基于高光譜的土壤重金屬污染監(jiān)測方法研究

關(guān)鍵詞：機(jī)載光譜掃描儀；高光譜數(shù)據(jù)；自然環(huán)境污染源；K-means聚類算法

中圖分類號(hào)：X830.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

隨著工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)與發(fā)展，一些重金屬元素被排放到水體中，導(dǎo)致土壤重金屬污染日益嚴(yán)重。這不僅影響農(nóng)作物的生長發(fā)育，還威脅人類健康與生態(tài)環(huán)境安全。因此，國內(nèi)外很多學(xué)者致力于土壤重金屬污染監(jiān)測方法的研究。李有文等人通過采集并檢測土壤淺表層地質(zhì)污染指數(shù)，實(shí)現(xiàn)土壤重金屬污染監(jiān)測，該方法存在準(zhǔn)確度低的問題。任加國等人通過將多元統(tǒng)計(jì)方法和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)合，預(yù)測土壤樣本中重金屬含量，實(shí)現(xiàn)土壤重金屬污染監(jiān)測。魯汭等人通過MFC型生態(tài)毒性傳感器監(jiān)測土壤樣本中的特異性離子，實(shí)現(xiàn)土壤重金屬污染監(jiān)測。然而在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，上述多種方法受到重金屬污染濃度的限制，存在監(jiān)測精度不高的問題。為了解決上述方法中存在的問題，研究提出了一種基于高光譜的土壤重金屬污染監(jiān)測方法。

1基于機(jī)載光譜掃描儀采集大區(qū)域土壤樣本

研究應(yīng)用機(jī)載光譜掃描儀，在設(shè)定采集路線后，采集土壤樣本的高光譜數(shù)據(jù)集。

1.1設(shè)定采集路線

考慮到污染土壤的重金屬類型較為多樣，且土壤的土質(zhì)污染變化情況也不同，因此，可大致將待采集地區(qū)劃分為兩部分：一部分土壤的重金屬元素超標(biāo)或存在高危重金屬元素，屬于數(shù)據(jù)采集的重點(diǎn)區(qū)域；另外一部分土壤的重金屬含量并未超過國際污染協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)的平均指標(biāo)，或不存在高危重金屬元素，因此屬于數(shù)據(jù)采集的次級(jí)區(qū)域。這種并不均勻的污染分布情況，增加了機(jī)載光譜掃描儀的工作負(fù)擔(dān)，因此在獲取大區(qū)域土壤污染數(shù)據(jù)前，需要將問題由繁化簡，制定一條不存在數(shù)據(jù)遺漏的可行性采集路徑。

在啟動(dòng)機(jī)載光譜掃描儀后，利用地理信息技術(shù)和衛(wèi)星定位技術(shù)在待采集土壤范圍內(nèi)，無縫投射波長精度為1800 nm～2 500 nm的高分辨光譜。正常情況下，光譜反射現(xiàn)象僅存在陸地土壤中，且由于不同土地的環(huán)境、能量差異較大，因此不同污染程度的土地表現(xiàn)為不同的光譜反射效應(yīng)。受到重金屬污染的土壤內(nèi)部環(huán)境和能量已完全崩壞，其受到光譜投射時(shí)所產(chǎn)生的光譜反射效應(yīng)遵循重金屬元素的反射邏輯。

以高危重金屬Cd元素為例，其在遭受光譜投射后，元素原子并沒有任何實(shí)際語義的反饋，而是通過最小二乘法重組元素內(nèi)部的稀疏結(jié)構(gòu)，釋放與光譜波形、頻率相近的稀疏信號(hào)。機(jī)載光譜掃描儀通過連續(xù)投影算法感應(yīng)到來自土壤的稀疏信號(hào)后，會(huì)根據(jù)信號(hào)波形和信號(hào)頻率粗略判定該土壤內(nèi)存在的重金屬信息，并記錄在掃描儀云端。后續(xù)采集路徑會(huì)根據(jù)云端信息制定。最小二乘法的表達(dá)式如（1）：

經(jīng)過隨機(jī)森林算法作用的高光譜數(shù)據(jù)并未脫離正定矩陣因子分析模型，數(shù)據(jù)權(quán)重的變化將會(huì)通過單變量回歸的方式傳遞至該模型的任意像素陣中，在大幅度縮減像素陣鄰域值的同時(shí)，也縮減了高光譜數(shù)據(jù)間的距離，直至高光譜數(shù)據(jù)緊致排列在鄰域值為零或趨近于零的像素陣中時(shí)，高光譜數(shù)據(jù)集組建成功。數(shù)據(jù)權(quán)重的傳遞公式如（6）：

3實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的基于高光譜的土壤重金屬污染監(jiān)測方法的整體有效性，設(shè)計(jì)如下測試過程。

