山區(qū)非法冶煉重金屬遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)方法研究

蘇闖 張靜 * 李營(yíng)

（1.廣東省固體廢物和化學(xué)品環(huán)境中心，廣東 廣州 510308；2.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094）

1 引言

重金屬污染是影響人民群眾身體健康的突出環(huán)境問(wèn)題之一，我國(guó)歷來(lái)重視重金屬污染問(wèn)題的監(jiān)控與防治，制定了一系列法規(guī)政策。2011 年，我國(guó)頒布首個(gè)重金屬污染防治專項(xiàng)規(guī)劃——《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》，力求控制重金屬污染。“十三五”時(shí)期，重金屬污染防控取得積極成效，但一些地區(qū)重金屬污染問(wèn)題仍然突出，威脅人民群眾的身體健康。“十四五”時(shí)期，重金屬污染防控以持續(xù)改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為核心，以防控重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)，以重金屬污染物減排為抓手，注重減污降碳協(xié)同增效，深入開展重點(diǎn)行業(yè)重金屬污染綜合治理，有效防控重金屬污染。2022 年3 月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)重金屬污染防控的意見》，要求堅(jiān)持精準(zhǔn)、科學(xué)、依法治污，深入有效監(jiān)測(cè)管控重金屬污染，切實(shí)維護(hù)生態(tài)環(huán)境安全和人民群眾健康。

有色金屬冶煉業(yè)是重金屬污染主要來(lái)源之一，而非法冶煉重金屬往往缺少完備的污染防治措施，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成更為嚴(yán)重的污染；此外，非法冶煉重金屬往往在夜間作案且地點(diǎn)較為隱秘，人工監(jiān)測(cè)難以及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)，且監(jiān)測(cè)范圍有限，目前主要依靠群眾舉報(bào)的方式。遙感具有大范圍、長(zhǎng)時(shí)序的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，能夠主動(dòng)監(jiān)測(cè)識(shí)別大范圍內(nèi)的疑似非法冶煉重金屬行為，為整治非法冶煉重金屬行為提供技術(shù)支撐，對(duì)監(jiān)測(cè)非法冶煉重金屬具有重要意義。

針對(duì)國(guó)內(nèi)外非法冶煉重金屬現(xiàn)狀與問(wèn)題，本文通過(guò)融合衛(wèi)星及無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)，建立衛(wèi)星反演—無(wú)人機(jī)驗(yàn)證的監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)疑似非法冶煉重金屬的遙感監(jiān)測(cè)。

2 研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外面向遙感監(jiān)測(cè)非法冶煉重金屬的相關(guān)研究相對(duì)較少，主要集中在土壤重金屬含量遙感反演。在重金屬遙感反演的數(shù)據(jù)方面，最早是使用多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行反演［1-3］，利用土壤重金屬在遙感多光譜影像特定光譜范圍所反映出來(lái)的吸收與反射特性進(jìn)行重金屬含量的反演［4］。但由于多光譜遙感影像波段較少，信息量有限，反演模型精度難以滿足要求，限制了多光譜重金屬遙感反演的發(fā)展［5］。隨著高光譜數(shù)據(jù)的發(fā)展，高光譜具有更高的光譜分辨率，對(duì)于重金屬這種微弱信息有著識(shí)別和定量探測(cè)的優(yōu)勢(shì)，因而被逐漸廣泛應(yīng)用于土壤重金屬含量的遙感反演［6-8］。其次，遙感反演重金屬的類型主要有Cu，Pb，Zn，Cd，Co，Ni，F(xiàn)e，Mn 及Cr 等，主要應(yīng)用于礦區(qū)、冶煉廠等區(qū)域［9-11］。在重金屬含量遙感反演方法上，根據(jù)土壤重金屬含量與反射率之間的關(guān)系，構(gòu)建土壤重金屬含量與特定光譜波段反射率之間的統(tǒng)計(jì)分析模型，從而推演研究區(qū)范圍內(nèi)重金屬含量分布范圍［12］。其中應(yīng)用較多的方法有多元線性回歸（MLR）［13］、偏最小二乘回歸（PLS）［14］、支持向量機(jī)（SVM）［15］、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［16］等。目前對(duì)重金屬遙感監(jiān)測(cè)方面的研究主要集中在對(duì)礦山等明確點(diǎn)位的重金屬含量反演，對(duì)非法冶煉重金屬區(qū)域研究較少。

