在現(xiàn)階段， 環(huán)境污染情況受到了人們的廣泛關(guān)注， 國民環(huán)保意識也在不斷提升， 因此這也推動了環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。土壤是環(huán)境保護(hù)中的重點內(nèi)容， 在土壤使用中存在諸多的污染情況， 其中重金屬對土壤污染比較顯著， 為了實現(xiàn)對土壤有效的保護(hù)就需要做好土壤重金屬污染監(jiān)測， 監(jiān)測中高光譜遙感的應(yīng)用比較普遍， 下面， 本文就針對土壤重金屬污染監(jiān)測中高光譜遙感的應(yīng)用進(jìn)行分析， 并對其具體應(yīng)用進(jìn)行深入分析。

土地是人們生存的根本， 隨著土壤污染情況的頻繁出現(xiàn)， 人們的土壤保護(hù)意識也是越來越強(qiáng)烈， 重金屬是土壤污染中的主要類型， 其對土壤的性質(zhì)產(chǎn)生巨大的影響， 這就需要對土壤重金屬污染進(jìn)行監(jiān)測， 來為土壤保護(hù)奠定基礎(chǔ)。在土壤重金屬污染監(jiān)測中， 需要使用到相應(yīng)的設(shè)備和技術(shù)， 經(jīng)過不斷的探索和研究， 高光譜遙感得到了廣泛應(yīng)用， 而高光譜遙感如何在土壤重金屬污染監(jiān)測中進(jìn)行應(yīng)用， 就是本文主要研究的內(nèi)容。

1 高光譜遙感概述

對于高光譜遙感來說， 主要是通過很窄且連續(xù)性光譜的通道來對地物進(jìn)行持續(xù)的遙感并成像的科技技術(shù)。于可見光至短波的紅外波段中， 光譜的分辨率達(dá)到了納米的數(shù)量級級別， 其一般有著多波段特點， 且光譜的通道數(shù)也達(dá)到了數(shù)十到數(shù)百個， 其各光譜的通道間也常具有連續(xù)性， 因此， 此技術(shù)又常被稱作成像光譜的遙感技術(shù)。高光譜遙感集中于電磁波譜可見的光、近、中和熱等紅外的波段內(nèi)， 其成像的光譜儀能夠進(jìn)行上百非常窄光譜的波段信息收集， 和傳統(tǒng)遙感比較， 此成像的光譜儀能夠?qū)γ恳怀上裣笤M(jìn)行小于10 nm的成像波段提供， 且于某光譜區(qū)間還呈連續(xù)分布。

2 土壤重金屬污染監(jiān)測中高光譜遙感的應(yīng)用

2.1 高光譜遙感的反演對象確立

對土壤的重金屬監(jiān)測中， 高光譜遙感波段主要是可見光與紅外的區(qū)域， 因為土壤內(nèi)重金屬具有吸附組成性， 且自身的理化性質(zhì)也具有差異性， 重金屬的吸附機(jī)理也是不一樣的， 這就導(dǎo)致土壤的重金屬監(jiān)測中高光譜的反演建模最佳的波段存在較大差異性。經(jīng)過相關(guān)研究表明， 其測量的效果比可見光到近紅外的光譜要有顯著的優(yōu)越性， 且中紅外的光譜還能夠估算出不同土壤重金屬的含量。在廣東陽江地區(qū)農(nóng)田土壤的重金屬監(jiān)測中， 就對汞、鉛、砷、銅和鋅等類型重金屬的元素污染情況進(jìn)行分析， 以此為基礎(chǔ)篩選出高光譜遙感的反演需要重金屬的元素。在研究區(qū)的表層土壤內(nèi)， 重金屬的含量特征和土壤環(huán)境的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)如下表1所示。

