丁水波，李 琦

（江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，江西 南昌 330000）

工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，雖然提高了人們的經(jīng)濟(jì)水平，但是由于排放處理不當(dāng)，也產(chǎn)生了較多的工業(yè)廢物，對(duì)生態(tài)環(huán)境也造成了相應(yīng)的影響。土壤的污染來源包括很多，例如化學(xué)肥料、農(nóng)藥、工業(yè)廢水等，在土壤中大面積擴(kuò)散，造成生態(tài)系統(tǒng)失去平衡?，F(xiàn)階段，環(huán)境監(jiān)測(cè)的方法可以分為2種，異位測(cè)定與原位測(cè)定。2種監(jiān)測(cè)方法均以特定的化學(xué)特性與化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)，對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，適用范圍較為廣泛，操作過程較為便捷。然而，對(duì)重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程的監(jiān)測(cè)結(jié)果存在一定的缺陷，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)定的目標(biāo)，且容易造成影響修復(fù)工程進(jìn)度的情況。隨著工業(yè)廢物的不斷排出，垃圾填埋場(chǎng)受到雨水的沖刷，垃圾滲濾液流經(jīng)地表，形成了較為嚴(yán)重的地下水污染。地下水中含有大量的化學(xué)物質(zhì)，長(zhǎng)期積累后進(jìn)入到土壤中，化學(xué)元素減弱了土壤對(duì)其他物質(zhì)的吸附能力。對(duì)重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程必不可少，然而在修復(fù)工程中還會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生其他的影響，因此，修復(fù)工程中的環(huán)境監(jiān)測(cè)也至關(guān)重要?；诖?，提出了重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程環(huán)境監(jiān)測(cè)方法[1-3]。

1 重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程環(huán)境監(jiān)測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)模型

本文構(gòu)建的環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)模型選取了關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的光譜系數(shù)作為輸入數(shù)據(jù)，依據(jù)輸入樣本數(shù)量選擇多項(xiàng)式核函數(shù)。多項(xiàng)式核函數(shù)局部性特征較明顯，在重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程中應(yīng)用廣泛，能夠適用于不同類型的樣品。將數(shù)據(jù)集分成K份，根據(jù)多項(xiàng)式函數(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分類，將所有的數(shù)據(jù)集循環(huán)使用。依據(jù)交叉選取方法選擇數(shù)據(jù)集中的最佳參數(shù)作為本文構(gòu)建模型的參數(shù)。

將輸入數(shù)據(jù)與地下水修復(fù)工程中的水環(huán)境參數(shù)濃度值進(jìn)行對(duì)比，在模型構(gòu)建前將所有數(shù)據(jù)集統(tǒng)一處理，得到相應(yīng)的預(yù)測(cè)值。本文構(gòu)建的環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)模型傳感參數(shù)如表1所示。

表1 環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)模型傳感參數(shù)

根據(jù)表1可知，本文構(gòu)建的監(jiān)測(cè)模型的中心波長(zhǎng)與波段寬度存在一定的差異，傳感器的可見光波段相關(guān)性較強(qiáng)，有利于波段之間的關(guān)系校正。將重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程的所有獨(dú)立驗(yàn)證數(shù)據(jù)應(yīng)用到構(gòu)建參數(shù)模型中[4]。

相同參數(shù)的模型較傳統(tǒng)的線性模型的監(jiān)測(cè)精度有所提高，對(duì)樣本總體的誤差也較低。對(duì)于不同渾濁程度的樣本，誤差率也相應(yīng)不同。在地下水環(huán)境修復(fù)工程的遙感監(jiān)測(cè)中，可獲取的實(shí)際樣本數(shù)量有限，環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)模型的監(jiān)測(cè)精度也受到了一定的限制。將本文構(gòu)建的監(jiān)測(cè)模型與Landsat數(shù)據(jù)相結(jié)合，能夠?qū)Φ叵滤h(huán)境監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)時(shí)序進(jìn)行反演，獲取監(jiān)測(cè)環(huán)境中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

1.2 MODIS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理

基于上述構(gòu)建的環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)模型，獲取到重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程環(huán)境監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。通過光譜儀，獲取監(jiān)測(cè)環(huán)境的光譜波段，要求覆蓋13.25微米內(nèi)的全光譜范圍。在地下水環(huán)境中波段的信號(hào)較飽和，對(duì)于識(shí)別水體的污染與修復(fù)程度存在一定的困難，MODIS數(shù)據(jù)能夠較好地解決此類問題，在小型水體區(qū)域內(nèi)能夠?qū)啙岫冗M(jìn)行反演。

MODIS的波段反射率與地下水環(huán)境中的泥沙濃度存在一定的關(guān)聯(lián)，在地下水修復(fù)工程中變化明顯，整體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信噪比較高，對(duì)MODIS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理是整個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)方法的重要組成部分。將重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程中的大氣校正值與幾何校正值進(jìn)行優(yōu)化，得出優(yōu)化后的數(shù)據(jù)值，此數(shù)據(jù)值不包含空氣中的大氣分子的干擾。