非法冶煉重金屬是生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的新問(wèn)題，目前，主要采用地表熱異常反演來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。Zhou等通過(guò)Landsat 8 熱紅外數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)鐵和鋼工廠內(nèi)部熱場(chǎng)的時(shí)空變化［17］。Ma 等利用Landsat 8，VIIRS Nightfire 等數(shù)據(jù)提取了工業(yè)熱源的區(qū)域［18］。何俊霞等基于NPP－VIIRS 衛(wèi)星熱異常點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用改進(jìn)的固定閾值法識(shí)別提取熱異常點(diǎn)，研究了江蘇沿江地區(qū)的工業(yè)熱源熱異常點(diǎn)區(qū)位分布及其變化規(guī)律［19］。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)監(jiān)測(cè)非法冶煉重金屬的研究相對(duì)較少，尚屬探索性階段，因此急需研究一種非法冶煉重金屬遙感監(jiān)測(cè)手段。

3 方法構(gòu)建

3.1 技術(shù)流程

非法冶煉重金屬行為常在夜間作案，且多發(fā)生于山林隱蔽處，作案地點(diǎn)溫度顯著高于周邊，且其作案時(shí)間為1～6 個(gè)月。因此，采用多源熱紅外影像反演地表溫度，通過(guò)溫差分析識(shí)別地表熱異常點(diǎn)，并綜合土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可初步提取非法冶煉重金屬點(diǎn)位。最后結(jié)合無(wú)人機(jī)影像信息，進(jìn)行精確的定位核實(shí)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非法冶煉行為的有效監(jiān)控。圖1 為提取非法冶煉重金屬點(diǎn)位技術(shù)流程。

圖1 技術(shù)流程

3.2 方法構(gòu)建

3.2.1 地表溫度反演算法

目前熱紅外地表溫度反演算法主要包括單通道算法［20］、SW 算法［21］（劈窗算法）、高光譜反演算法［22］、多時(shí)相算法［23］以及多角度算法［24］等。其中SW 算法是目前應(yīng)用最廣泛的地表溫度反演方法［25］。SW 算法是基于波長(zhǎng)為11 μm 和12 μm 的2 個(gè)波段之間的大氣吸收差異，通過(guò)對(duì)這2 個(gè)熱紅外通道觀測(cè)值進(jìn)行不同組合來(lái)消除大氣的影響，校正大氣效應(yīng)與地表比輻射率。本文使用SW 算法反演地表溫度，公式為：

式中，Ts為反演得到的陸地表面溫度；Ti和Tj分別為波段i 與j 的亮度溫度；ε 為波段i 與j 的平均地表比輻射率；△ε 為波段i 與j 的地表比輻射率之差。

3.2.2 熱異常點(diǎn)提取

熱異常點(diǎn)提取的主要依據(jù)為重金屬冶煉等熱源在時(shí)間尺度上的時(shí)間連續(xù)性特征以及空間統(tǒng)計(jì)特征。基于AVHRR（多光譜通道的掃描輻射儀）、MODIS（中分辨率成像光譜儀）、Landsat 衛(wèi)星的熱紅外波段，利用溫度反演算法反演區(qū)域地表溫度，通過(guò)空間濾波和時(shí)間濾波方法初步提取熱異常點(diǎn)。非法冶煉重金屬行為一般發(fā)生在人跡罕至的山林中，而受到城市區(qū)域中工廠等熱源的影響，初步提取的熱異常點(diǎn)包括非法冶煉重金屬點(diǎn)位以及城市工廠等人類活動(dòng)導(dǎo)致的熱異常點(diǎn)，因此需要通過(guò)結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判定。

近年來(lái)隨機(jī)森林分類算法以其分類精度高、抗噪性強(qiáng)、訓(xùn)練速度快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于土地利用分類、植被提取以及各種分類場(chǎng)景中。本文基于GF1（高分一號(hào)）影像，通過(guò)特征篩選進(jìn)行分類特征波段選擇，并使用隨機(jī)森林分類算法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行土地利用分類；然后基于多源熱紅外遙感數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域熱異常點(diǎn)像元進(jìn)行高頻次觀測(cè)，對(duì)于出現(xiàn)頻次較高的像元，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)一步提取位于林地等區(qū)域的熱異常點(diǎn)；最后根據(jù)高分辨率多光譜數(shù)據(jù)劃定非法冶煉重金屬區(qū)域。