2.2 土壤的光譜數(shù)據(jù)處理

在對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析前， 由于樣品制備和裝樣的條件等都難以達(dá)到一致， 其光譜儀噪聲也可能對測量產(chǎn)生誤差影響， 因此這就需要對測得土壤的光譜數(shù)據(jù)先進(jìn)行處理， 來避免出現(xiàn)差異對樣品成分進(jìn)行掩蓋以及對后續(xù)判別的分析效果產(chǎn)生影響。本文就主要從原始光譜斷點修正、平滑處理、標(biāo)準(zhǔn)正交的變換、多次散射的校正和光譜微分的技術(shù)等進(jìn)行處理。斷點修正方面， 光譜儀一般在不同光段具有不同探測的元件， 因此在此兩類的探測元件進(jìn)行結(jié)合位置處就會存在一定的偏差， 其位置曲線會出現(xiàn)明顯的陡變， 想要對此誤差進(jìn)行消除， 就需要借助光譜儀其斷點修正的工具來對原始的光譜曲線實施校正。平滑處理方面， 因為光譜儀不同波段間對相應(yīng)能量的響應(yīng)存在差別， 造成光譜的曲線不光滑情況， 可以借助相應(yīng)的濾波器來對其數(shù)據(jù)實施平滑性處理， 想要突出其處理的效果， 還可以對相應(yīng)的波段曲線實施放大處理。標(biāo)準(zhǔn)正交的變換方面， 主要對背景以及漂移等對信號差生的影響進(jìn)行消除， 先要把樣本的所有變量都進(jìn)行減去變量最小值的處理， 然后實施線性基線的校正， 把樣本中對起點和終點連接的線進(jìn)行水平線的調(diào)整。多次散射的校正主要為了對顆粒的不均勻分布和顆粒大小的散射等影響進(jìn)行消除。光譜微分的技術(shù)能夠?qū)Σ糠只€與其它背景干擾進(jìn)行消除， 對重疊峰進(jìn)行分辨， 來提升分辨率以及靈敏度。

2.3 重金屬污染的評價方法

2.3.1 多元回歸分析

對于多元回歸分析來說， 是自動從大量的可供選擇變量內(nèi)， 來選擇出進(jìn)行回歸方程構(gòu)建的重要變量。把回歸的變量逐個進(jìn)行選入， 而選入條件為偏回歸的平方與顯著， 在每選入一新變量之后， 需要對已經(jīng)選入各變量進(jìn)行逐個顯著性的檢驗， 對不顯著的變量進(jìn)行剔除， 經(jīng)過這樣反復(fù)的選入、檢查和剔除， 一直持續(xù)到無法進(jìn)行剔除以及不能選入。此分析法中， 于逐步回歸的計算前要對檢驗的水平實施檢驗， 保證每一個變量都具備顯著檢驗的水平， 并當(dāng)作引入以及變量剔除依據(jù)， 對不同情況的檢驗水平所確定標(biāo)準(zhǔn)也是不同的。經(jīng)過逐步計算， 計算項目是被引入的回歸方程中變量系數(shù)和復(fù)相關(guān)的系數(shù)， 且還需要對殘差項目進(jìn)行計算。按照土壤內(nèi)重金屬的含量和土壤反射的光譜相關(guān)性分析， 就能夠找到與重金屬的元素具有較好相關(guān)性的光譜波段， 并對各個重金屬的含量和特征波段光譜的變量實施多元回歸的分析。

2.3.2 偏最小二乘回歸法

對于偏最小二乘回歸法來說， 它是一種比較新型的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析法， 同時對光譜分析十分有效， 因此得到了光譜數(shù)據(jù)的處理中普遍應(yīng)用， 它主要進(jìn)行多因變量和多自變量回歸建模的研究， 尤其是當(dāng)各個變量的內(nèi)部高度存在線性相關(guān)性， 此分析法更加有效。此分析法能夠提供多對多類型線性回歸的建模法， 如果兩組變量存在很多的個數(shù)， 同時它們具有多重的相關(guān)性特點， 觀測的數(shù)據(jù)數(shù)量也比較少， 其和傳統(tǒng)多元線性的回歸分析法比較， 就能夠有效的解決多元線性的回歸法對多重共線等問題， 實現(xiàn)對提取的光譜信息概括， 來準(zhǔn)確的進(jìn)行重金屬的元素含量定量反演。在研究中可以通過相關(guān)軟件來對所采集土壤的光譜實施預(yù)處理和偏最小二乘的回歸模型建立， 借助相關(guān)軟件能夠?qū)庾V的曲線實施連續(xù)性去除， 經(jīng)過分析能夠獲取土壤光譜特征所具有的吸收帶和相應(yīng)特征的吸收波段情況， 借助相關(guān)軟件還能夠?qū)ν寥乐亟饘俸亢筒煌庾V的變量間相關(guān)的系數(shù)進(jìn)行計算。

