李力生, 彭瑪麗

(四川金核礦業(yè)有限公司,四川成都 610052)

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高光譜遙感數(shù)據(jù)在農(nóng)作物重金屬脅迫調(diào)查中的應(yīng)用

李力生, 彭瑪麗

(四川金核礦業(yè)有限公司,四川成都 610052)

利用高光譜遙感數(shù)據(jù)對(duì)四川崇州地區(qū)研究作物進(jìn)行光譜角匹配識(shí)別，結(jié)合光化學(xué)植被指數(shù)，有效劃分了可評(píng)價(jià)區(qū)域。隨后對(duì)采樣點(diǎn)處遙感光譜信息進(jìn)行了提取，運(yùn)用線性回歸及多元回歸方法，建立了光學(xué)信息與土壤各重金屬含量間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并結(jié)合潛在生態(tài)危害指數(shù)法進(jìn)行脅迫等級(jí)的劃分，取得了良好的調(diào)查效果。

高光譜遙感回歸；經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?；重金屬脅迫

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)土壤重金屬污染問(wèn)題越來(lái)越被重視，如何準(zhǔn)確、高效地進(jìn)行土壤重金屬污染調(diào)查對(duì)后期修復(fù)治理尤為重要。高光譜遙感技術(shù)具有覆蓋廣、光譜信息全、實(shí)時(shí)快速等特點(diǎn)，近年來(lái)被廣泛的運(yùn)用于農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域。研究區(qū)“十萬(wàn)畝良田”示范基地位于崇州市最宜發(fā)展農(nóng)業(yè)的西南平原，土壤肥沃，水系發(fā)達(dá)，是成都重點(diǎn)打造的農(nóng)產(chǎn)品示范項(xiàng)目。筆者通過(guò)對(duì)研究區(qū)土壤重金屬As、Cr、Cd、Pb、Hg含量和光學(xué)信息間的回歸分析，建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停赃_(dá)到預(yù)測(cè)區(qū)域性土壤重金屬脅迫等級(jí)的目的。

1　數(shù)據(jù)和方法

1.1影像數(shù)據(jù)該研究采用HJ-1A號(hào)衛(wèi)星高光譜遙感數(shù)據(jù)，地面分辨率為100 m×100 m，光譜涵蓋460～950 nm，有115個(gè)譜段。由于高光譜數(shù)據(jù)波譜前段有明顯條帶現(xiàn)象，且前段波譜受干擾較大，研究主要使用紅谷至紅外波段(660～900 nm[1-2]共計(jì)42個(gè)譜段)。

1.2地物識(shí)別為從遙感影像上快速獲取研究作物分布情況，使用ENVI軟件對(duì)研究作物進(jìn)行光譜角匹配識(shí)別(SAM)，目標(biāo)波譜采用10個(gè)實(shí)地調(diào)查點(diǎn)中最相近的4個(gè)波譜，調(diào)整Rule Threshold至剛好完整覆蓋實(shí)地調(diào)查的10個(gè)樣點(diǎn)，且未包含5個(gè)非研究植物點(diǎn)。研究通過(guò)Vegetation Index Calculator工具計(jì)算植被指數(shù)[3]，提取光化學(xué)植被指數(shù)(圖1)、類胡蘿卜素反射指數(shù)中無(wú)值像元可得非植被覆蓋區(qū)域(圖1中藍(lán)色區(qū)域)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)光化學(xué)植被指數(shù)(PRI)不僅能識(shí)別植物與非植物(建筑、水體等)而且還具有一定識(shí)別條帶干擾的作用，是植被指數(shù)中識(shí)別無(wú)效區(qū)的最佳指數(shù)。對(duì)比SAM識(shí)別結(jié)果和光化學(xué)植被指數(shù)識(shí)別的非植物區(qū)(圖2)，可見(jiàn)重合部分較少，SAM識(shí)別作物效果良好。

圖1　光化學(xué)植被指數(shù)(PRI)Fig.1　Photochemical vegetation index(PRI)