3.2.3 無(wú)人機(jī)驗(yàn)證

無(wú)人機(jī)具有操作簡(jiǎn)便、體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在茂林深處或類似區(qū)域的優(yōu)勢(shì)越發(fā)凸顯。本文采用無(wú)人機(jī)全景技術(shù)，針對(duì)疑似點(diǎn)位進(jìn)行核查。飛行時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)無(wú)人機(jī)飛行高度、速度等飛行狀態(tài)，以確保飛行作業(yè)安全，同時(shí)，基于空三加密處理生產(chǎn)的無(wú)人機(jī)數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM），結(jié)合影像特征判讀和人工解譯方法，最終確定非法冶煉重金屬點(diǎn)位。

4 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

4.1 研究區(qū)

本文選取某省北部山區(qū)進(jìn)行研究，該區(qū)域近年來(lái)存在非法冶煉重金屬的報(bào)道，其遙感影像示意圖如圖2 所示。該區(qū)域地勢(shì)西北高東南低，以山地分布較多，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，一年內(nèi)夏天最長(zhǎng)，春、秋、冬季較短，南北差異明顯。年平均氣溫在18.9～22 ℃之間，雨水資源豐富，平均年降水量1 631.4～2 149.3 mm，年平均降水日（降水量≥0.1 mm 日數(shù)）為160～173 d。

圖2 研究區(qū)

4.2 遙感數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)包括Moderate－resolution Imaging Spectroradiometer（MODIS）、Advanced Very High Resolution Radiometer（AVHRR）、Landsat 8 以及GF1影像，時(shí)間為2022 年1—6 月，數(shù)據(jù)具體參數(shù)見表1。AVHRR，MODIS 和Landsat 8 用于地表溫度反演，GF1 數(shù)據(jù)作為土地利用類型的判別依據(jù)。所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過(guò)幾何校正、輻射校正、正射校正、數(shù)據(jù)匹配等預(yù)處理。

表1 熱紅外數(shù)據(jù)及其用途μm

5 監(jiān)測(cè)結(jié)果

5.1 地表溫度反演結(jié)果

使用SW 算法對(duì)研究區(qū)2022 年1—6 月的地表溫度進(jìn)行反演，1—6 月研究區(qū)地表溫度總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且溫度高值多分布于人類活動(dòng)較多的區(qū)域，這是受城市內(nèi)工廠、機(jī)動(dòng)車、居民生活人工熱源等因素的影響。林地總體溫度偏低，局部點(diǎn)位會(huì)出現(xiàn)溫度高值，疑似重金屬冶煉點(diǎn)位，需要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)研究區(qū)2022 年1—6 月的地表溫度進(jìn)行時(shí)空分析，將與周圍區(qū)域溫度差異較大且在較長(zhǎng)時(shí)序上保持溫度高值的區(qū)域初步確定為熱異常點(diǎn)。

5.2 土地利用判別結(jié)果

基于高分系列多光譜數(shù)據(jù)，利用隨機(jī)森林分類算法將研究區(qū)分為林地、草地、農(nóng)田、建筑和水體5類。其中，林地占比最高，其次是建筑和農(nóng)田。城市主要分布在水域附近地勢(shì)平坦的區(qū)域，城市周圍分布有大量林地，間有少量草地。非法冶煉重金屬多發(fā)生在山林隱蔽處，因此林地是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域。建筑、農(nóng)田等其他人類活動(dòng)較多的區(qū)域在劃定非法冶煉重金屬時(shí)應(yīng)予以剔除。

5.3 疑似非法冶煉重金屬結(jié)果

通過(guò)地表溫度時(shí)間序列數(shù)據(jù)和時(shí)序分析方法計(jì)算疊加得到異常點(diǎn)分布頻次圖，熱異常點(diǎn)分布頻次較高的區(qū)域主要分布在城區(qū)等人類活動(dòng)較多的區(qū)域，這部分熱異常點(diǎn)主要為工業(yè)熱源等；除此之外，小部分的熱異常點(diǎn)稀疏分布在人跡罕至的林地，分布散亂且無(wú)規(guī)律。