實(shí)驗(yàn)選擇河南省商丘市的多個(gè)行政規(guī)劃區(qū)作為土壤樣本采集點(diǎn)。商丘市現(xiàn)在的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，工業(yè)占據(jù)了主導(dǎo)地位。工業(yè)發(fā)展以重工業(yè)為主，導(dǎo)致環(huán)境污染嚴(yán)重。該地區(qū)土壤普遍存在Cd、Cr、Pb等重金屬元素污染。以該地區(qū)為例，驗(yàn)證不同方法對土壤重金屬污染的監(jiān)測能力。分別采用所提方法、文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法監(jiān)測該地區(qū)的土壤重金屬污染情況，通過對比不同方法下Cd、Cr、Pb污染濃度的監(jiān)測結(jié)果，判斷不同方法對土壤重金屬污染的監(jiān)測性能。不同方法下Cd、Cr、Pb污染濃度的監(jiān)測結(jié)果見圖1。

圖1中，采用所提方法監(jiān)測該地區(qū)Cd、Cr、Pb的污染濃度，其監(jiān)測結(jié)果不會(huì)受到重金屬元素的污染濃度限制，即便是較低濃度的污染，所提方法也能夠監(jiān)測出來，這說明所提方法不存在由于重金屬污染濃度過低而產(chǎn)生監(jiān)測無效的問題，即所提方法對土壤重金屬污染的監(jiān)測效果好。

因?yàn)樗岱椒ú捎酶吖庾V分類技術(shù)對采集到的土壤樣本的高光譜數(shù)據(jù)集分類，這樣獲取的最終監(jiān)測結(jié)果的可信度更高，效果更好。采用文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法監(jiān)測該地區(qū)Cd、Cr、Pb的污染濃度，二者監(jiān)測結(jié)果極易受到重金屬元素的污染濃度限制。圖2中，文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法下Cd、Cr兩重金屬元素在0.4 mg/mL以下時(shí)存在無效監(jiān)測；Pb元素在0.6 mg/mL以下時(shí)存在無效監(jiān)測，這說明文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法存在由于重金屬污染濃度過低而產(chǎn)生監(jiān)測無效的問題，即文獻(xiàn)[2]方法和文獻(xiàn)[3]方法對土壤重金屬污染的監(jiān)測效果差。經(jīng)上述對比，可知所提方法對土壤重金屬污染的監(jiān)測性能強(qiáng)。

圖2不僅顯示出了不同方法下重金屬元素濃度的監(jiān)測效果，還存在相同時(shí)間間隔不同方法監(jiān)測濃度的差異。為了進(jìn)一步確認(rèn)不同方法對土壤重金屬污染的監(jiān)測準(zhǔn)確度，分別采用所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法監(jiān)測該地區(qū)土壤的Cd元素污染情況，并將監(jiān)測值和實(shí)際值一同代人回歸方程中，獲取基于不同方法的回歸線見圖2。

圖2中，采用所提方法監(jiān)測該地區(qū)土壤的Cd污染情況，其監(jiān)測值和實(shí)際值以1：1左右緊密的分布在回歸線周圍，說明采用所提方法監(jiān)測土壤重金屬污染情況，其監(jiān)測值與實(shí)際值的重疊率高，準(zhǔn)確度高。采用文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法監(jiān)測該地區(qū)土壤的Cd污染情況，二者監(jiān)測值和實(shí)際值以1：1左右散亂地分布在回歸線四周，說明采用文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法監(jiān)測土壤重金屬污染情況，二者監(jiān)測值與實(shí)際值的重疊率低，準(zhǔn)確度低。經(jīng)上述對比，進(jìn)一步驗(yàn)證了所提方法的準(zhǔn)確度較高。

結(jié)合上述內(nèi)容，總結(jié)高光譜監(jiān)測方法與傳統(tǒng)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，見表2。

4結(jié)語

土壤作為全球?qū)氋F的生命資源，其肥沃程度、養(yǎng)分含量是影響農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。近年來，環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，除水、空氣、植物這些維持人類生命的重要資源遭受污染外，土壤也受到化工制品的迫害，也出現(xiàn)重金屬元素超標(biāo)等污染問題。重金屬污染具有污染范圍廣、持續(xù)時(shí)間長、污染隱蔽性、無法被生物降解等特點(diǎn)，為了給農(nóng)作物的生長提供優(yōu)質(zhì)的土壤環(huán)境、維護(hù)土壤生態(tài)安全，相關(guān)人員投入到土壤重金屬污染監(jiān)測方法的探索之中。這對這一問題，研究以高光譜為技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種土壤重金屬污染監(jiān)測方法。在采集土壤高光譜樣本后，分析土壤中重金屬元素的生物特征，并提取高光譜數(shù)據(jù)特征，再利用K-means聚類算法判斷土壤重金屬污染的類型，實(shí)現(xiàn)了高精度的監(jiān)測。