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【光谱学堂】高光谱遥感监测土壤重金属污染存在的问题和发展趋势

发布：天津中科谱光信息技术有限公司

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1. 存在的问题

污染土壤中重金属的光谱信息非常微弱，目前利用高光谱遥感检测土壤重金属仍存在较多的问题，因此要以高光谱遥感技术对土壤重金属含量进行定量反演，总体上仍具有较大难度[1]。

(1) 土壤是一个复杂的混合系统，重金属污染土壤中重金属元素的光谱信息较为微弱，利用高光谱遥感测定土壤反射光谱数据还需排除光照、温度、水分、有机质等多种环境因素的影响; 因此，对光谱信息的收集、处理、建模和反演都有较高的难度。

(2) 目前利用高光谱遥感监测土壤重金属污染，仍处于室外采集土壤样品、室内分析的检测阶段，短时间内难以实现航空、航天空间遥感来动态监测。

(3) 利用高光谱遥感定量反演重金属元素含量的定量模型仍然存在预测精度不高的问题。

(4) 利用高光谱遥感监测大面积土壤重金属污染时，要考虑尺度变化对土壤重金属光谱特征波段的影响，随着监测尺度的不断增大，环境因素必然更加复杂和多样化，对土壤光谱信息的干扰也更严重。

2. 发展趋势

虽然目前高光谱遥感检测土壤重金属还存在较多缺陷和不足，但是随着现代科学技术、土壤检测仪器的逐渐发展成熟，高光谱遥感在监测土壤重金属污染方面仍具有巨大的发展潜力[2]。

2.1 由点到面的多方面、多角度原位立体监测土壤重金属的污染范围和程度。

利用高光谱遥感影像资料可以从污染源、土壤颜色、植物叶片颜色和形态变化、植物生理生化指标变化来判断土壤重金属污染状况，还可定量检测农产品中重金属含量，从各个方面和角度监测土壤重金属污染。

2.2 由被动检测上升到主动监测。

传统的检测方法需要进行室外取样、室内化学分析，不能提前防控，只有在土壤污染后才可检测出来; 而且只能以点代面，无法做到大面积监测，因此属于被动检测方法。而高光谱遥感技术可以实现由点到面的大面积原位监测，无论土壤是否被重金属污染，都能实时立体监测。这有助于人们早发现、早治理，做好管控工作，属于主动监测方法。而且高光谱遥感的平台较多，从地面到航空再到航天平台，可以在各尺度上实时、快速、主动监测土壤重金属污染。对于日益严重的土壤重金属污染状况，高光谱遥感技术将会成为主要的监测手段。

2.3 由化学检测转变到综合监测实验室化学检测方法属于异位检测，无法满足快速、大面积获取土壤重金属污染信息的需求。而随着高光谱遥感技术的发展，未来可以利用不同的遥感平台综合获取大面积的农田土壤重金属的光谱信息。小范围上利用手持传感器、遥感车等，中等范围上利用无人机、热气球等航空平台，大范围上利用人造地球卫星等航天平台获取高光谱遥感数据; 从而实时、快速、综合地获取土壤重金属污染信息，做到大面积原位立体监测、综合监测和治理土壤重金属污染。

2.4 多学科、多技术结合，从大尺度上监测土壤重金属污染使高光谱遥感与地理信息系统、定位系统结合，综合利用地面便携式高光谱仪、航空遥感、航天遥感获取土壤重金属污染的光谱信息，通过生态学、分子生物学、计算机科学、传感器技术等跨学科的交叉融合，ZZ实现土壤重金属污染的宏观动态监测，实时掌握大面积土壤重金属污染的信息，判断土壤重金属污染的程度、类型和深度等，构建大面积原位立体监测系统，以此实现早发现、早治理。这也是未来高光谱遥感监测土壤重金属污染的主要发展趋势。

3. 便携式土壤智能监测仪 HS-S-P (400-1700)

针对土壤检测的应用需求，便携式土壤智能监测仪可实时采集颗粒物的光谱信息，并通过4G/5G网络实时传输至光谱大数据云服务平台，实现无损、快速地完成对土壤的检测。检测数据可通过无线网络实时传输并在智能手机终端显示，目前已完成超过1500多个样本的光谱采集，平均检测精度超过95%。