2.4 模型建立

在監(jiān)測模型的建立中， 通過多元線性的回歸法進(jìn)行模型建立， 如果研究土壤的樣本數(shù)是比變量的維數(shù)要小的， 則其對土壤光譜的反射率和土壤其重金屬的含量關(guān)系監(jiān)測是比較困難的， 且還存在運算復(fù)雜的情況， 即便通過此回歸預(yù)測法進(jìn)行模型的建立， 由于光譜波段間共線性問題就會導(dǎo)致建立預(yù)測的模型存在很大的不穩(wěn)定性， 因此其預(yù)測準(zhǔn)確性就會產(chǎn)生影響。也難以保證。而通過偏最小二乘回歸法進(jìn)行建模， 對高度相關(guān)波長的變量進(jìn)行壓縮， 就能夠有效的進(jìn)行多重共線的問題解決和處理， 實現(xiàn)對光譜信息的充分利用和概括， 且使能夠促進(jìn)這些壓縮產(chǎn)生獨立變量的成分能夠更好的進(jìn)行因變量性土壤內(nèi)重金屬的含量變化解釋。

比如， 在對寶山礦區(qū)的農(nóng)田土壤重金屬污染監(jiān)測中， 因為樣本的數(shù)量是有限的， 想要實現(xiàn)對所有樣本的充分利用， 防止其出現(xiàn)過度擬合情況， 就建立了最小二乘回歸模型。此模型運用了逐一交叉的檢驗法， 每次進(jìn)行1個樣本的去除， 而剩下的樣本就當(dāng)作一建模的樣本集來擬合相應(yīng)的回歸方程形式， 后把前面所去除的樣本向回歸方程進(jìn)行輸入， 就能夠擬合該樣本對應(yīng)擬合值， 把此過程進(jìn)行重復(fù)實施， 一直到所有的樣本都被去除并又輸入回歸的模型中， 通過如此的循環(huán)就能夠產(chǎn)生具有相同數(shù)目容量檢驗的樣本集， 因此能夠獲取個樣本所對應(yīng)擬合值情況。把所有的樣本都輸入上述所構(gòu)建的模型內(nèi)實施運算， 就會通過計算輸出相應(yīng)的預(yù)測值， 然后對全部樣本的輸入值、實測值以及預(yù)測值等輸出值的數(shù)據(jù)實施分析， 就能夠得到根方的根誤， 從而根據(jù)其來進(jìn)行此模型精度的評判， 也就是判斷土壤內(nèi)重金屬的含量實測值和預(yù)測值之間具有的差異性。

通過將寶山礦區(qū)的農(nóng)田土壤重金屬污染數(shù)據(jù)向模型中進(jìn)行輸入， 發(fā)現(xiàn)由于礦山的開采已導(dǎo)致周邊的農(nóng)田土壤受到了重金屬的嚴(yán)重污染， Pb和Cd的污染值已經(jīng)超過了5， 表現(xiàn)極嚴(yán)重的污染， Zn和As的污染值超過了3但小于5， 其表現(xiàn)強(qiáng)度污染的情況， 這都說明它們的含量已經(jīng)超出農(nóng)田生產(chǎn)土壤環(huán)境的質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)。土壤內(nèi)重金屬的污染和總鐵的含量有著顯著的相關(guān)性， 同時對重金屬的含量和土壤室內(nèi)的高光譜具有的反射率間相關(guān)性實施分析， 盡管沒有呈現(xiàn)出光譜的特征， 而通過它們和具備光譜特征含量間相關(guān)性， 對其單變量的波段以及多元的統(tǒng)計進(jìn)行了分析， 并得到了相應(yīng)結(jié)果。

3 結(jié)語

綜上所述， 高光譜遙感是一種新型的監(jiān)測技術(shù)， 其在土壤重金屬污染監(jiān)測中的應(yīng)用有效的實現(xiàn)了對其重金屬含量的有效監(jiān)測， 但是在此技術(shù)的應(yīng)用中還需要根據(jù)實際的情況規(guī)范技術(shù)的實施， 同時在土壤監(jiān)測領(lǐng)域發(fā)展中， 還需要對其不斷進(jìn)行探索和研究， 促進(jìn)其更好的得到應(yīng)用。

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