基于無人機遙感影像的土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測方法研究

高魯紅

關鍵詞：土壤；重金屬污染；無人機；監(jiān)測；遙感影像

前言

土壤重金屬污染元素含量超標后，對生態(tài)環(huán)境建設產生負面影響，甚至慢性危害人們的生命安全。因此，近年來，土壤污染環(huán)境治理工作越發(fā)受到重視，相應的各種土壤污染監(jiān)測方法也開始涌現(xiàn)。文獻[2]結合一體化監(jiān)測理念，獲取目標區(qū)域土壤的反射光譜，通過改進灰狼優(yōu)化算法從反射光譜上選取特征波長，實現(xiàn)土壤污染濃度監(jiān)測。但是該方法監(jiān)測結果耗時長。文獻[3]采集該區(qū)域衛(wèi)星遙感影響，應用主導變異權重法和最鄰近法統(tǒng)一影像尺度，結合多元線性回歸模型進行反演，得到土壤污染監(jiān)測結果。但是該方法監(jiān)測結果的平均分析誤差大。文獻[4]應用無人機于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測，經過光譜數據處理、遙感反演分析等環(huán)節(jié)，實現(xiàn)污染監(jiān)測。但是該監(jiān)測方法應用局限性大。因此，因為無人機遙感的采集影像清晰度高、分辨率高的特點，在很多領域得到應用。文中參考傳統(tǒng)土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測方法，設計一種以無人機遙感影像為核心的技術，得到與實際情況相符的土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測結果。

1設計以無人機遙感影像為核心的土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測方法

1.1規(guī)劃無人機區(qū)域作業(yè)航線

考慮到監(jiān)測區(qū)域可能呈現(xiàn)為不規(guī)則的多邊形作業(yè)區(qū)域，為了保證采集的無人機遙感影像可以覆蓋整個研究區(qū)域，結合無人機遙感作業(yè)幅寬，將整個作業(yè)區(qū)域劃分為多個子作業(yè)區(qū)域，從而規(guī)劃更加合理的無人機飛行航線。在航線規(guī)劃中，以無人機飛行起始點作為坐標原點，從該點向北向和東向分別引出Y軸和X軸，形成直角坐標系，監(jiān)測區(qū)域在第一象限中。在該坐標系中設定OXY表示作業(yè)環(huán)境坐標系。設凸多邊形作業(yè)區(qū)域總共有n條邊界線，按照每一次無人機遙感影像拍攝范圍，在整個監(jiān)測區(qū)域中添加數條子區(qū)域分隔線，使得作業(yè)區(qū)域劃分為多個子作業(yè)區(qū)域。再計算每個子作業(yè)區(qū)域的橫坐標極限值，將極限值對應的坐標點看作無人機航點。按照遞推原理可得出不同航點的坐標：

1.2區(qū)域無人機遙感影像的采集與處理

無人機連續(xù)垂直航拍得到研究區(qū)域的高分辨率遙感影像，作為土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測的基礎。為了便于土壤重金屬污染監(jiān)測分析，計算不同影像之間的單應性矩陣，實現(xiàn)遙感影像的拼接，單應性矩陣需要滿足：

將上述式（3）代人式（4）內，可以確定世界坐標系內的點在圖像坐標系內的具體坐標值。根據無人機遙感影像采集原理，描述不同視點下的航拍示意圖，針對無人機遙感范圍設置對應的大地平面，并分析該平面與原點之間的距離，可得出：

1.3構建基于隨機森林的遙感反演模型

考慮到無人機遙感影像中可能同時存在植被信息和土壤信息，在遙感反演過程中，需要先應用像元二分模型提取土壤光譜信息，并計算反射率。在像元二分模型的作用下，分解影像光譜信息。

通過上述計算處理得到土壤光譜，在光譜敏感性分析處理后，從中提取光譜特征波段，并計算出光譜指數，作為反演模型的輸入變量。而后，建立以隨機森林算法為核心的遙感反演模型，按照重金屬元素類型，將原始輸入變量劃分為多個訓練子集，每個子集獨立訓練一棵決策樹，分別得到不同重金屬元素含量的回歸分析結果，再進行平均加權運算，得出土壤重金屬元素的具體含量。

如圖1所示的遙感反演回歸模型進行運算，輸出目標檢測區(qū)域土壤中每種重金屬元素的具體含量，完成土壤重金屬污染環(huán)境初步監(jiān)測。

1.4獲取土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測結果

為了得到更加直觀的土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測結果，需要進行土壤重金屬污染指數的計算。對于單一的土壤重金屬污染元素來說，對土壤的影響可以表示為式（11）：

