，使得多張相關(guān)影像之間進(jìn)行拼接合并，最終拼接結(jié)果見圖2。

如圖2所示，兩張遙感影像配準(zhǔn)拼接后，可以得到包含更多地表特征信息的合并圖像。而后在像元二分模型的作用下，提取遙感影像的土壤光譜信息，結(jié)合一階微分、倒數(shù)對(duì)數(shù)等方式進(jìn)行變換處理，獲取無人機(jī)遙感影像的反射率，從中提取特征波段，作為基于隨機(jī)森林的遙感反演回歸模型的輸入變量。分析監(jiān)測區(qū)域可知，土壤重金屬污染元素鉻（Cr）的含量最高，造成的污染最嚴(yán)重。經(jīng)過反演模型處理后，可以得到重金屬元素Cr在土壤中的含量，并繪制見圖3Cr含量分布圖。

從圖3可以看出，該區(qū)域的土壤重金屬Cr含量絕大部分都在90mg·kg-1以下，表明其土壤污染情況不是很嚴(yán)重。而進(jìn)一步計(jì)算可得出，區(qū)域土壤總體環(huán)境綜合污染指數(shù)為1.8，屬于微污染級(jí)別。

2.3監(jiān)測方法性能對(duì)比

為了便于觀察土壤污染監(jiān)測結(jié)果，在研究區(qū)域內(nèi)布置10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，如圖3所示。分別采用文中設(shè)計(jì)的監(jiān)測方法、文獻(xiàn)[4]提出的方法、文獻(xiàn)[5]提出的方法進(jìn)行土壤污染環(huán)境監(jiān)測，文獻(xiàn)方法具備普遍性，可以作為代表性的對(duì)比方法進(jìn)行監(jiān)測實(shí)驗(yàn)，三種監(jiān)測方法得出的土壤環(huán)境污染指數(shù)如圖4所示。而后采用實(shí)地采樣加實(shí)驗(yàn)室測量的方式，獲取土壤環(huán)境污染指數(shù)實(shí)際值，同樣見圖4。

從圖4可以看出，所提方法監(jiān)測得到的土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際值極為貼近，甚至點(diǎn)1、4、8、10的土壤環(huán)境污染指數(shù)監(jiān)測值與實(shí)際值完全一致。而其他兩種方法監(jiān)測的土壤環(huán)境污染指數(shù)，與實(shí)際值之間存在較大偏差，這也表明所提監(jiān)測方法可以得到更加真實(shí)的監(jiān)測結(jié)果。

以均方根誤差作為衡量指標(biāo)，通過式（13）對(duì)圖4中包含的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，明確不同方法的土壤污染監(jiān)測性能。

3結(jié)束語

考慮到土壤重金屬污染具有極限的危害性，土壤重金屬污染治理工作的開展成為熱點(diǎn)問題。文中依托于無人機(jī)遙感影像，設(shè)計(jì)一種基于高光譜定量反演的土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測方法。將目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域劃分為多個(gè)子作業(yè)區(qū)域，根據(jù)無人機(jī)遙感作業(yè)幅寬合理規(guī)劃飛行航線。采用無人機(jī)搭載多光譜遙感相機(jī)，按照作業(yè)航線驅(qū)動(dòng)飛行，采集整個(gè)監(jiān)測區(qū)域的高分辨率無人機(jī)遙感影像，并基于單應(yīng)性矩陣進(jìn)行拼接處理，得到包含完整細(xì)節(jié)特征信息的遙感數(shù)據(jù)影像。運(yùn)用像元二分模型提取影像中包含的土壤光譜信息，基于隨機(jī)森林的遙感反演回歸模型，確定土壤重金屬污染元素的具體含量，結(jié)合單因子指數(shù)法和綜合指數(shù)法，得到土壤污染指數(shù)監(jiān)測結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果可以看出，該方法監(jiān)測結(jié)果更加貼近實(shí)際情況，指導(dǎo)后續(xù)污染治理工作。