土壤污染監測衛星遙感應用需求與載荷配置初探

趙少華，朱軍，白志杰，屈然，劉思含，王玉，熊文成，尹歡，孟慶巖，田金雨

(1.生態環境部衛星環境應用中心/國家環境保護衛星遙感重點實驗室，北京 100094；2.航天東方紅衛星有限公司，北京 100094；3.中國科學院空天信息創新研究院，北京 100094)

土壤是指地球表面的一層疏松的物質，它是生態環境與農業發展的物質基礎之一。土壤環境是由固相、液相和氣相三相物質組成的多相分散體系，土壤環境質量特別是其污染狀況是目前關注的熱點。土壤環境監測是指通過對影響土壤環境質量因素的代表值進行測定，從而確定環境質量(或污染程度)及其變化趨勢。土壤污染是指具有生理毒性的物質或過量植物營養元素進入土壤而導致土壤性質惡化和植物生理功能失調的現象。近年來，我國土壤污染事件頻發，如2009年湖南省瀏陽市鎘污染事件、2011年云南省曲靖市鉻渣非法傾倒事件、2016年常州外國語學校土壤污染事件等，土壤污染越來越受到人們的重視。2016年5月國務院印發《土壤污染防治行動計劃》[1]，針對我國目前土壤污染現狀，部署了今后一個時期的土壤污染防治工作。2018年6月，中共中央、國務院發布《關于全面加強生態環境保護 堅決打好污染防治攻堅戰的意見》指出，扎實推進凈土保衛戰，全面實施土壤污染防治行動計劃，突出重點區域、行業和污染物，有效管控農用地和城市建設用地土壤環境風險。這充分反映了我國土壤污染的嚴重性，同時體現了黨和國家對土壤污染防治工作的高度重視。

我國土壤環境總體狀況堪憂，部分地區污染較為嚴重[1]。局部區域耕地土壤環境質量堪憂，工礦業廢棄地土壤環境問題突出。工礦業排出的廢水廢渣、農業施用的化肥農藥等人為活動以及土壤環境背景值高是造成土壤污染或污染物超標的主要原因[2]。我國農田土壤重金屬污染形式多樣，區域污染風險突出(陳衛平，等，2018)。土壤污染已經嚴重影響到糧食和食品安全乃至人類的身體健康，土壤污染監管和治理已經迫在眉睫。土壤污染治理的首要任務是開展土壤監測，掌握土壤污染狀況。

監測土壤污染的傳統方法主要是地面監測[3]，如測定土壤污染的元素分析儀、便攜式土壤分析儀等，具有較高的精確度，但取樣和化驗費時費力，并且大多局限在點測量的范圍，難以實現大范圍快速監測，無法滿足實際工作中大面積監測土壤環境的應用需求[4]。遙感技術具有監測范圍大、時效快、獲取周期短等特點，特別是發展迅速的多源遙感技術手段，已廣泛應用于資源環境、水文、氣象、地質地理等領域。土壤污染遙感監測主要利用遙感技術進行土壤污染的識別、反演、監管或風險評價，包括光譜機理、土壤污染反演、植被脅迫遙感反演等方面[5]。

目前國內外還沒有專門針對土壤污染開展監測的衛星。所以，面對嚴峻的土壤污染環境形勢，非常有必要研發探測土壤污染的土壤環境監測衛星，總結土壤污染遙感監測現狀，分析土壤污染敏感波段，梳理土壤環境監測的遙感應用需求，設計土壤環境監測衛星搭載的載荷，提出土壤環境遙感監測的空間分辨率、時間分辨率、光譜分辨率、幅寬等技術指標需求，為國家土壤污染防治以及其他領域生態環境保護等提供支持。

1 土壤污染遙感監測現狀

土壤的光譜特征是土壤理化參數的綜合反映，土壤光學遙感利用土壤的反射光譜信息，實現土壤參數的快速測定、土壤光譜信息與遙感影像數據的結合應用。遙感技術飛速發展，特別是高光譜遙感因其波段多且連續，已被廣泛應用于信息識別和提取。土壤污染中，重金屬屬于微量元素，在土壤中含量極其微小，對光譜特征的影響較弱。因此，很難直接通過分析重金屬元素光譜特征來估算其含量。