圖2　研究作物及非植物區(qū)Fig.2　Research crops and non plant area

1.3實(shí)地調(diào)查及采樣該研究采樣點(diǎn)布設(shè)遵循全面、代表、客觀、隨機(jī)性原則，采用棋盤式布點(diǎn)法等距采樣，鑒于研究區(qū)為不規(guī)則形狀，設(shè)左上角任一點(diǎn)為原點(diǎn)，以1 000 m為調(diào)查采樣間距，結(jié)合ArcGIS軟件，布置采樣點(diǎn)。綜合SAM識(shí)別結(jié)果和提取無(wú)效區(qū)ROI，剔除不在作物區(qū)域或在無(wú)效區(qū)域上的點(diǎn)后，確立了44個(gè)有效調(diào)查采樣點(diǎn)。由于一個(gè)采樣點(diǎn)所占影像像元大小為100 m×100 m(設(shè)為1個(gè)采樣單元)，因此需在采樣單元中使用對(duì)角線法設(shè)置5個(gè)點(diǎn)采集土壤樣本。最終各單元土壤重金屬值為5個(gè)采樣土壤去除異常值后的平均值。實(shí)地調(diào)查采樣后可知44個(gè)點(diǎn)中有42個(gè)為研究作物，識(shí)別正確率達(dá)95%，識(shí)別效果優(yōu)異。

1.4數(shù)據(jù)分析基于數(shù)學(xué)回歸思想，采用IBM SPSS22軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，選用線性回歸和多元回歸建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚2，4]，分析土壤重金屬元素含量與光學(xué)信息間的關(guān)系。光學(xué)信息為660～900 nm波段上的微分光譜、光譜特征參數(shù)以及植被指數(shù)[5-7]，結(jié)合實(shí)際光譜確定具體研究光學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1[2,7-9]。

表1　土壤重金屬各光學(xué)參數(shù)

1.5評(píng)價(jià)方法重金屬脅迫評(píng)價(jià)采用潛在生態(tài)危害指數(shù)法，該方法是一種綜合考慮土壤重金屬含量、重金屬的生態(tài)、環(huán)境效應(yīng)與毒理等因素的科學(xué)評(píng)價(jià)方法[10]。計(jì)算公式為：

2　結(jié)果與分析

2.1擬合模型將42個(gè)采樣點(diǎn)的各光學(xué)信息與實(shí)際重金屬數(shù)據(jù)帶入SPSS中進(jìn)行回歸分析，通過(guò)不斷對(duì)比各回歸結(jié)果，獲得土壤各重金屬最優(yōu)擬合模型見(jiàn)表2。

表2　土壤各重金屬最優(yōu)擬合模型

2.2重金屬脅迫評(píng)價(jià)通過(guò)樣品分析可知土壤RI最高值為145，42個(gè)采樣點(diǎn)均處在污染指數(shù)RI輕微生態(tài)危害階段，反映了研究區(qū)重金屬總體綜合污染程度輕微。但單項(xiàng)污染中Hg污染系數(shù)大于40的有10個(gè)單元，均為中度生態(tài)危害；Cd污染系數(shù)大于40的有20個(gè)單元，其中1個(gè)為強(qiáng)生態(tài)危害、19個(gè)為中等生態(tài)危害；As、Cr、Pb均小于40，生態(tài)危害輕微。由于擬合模型預(yù)測(cè)值區(qū)間的限定，因此理論可預(yù)測(cè)RI值區(qū)間為(44，156)，區(qū)間外模型可能不適用，為適應(yīng)研究區(qū)污染狀況，該研究在可預(yù)測(cè)區(qū)間內(nèi)對(duì)重金屬脅迫等級(jí)進(jìn)行劃分，劃分后單項(xiàng)污染系數(shù)和脅迫等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表和RI分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

使用ENVI Band Math波段運(yùn)算工具及Density Slice工具[3]，構(gòu)建相關(guān)模型，生成模型參數(shù)，提取研究無(wú)效區(qū)后，生成可預(yù)測(cè)區(qū)域的污染指數(shù)圖(圖3)和脅迫等級(jí)圖(圖4)。

圖3　可預(yù)測(cè)RI值分布Fig.3　Predictable RI value distribution

圖4　可預(yù)測(cè)脅迫等級(jí)分布Fig.4　Predictable stress level distribution

從圖4可看出，研究區(qū)內(nèi)可評(píng)價(jià)區(qū)域絕大部分處于脅迫等級(jí)Ⅰ、Ⅱ級(jí)，農(nóng)作物受重金屬脅迫較小，整體生態(tài)環(huán)境質(zhì)量良好；作物脅迫Ⅲ級(jí)地塊呈零散分布，究其原因可能是脅迫地塊農(nóng)作中未合理進(jìn)行農(nóng)藥施用或周圍存在排污地物(養(yǎng)殖場(chǎng)、工廠、垃圾堆積地)導(dǎo)致。