根據綜合污染指數劃分標準可知，當式（12）的計算結果低于1，表明土壤重金屬污染環(huán)境屬于無污染級別，當綜合污染指數在1～2之間，土壤重金屬污染級別為微污染。而土壤重金屬污染環(huán)境為中污染級別時，綜合污染指數取值范圍為2～3。綜合污染指數計算結果大于3，土壤處于重度污染。

2實驗

2.1數據獲取

以岳陽縣某地區(qū)為例，應用文章中提出的基于無人機遙感影像的方法，監(jiān)測土壤重金屬污染環(huán)境。通過實地考察可知，該研究區(qū)域臨近洞庭湖，屬于關鍵產糧區(qū)域。近年來，該區(qū)域為了提升農業(yè)糧食產量，大量使用農藥、化肥等，導致土壤重金屬污染不斷加重。監(jiān)測該區(qū)域的土壤重金屬污染環(huán)境時，采用無人機搭載遙感影像采集設備，獲取實驗數據。按照文中研究內容規(guī)劃無人機航線，無人機按照航線采集遙感影像，采用的無人機產自大疆創(chuàng)新科技有限公司，相關參數見表1。

設置無人機飛行高度為150m，得到地面分辨率為0.065m的遙感影像。在完成無人機遙感處理后，得到監(jiān)測區(qū)域相關的遙感影像，作為土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測所需的基本數據。

2.2土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測結果

結合無人機控制系統(tǒng)提供的位置參數，拼接處理所有無人機遙感影像，使得多張相關影像之間進行拼接合并，最終拼接結果見圖2。

如圖2所示，兩張遙感影像配準拼接后，可以得到包含更多地表特征信息的合并圖像。而后在像元二分模型的作用下，提取遙感影像的土壤光譜信息，結合一階微分、倒數對數等方式進行變換處理，獲取無人機遙感影像的反射率，從中提取特征波段，作為基于隨機森林的遙感反演回歸模型的輸入變量。分析監(jiān)測區(qū)域可知，土壤重金屬污染元素鉻（Cr）的含量最高，造成的污染最嚴重。經過反演模型處理后，可以得到重金屬元素Cr在土壤中的含量，并繪制見圖3Cr含量分布圖。

從圖3可以看出，該區(qū)域的土壤重金屬Cr含量絕大部分都在90mg·kg-1以下，表明其土壤污染情況不是很嚴重。而進一步計算可得出，區(qū)域土壤總體環(huán)境綜合污染指數為1.8，屬于微污染級別。

2.3監(jiān)測方法性能對比

為了便于觀察土壤污染監(jiān)測結果，在研究區(qū)域內布置10個監(jiān)測點，如圖3所示。分別采用文中設計的監(jiān)測方法、文獻[4]提出的方法、文獻[5]提出的方法進行土壤污染環(huán)境監(jiān)測，文獻方法具備普遍性，可以作為代表性的對比方法進行監(jiān)測實驗，三種監(jiān)測方法得出的土壤環(huán)境污染指數如圖4所示。而后采用實地采樣加實驗室測量的方式，獲取土壤環(huán)境污染指數實際值，同樣見圖4。

從圖4可以看出，所提方法監(jiān)測得到的土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測結果與實際值極為貼近，甚至點1、4、8、10的土壤環(huán)境污染指數監(jiān)測值與實際值完全一致。而其他兩種方法監(jiān)測的土壤環(huán)境污染指數，與實際值之間存在較大偏差，這也表明所提監(jiān)測方法可以得到更加真實的監(jiān)測結果。

以均方根誤差作為衡量指標，通過式（13）對圖4中包含的數據進行計算，明確不同方法的土壤污染監(jiān)測性能。

3結束語

考慮到土壤重金屬污染具有極限的危害性，土壤重金屬污染治理工作的開展成為熱點問題。文中依托于無人機遙感影像，設計一種基于高光譜定量反演的土壤重金屬污染環(huán)境監(jiān)測方法。將目標監(jiān)測區(qū)域劃分為多個子作業(yè)區(qū)域，根據無人機遙感作業(yè)幅寬合理規(guī)劃飛行航線。采用無人機搭載多光譜遙感相機，按照作業(yè)航線驅動飛行，采集整個監(jiān)測區(qū)域的高分辨率無人機遙感影像，并基于單應性矩陣進行拼接處理，得到包含完整細節(jié)特征信息的遙感數據影像。運用像元二分模型提取影像中包含的土壤光譜信息，基于隨機森林的遙感反演回歸模型，確定土壤重金屬污染元素的具體含量，結合單因子指數法和綜合指數法，得到土壤污染指數監(jiān)測結果。從實驗驗證結果可以看出，該方法監(jiān)測結果更加貼近實際情況，指導后續(xù)污染治理工作。