很多國內外學者發現，借助重金屬元素與土壤有機質、黏土礦物、鐵錳氧化物、碳酸鹽礦物之間的吸附或賦存關系，可以間接反演土壤重金屬元素含量[6]。Kemper和Sommer在西班牙的研究表明[7]，鐵以及鐵的氧化物的吸收峰值所處波長范圍對于相關性分析最為有利，鐵在700nm和870nm有吸收特征，可利用快速有效的反射光譜預測被尾礦殘留污染的土壤；鉛在700～1400nm范圍內有一個平緩寬泛的吸收峰，在1400nm、1900nm和2200nm處陡峭的吸收峰隨著鉛濃度的升高而減緩，在摻雜的污染源泥塊重量占比小于50%時這些吸收峰均可識別。黃長平等[8]在實驗室利用偏最小二乘方法分析了南京城郊土壤重金屬銅遙感反演的最佳波段，結果選出530nm、536nm、1434nm、1512nm、1648nm、1764nm、1836nm、1886nm、2094nm、2284nm處10個敏感波段，為高光譜遙感提供了較好的理論依據。宋練等[9]發現重慶萬盛礦區土壤在近紅外波段2320nm與1755nm、2260nm與2210nm、1920nm與可見光波段480nm的反射率比值分別與砷、鎘和鋅含量存在較好的相關性。宋婷婷等[10]基于ASTER遙感影像在云南個舊礦區，利用乘積變換的波段變換方法研究了土壤鋅污染的情況。結果表明，481nm、1000nm、1220nm處是鋅的敏感波段，相關性最好的波段在515nm處，鋅反演的最佳模型為偏最小二乘回歸模型。蔡東全等[11]利用HJ-1A高光譜遙感數據和偏最小二乘回歸方法在膠東半島的龍口市污水灌溉區的研究表明，銅、錳、鎳、鉛、砷的重金屬離子含量在480～950nm波段內具有較好的遙感建模和反演效果。肖捷穎[12]篩選出土壤鎘重金屬含量相關性高的原始光譜波段、一階微分波段，建立了鎘含量估算逐步回歸模型。張秋霞等[13]使用土壤重金屬的共用敏感波段結合最小估計方法，實現了多種重金屬含量估測。遲光宇等[14]對土壤原始光譜進行一階和二階微分變換，篩選出多種重金屬的敏感波段，同時總結了常用于估算重金屬含量的光譜植被指數。夏芳等[15]在重金屬與土壤有機質的相關性基礎上，利用光譜結合偏最小二乘法建立了8種重金屬的估算模型。龔紹琦等[16]對土壤重金屬與土壤光譜變量進行了相關分析，并利用逐步回歸分析方法建立了土壤重金屬鉻、銅、鎳的最佳遙感模型。劉華等[17]利用EO-1衛星Hyperion 高光譜儀提取各波段平均波長的光譜反射率，并結合實驗室實測的土壤重金屬含量，用偏最小二乘法預測鹽沼土壤重金屬鋅、鉻和銅的含量，相關系數均達到極顯著水平。潘勇等[18]利用地面高光譜數據經主成分分析后結合不同的判別方法實現土壤中金屬元素錳的估算。Tan等[19]在研究垃圾站和煤矸石再利用土壤中砷富集情況時，在實驗室測得土壤高光譜數據進行砷含量的反演，模型相關系數達到0.94。Thomas等[20]對礦難地區土壤進行實驗室分析，建立光學模型監測土壤中砷、汞、鉛、硫、銻污染情況，模型R2>0.72。Caaminee等[21]使用地面高光譜采集土壤光譜信息，結合偏最小二乘法實現鉛、銅、鎘、錳的高精度觀測。目前，國內外利用遙感技術針對土壤中滴滴涕、多環芳烴、六六六開展污染監測的相關研究鮮有報道。李淑敏等[22]采用光譜儀測量111個北京地區農業土壤樣本光譜曲線，并利用光譜分析的方法分析了8種土壤重金屬(鉻、鎳、銅、鋅、砷、鎘、鉛、汞)含量與可見—近紅外光譜反射率的相關關系和土壤重金屬的光譜特征。結果表明，一階微分光譜最適于獲取土壤中的重金屬元素信息，土壤重金屬含量與反射光譜之間存在顯著相關關系。熊文成等[7]綜述了土壤污染遙感監測的進展，并從國家管理需求角度，指出遙感技術在土壤污染源遙感監管、土壤污染風險管控、土壤調查布點優化、土壤污染反演研究等方面的應用前景。趙少華等[23]從城鎮土壤污染遙感監測數據源、模型方法和存在的問題等方面分析了城鎮土壤污染遙感監測現狀。其分析認為，目前土壤污染物濃度定量化監測總體上還比較困難，機載監測應用效果尚可，星載監測應用的研究還較少，急需攻克星載土壤污染物濃度定量化遙感監測的技術瓶頸。