非法冶煉重金屬點(diǎn)位具有隱匿于山林的分布特點(diǎn)，因此結(jié)合熱異常點(diǎn)分布頻次以及土地利用數(shù)據(jù)可以快速定位疑似非法冶煉重金屬點(diǎn)位，并通過(guò)高分辨率多光譜數(shù)據(jù)精確劃定疑似非法冶煉重金屬區(qū)域。如圖3 所示，共識(shí)別6 個(gè)疑似非法冶煉重金屬點(diǎn)位。

圖3 非法冶煉重金屬點(diǎn)位空間分布

5.4 無(wú)人機(jī)驗(yàn)證

針對(duì)疑似非法冶煉重金屬點(diǎn)位，采用無(wú)人機(jī)進(jìn)行飛行驗(yàn)證（見圖4），圖4a，4b 為小型企業(yè)廠房，其在夜間可能存在生產(chǎn)行為，由于研究人員無(wú)法進(jìn)入，難以核實(shí)其是否存在非法冶煉重金屬行為；圖4c，4d顯示林地附近空曠場(chǎng)地存在焚燒痕跡，但由于缺少相應(yīng)的檢測(cè)，將其判定為疑似非法冶煉重金屬點(diǎn)位。通過(guò)無(wú)人機(jī)驗(yàn)證，共判定非法冶煉重金屬點(diǎn)位5 個(gè)。綜上，通過(guò)無(wú)人機(jī)驗(yàn)證可以看出，本文構(gòu)建的非法冶煉重金屬遙感監(jiān)測(cè)方法，能夠發(fā)現(xiàn)疑似的非法冶煉重金屬行為。

6 結(jié)論與討論

6.1 結(jié)論

針對(duì)非法冶煉重金屬遙感監(jiān)測(cè)問(wèn)題，本文提出了一種基于熱紅外遙感數(shù)據(jù)的非法冶煉重金屬遙感監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)地表溫度反演算法和時(shí)序分析方法，進(jìn)行了熱異常點(diǎn)的精準(zhǔn)提取；結(jié)合非法冶煉重金屬隱匿山林的分布特點(diǎn)，通過(guò)熱異常點(diǎn)分布頻次以及高分辨率土地利用數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了疑似非法冶煉重金屬點(diǎn)位的快速定位，并且通過(guò)無(wú)人機(jī)實(shí)景技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)位核查，最終提取疑似非法冶煉重金屬點(diǎn)位5 個(gè)，證明了本方法能夠?qū)崿F(xiàn)非法冶煉重金屬點(diǎn)位的快速有效監(jiān)測(cè)。

6.2 討論

衛(wèi)星遙感提取疑似非法冶煉重金屬點(diǎn)位技術(shù)方法可精確、有效提取地面存在溫度異常的區(qū)域，同時(shí)結(jié)合土地利用類型、熱異常點(diǎn)出現(xiàn)頻次以及無(wú)人機(jī)現(xiàn)場(chǎng)勘查結(jié)果，進(jìn)一步提高非法冶煉重金屬監(jiān)測(cè)的精度。然而，由于非法冶煉重金屬點(diǎn)位地面信息的缺失，難以單純從衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)影像上判斷點(diǎn)位是否存在非法冶煉重金屬行為；同時(shí)，受到研究區(qū)域天氣影響，監(jiān)測(cè)頻率有所降低，一定程度上影響了遙感監(jiān)測(cè)方法的精度。

針對(duì)目前非法冶煉重金屬點(diǎn)位判別困難問(wèn)題，后續(xù)研究中將開展現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，提升對(duì)非法冶煉重金屬行為的認(rèn)知，完善遙感技術(shù)提取疑似非法冶煉重金屬點(diǎn)位的判斷依據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)方法；同時(shí)，為充分利用衛(wèi)星遙感速度快、范圍大以及無(wú)人機(jī)分辨率高的優(yōu)勢(shì)，下一步將建立衛(wèi)星—無(wú)人機(jī)快速反應(yīng)機(jī)制，即衛(wèi)星大范圍提取疑似區(qū)域作為無(wú)人機(jī)飛行任務(wù)，再基于無(wú)人機(jī)影像提取疑似問(wèn)題點(diǎn)位，從而提升非法冶煉重金屬點(diǎn)位排查效率及能力。