2.3模型檢驗(yàn)對(duì)42對(duì)重金屬實(shí)測(cè)值和模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行誤差分析，獲得的平均絕對(duì)百分誤差、平均誤差及均方根誤差[4]見(jiàn)表4。

表4各重金屬實(shí)測(cè)值和模型預(yù)測(cè)值誤差

Table 4Error of heavy metal measured value and model predicted value

重金屬Heavymetal平均絕對(duì)百分誤差Meanabsolutepercentageerror∥%平均誤差A(yù)verageerror均方根誤差RootmeansquareerrorAs20.42972.0251052.398869Cd16.27320.0412940.047292Cr1.55041.4207221.774667Hg13.1950.0126970.014906Pb5.14471.7440672.122031RI7.3256.3164978.011817

由表4可知，As、Cd、Hg元素的平均絕對(duì)百分誤差較大，誤差相對(duì)真實(shí)值百分比較高；RI雖然平均絕對(duì)百分誤差較小，但平均誤差、均方根誤差數(shù)值較大，反映出預(yù)測(cè)值和真值在數(shù)值上偏差較大。該項(xiàng)目著重研究脅迫程度，且運(yùn)用表3脅迫分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)判別42個(gè)調(diào)查點(diǎn)實(shí)際與預(yù)測(cè)脅迫程度，有36個(gè)判別正確，正確率達(dá)到85.7%，由此可見(jiàn)誤差在可接受范圍內(nèi)，構(gòu)建模型有良好的脅迫預(yù)測(cè)效果。

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谖粗c(diǎn)預(yù)測(cè)的效果，研究對(duì)比了10個(gè)未知點(diǎn)的實(shí)際重金屬數(shù)據(jù)及模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，獲得相關(guān)誤差見(jiàn)表5。在脅迫等級(jí)的劃分中，10個(gè)點(diǎn)脅迫等級(jí)判別正確率達(dá)到了90%，證明了模型在脅迫等級(jí)劃分中的有效性。

由表4、5可知，構(gòu)建模型對(duì)土壤重金屬含量、污染指數(shù)、脅迫等級(jí)有良好的預(yù)測(cè)效果，能粗略地預(yù)測(cè)種植研究作物的土壤中重金屬的含量，并能較為準(zhǔn)確地劃分污染脅迫等級(jí)。

表5　10個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)誤差情況

3　結(jié)論

該研究以崇州十萬(wàn)畝良田區(qū)為研究區(qū)域，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法回歸擬合構(gòu)建土壤重金屬與光學(xué)信息間的數(shù)學(xué)模型，用以預(yù)測(cè)土壤重金屬值及脅迫情況。該方法能快速有效地獲取區(qū)域土壤重金屬含量粗略信息及較為準(zhǔn)確地作物重金屬脅迫情況，但是構(gòu)建模型的預(yù)測(cè)值與真實(shí)值間仍有一定的誤差，因此不能完全精確的獲取土壤重金屬值。該研究流程適用于區(qū)域性農(nóng)耕土壤重金屬含量及脅迫粗略調(diào)查，能為今后農(nóng)耕土壤治理修復(fù)、土地規(guī)劃等提供依據(jù)，奠定農(nóng)業(yè)綠色健康可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

該研究獲取的遙感影像有明顯條帶現(xiàn)象，光譜信息的真實(shí)性有一定削減，勢(shì)必對(duì)研究有根本上的影響，并且傳統(tǒng)條帶處理手段可能引入新的干擾也不宜使用，同時(shí)遙感影像固有的易受外界干擾的影響的性質(zhì)也不利于研究。因此，獲取及使用高質(zhì)量的高光譜遙感影像有利于提高研究的真實(shí)性、可靠性。

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Application of Hyperspectral Remote-sensing Data in Investigation of Heavy Metal Stress for Crops

LI Li-sheng, PENG Ma-li

(Sichuan Jinhe Mining Co. Ltd., Chengdu, Sichuan 610052)

The appraisable area was divided effectively by using hyperspectral remote-sensing data to differentiate the corner matching for research crops of Chongzhou area, Sichuan, combining with the photochemical vegetation index. By extracting the remote sensing spectral information from the sampling positions, a classical model for optical information and soil heavy metal contents was established with linear regression and multiple regression method. On the basis of the above work and the stress grade division of potential ecological risk assessment, this research has achieved prominent survey effect.

Hyperspectral remote sensing regression; Empirical model; Heavy metal stress

李力生(1992- )，男，四川成都人，從事遙感及物探技術(shù)研究。

2016-06-24

S 127

A

0517-6611(2016)24-238-03