表1 土壤污染的敏感波段分析

綜合上述，利用遙感技術開展對土壤重金屬污染的監測研究絕大多數集中在地面高光譜儀器方面，也有少量利用衛星監測土壤污染的研究探索，個別研究也取得了較好效果。但整體而言，土壤污染在衛星影像上的信號還比較弱，土壤污染遙感監測的效果特別是污染物濃度的定量化反演等還不理想，許多區域的研究還需要更多區域和更長時間序列的衛星數據進行應用測試。

2 土壤污染遙感工作任務需求分析

(1)全國土壤污染場地/污染源動態監測與評估：開展全國土壤污染場地/污染源遙感動態監測，重點監測污染場地分布及利用方式和類型等的動態變化、污染源周邊植被脅迫狀況變化并進行評估，利用遙感技術優化全國土壤污染監測點位設置。

(2)設施農業土壤污染監測與評估：基于長時間序列遙感影像，構建土壤污染反演模型及土壤污染農產品脅迫效應模型，監測歷年農膜空間分布和使用量，定量估測殘膜含量。

(3)礦產資源集中開采區土壤污染監測與分析：針對礦山、油田等礦產資源集中開采區內的場地特征污染物，開展土壤污染范圍及污染程度遙感監測，并結合場地周邊生態敏感區空間信息對土壤污染場地進行風險評估。

(4)城市及其周邊區域土壤環境監測與風險評估：開展城市及其周邊區域土壤污染源遙感監測，識別重點污染源位置、規模、類型、年限等信息，分析城市及其周邊區域土壤污染源總量、分布等特征，結合區域地形等相關數據評估城市土壤環境風險。

(5)農田及礦山土壤重金屬含量遙感監測與分析：開展全國土壤污染典型農田和礦山等土壤重金屬含量遙感監測、分析和評估。

3 遙感應用技術指標和載荷配置需求

根據土壤環境遙感監測應用的工作需求，提出土壤環境監測衛星搭載的載荷配置建議和主要技術指標要求。對載荷配置，設計搭載CCD相機、高光譜成像儀、全譜段光譜成像儀、大氣校正儀等載荷。土壤污染主要監測重金屬和有機污染物濃度、位置分布，結合現有的研究和應用水平，主要需要高光譜分辨率、高空間分辨率和高信噪比載荷。高光譜分辨率、高信噪比載荷用來反演土壤污染物含量，高空間分辨率用來精細確定具體污染的地塊，二者結合就可以比較精細地反映局部區域土壤污染的空間分布。具體需求指標見表2。

表2 遙感應用技術指標和載荷配置需求

4 建議及對策

近年來，土壤污染逐漸成為焦點問題，監測和治理土壤污染成為生態環境保護的主要任務之一。目前，土壤污染主要依靠地面監測，遙感技術監測土壤污染尚處于起步和探索階段，仍存在許多不足。土壤污染高光譜和多源數據定量化遙感監測、發射土壤污染監測衛星是發展方向，主要包括如下方面：

(1)加緊開展土壤污染監測衛星應用技術預先研究，利用已發射的高分五號、高分六號等多源衛星和長時間序列數據，特別是高光譜衛星遙感數據，結合地面觀測試驗，針對不同的土壤重金屬污染種類，研究機載和星載衛星載荷可探測出的重金屬污染物的最低濃度臨界值，攻克土壤重金屬污染含量等定量遙感監測關鍵技術，并在土壤污染典型區域開展應用示范。

(2)基于實驗室、地面和衛星、航空的土壤遙感光譜分析，優選出對土壤污染敏感的波段，并針對這些波段設計研發高信噪比的土壤污染多光譜、高光譜載荷，以增強載荷對土壤污染物的敏感性，實現對土壤污染的有效監測。

(3)立項研制并發射土壤污染監測衛星，搭載高光譜、紅外、高空間分辨率等系列載荷，發揮衛星遙感技術在土壤污染防治工作中的重要作用。