由于土壤與地下水環(huán)境的自然環(huán)境變化較頻繁，本文選用375m的分辨率，波段1與波段2的傳感參數(shù)，確定中心波長(zhǎng)的選值范圍在675nm～895nm之間。基于多項(xiàng)式擬合控制地面的布設(shè)點(diǎn)與遙感監(jiān)測(cè)中的對(duì)應(yīng)點(diǎn)變換關(guān)系，對(duì)土壤中的監(jiān)測(cè)值具有較高的糾正精度。通過MODIS匹配的操作設(shè)備將坐標(biāo)系導(dǎo)出，基于噪聲與精確度的要求，對(duì)獲取到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理，最終得到近紅外波閾值的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提取出研究區(qū)域所需數(shù)據(jù)值。

1.3 改進(jìn)遙感監(jiān)測(cè)空間插值

通過對(duì)MODIS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)處理，得到了近紅外波閾值的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，完成了環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要一步。在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)空間插值對(duì)于監(jiān)測(cè)結(jié)果也存在較大的影響。本文利用反演算法對(duì)空間插值進(jìn)行了改進(jìn)?？臻g插值指的是根據(jù)已知的樣點(diǎn)與數(shù)據(jù)，探索出其存在的規(guī)律，插入到研究區(qū)域的數(shù)據(jù)求算閾值。插值方法在預(yù)測(cè)估值前進(jìn)行假設(shè)，模擬監(jiān)測(cè)環(huán)境的變化與采集樣品數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布，不同的插值方式對(duì)實(shí)際效果具有不同的影響。為了使插值結(jié)果較為精確，選用較多的樣本點(diǎn)，使其分布得越均勻越好[5-7]。

設(shè)定每個(gè)采樣點(diǎn)都具有一定的局限性，此種局限性會(huì)隨著污染程度與修復(fù)程度的增大而減弱，在一定數(shù)量下，局限性特征導(dǎo)致采樣點(diǎn)的權(quán)重較大。在保證擬合表面曲率最小的情況下，通過改變最小曲率與采樣點(diǎn)的數(shù)量，對(duì)監(jiān)測(cè)空間插值進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。此種方法適用于表面屬性多變的情況，例如土壤的污染面積與地下水修復(fù)的深度等。

監(jiān)測(cè)空間插值在一定程度上反映了地下水修復(fù)在空間變化中的關(guān)系，以及土壤污染程度受重金屬的影響程度。改進(jìn)遙感監(jiān)測(cè)空間插值，使得數(shù)據(jù)擬合的曲面方差減小，將輸入點(diǎn)的實(shí)際值與預(yù)測(cè)值的誤差率降到最低。

2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程環(huán)境監(jiān)測(cè)方法的可行性，進(jìn)行了以下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。將本文提出的方法與傳統(tǒng)的影像幾何環(huán)境監(jiān)測(cè)方法的植被反演指數(shù)NDVI進(jìn)行對(duì)比。首先，構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)模型，獲取到中心波長(zhǎng)與波段寬度、空間分辨率等參數(shù)信息；對(duì)MODIS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，提取到實(shí)驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)值；根據(jù)數(shù)據(jù)值對(duì)空間插值進(jìn)行改進(jìn)。

綠色植物具有一定的特性，不同生長(zhǎng)環(huán)境中的植被反演指數(shù)NDVI存在一定的差異。將綠色植物放置于近紅外波段小于1.1nm的環(huán)境中，反射的波段比例控制在45%之內(nèi)，利用光譜儀探測(cè)植被的變化。根據(jù)探測(cè)到的植被變化獲取到的植被響應(yīng)能力，能夠綜合光譜信號(hào)，為重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程提供定量的環(huán)境監(jiān)測(cè)信息，通過計(jì)算植被反演指數(shù)，進(jìn)而判斷環(huán)境監(jiān)測(cè)方法的有效性，植被反演指數(shù)計(jì)算公式如下：

其中，ρa(bǔ)ir表示大氣中植被的響應(yīng)能力；ρred表示近紅外波中植被的響應(yīng)能力。通過計(jì)算得出兩種環(huán)境監(jiān)測(cè)方法的植被反演指數(shù)，如表2所示。

表2 兩種環(huán)境監(jiān)測(cè)方法的植被反演指數(shù)對(duì)比

根據(jù)表2可知，本文提出的重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程環(huán)境監(jiān)測(cè)方法的植被反演指數(shù)較傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法相比，相同的空間分辨率下，本文提出的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法的植被反演指數(shù)較低，中心波長(zhǎng)與波段寬度參數(shù)更加精確。因此，通過實(shí)驗(yàn)證明了本文提出的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法更加有效。

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)對(duì)重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程環(huán)境監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了研究，并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了此種方法的可行性。通過與傳統(tǒng)的影像幾何環(huán)境監(jiān)測(cè)方法的植被反演指數(shù)進(jìn)行對(duì)比，本文提出的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法的植被反演指數(shù)較低，中心波長(zhǎng)與波段寬度更加精確，更加適用于重金屬污染土壤與地下水修復(fù)工程的環(huán)境監(jiān)測(cè)。