基于高光譜遙感數據的土壤微量元素監測應用

文 | 程飛雁 宋振強 高磊

哈爾濱航天恒星數據系統科技有限公司

一、前言

植物的生長離不開營養元素，土壤中的銅（Cu）、鐵（Fe）、鋅（Zn）等元素是作物營養物質的重要組成部分，同時也是作物生長不可缺少的微量元素。土壤中任意一種微量元素的過量或者缺乏，都會影響植物的生長和發育，直接導致農作物產量和品質降低，從而對糧食安全及動植物的健康構成威脅。實施土壤微量元素的大面積普查，需要投入大量的人工以及經費成本進行土壤的采集和測定，整個周期耗時較長，無論是在時效上還是時空連續性方面都不能在短時間內得到滿足，因此，實現土壤微量元素的定量監測亟需一種快速準確的方式，高光譜衛星遙感的發展為這一目的的實現提供了新的思路。

二、高光譜衛星數據特點及優勢

近年來，隨著航天事業的快速發展，推動了高光譜衛星遙感的普及和應用。高光譜遙感數據的特點是分辨率高、波段連續性強。可以利用高光譜傳感器快速獲取地面物體的高頻率反射信息，該方法具有快速、無損等特點，能夠初步滿足我國多目標、多專題、定量化的遙感業務化運行的實際需要，具有高定量化水平的精細化監測能力，可定量分析土壤元素含量，并能夠滿足當前大面積、短周期、實時監測的要求，為土壤微量元素監測反演提供了更多可能。

三、土壤微量元素監測模型構建

獲取監測目標區域高光譜遙感影像，利用與遙感影像同步實地采樣測量得到的土壤微量元素數據，對光譜信息進行數學變換，分析其光譜與實測樣本數據的敏感性，得到敏感波段，利用PSO 粒子群優化BP 神經網絡方法，以光譜敏感波段為輸入參數，以實測樣本為目標參數，構建土壤微量元素反演模型，對土壤進行微量元素空間預測。

每個采樣點均采用“分塊隨機與系統隨機”相結合的原則進行布點，充分考慮土壤類型、地形地貌、耕地制度、生態環境等因素間的平衡關系，科學布設采樣點位，取樣深度為20cm 耕作層土壤，記錄采樣編號、采樣時間、經度、緯度等屬性信息。樣本采集后送往專業的檢測機構進行分析，得到有效銅、有效鐵、有效鋅等微量元素含量的測定結果。利用高光譜衛星遙感數據，進行輻射定標、大氣校正、正射校正等預處理，采用監督分類或隨機森林對耕地進行提取。利用分析得到的光譜信息敏感波段與70%的采樣點實測值構建土壤微量元素反演模型，剩余的 30%采樣點用于精度驗證，采用精度評價指標分析模型可用性，主要技術流程如圖1 所示。

圖1 土壤微量元素反演流程圖

四、土壤微量元素監測應用

1.土壤重金屬防治提供依據

人類能夠得以生存、棲息、繁衍等都離不開土地的滋養，土壤中重金屬含量過高，會導致植物營養元素缺乏，引起植物株高、根莖長度、籽粒果實等發生生理及病理性改變，并且這些無機元素進入水體和土壤以后通過植物吸收積累在植物的根、莖、葉、果等可食部分，從而對植物和動物產生毒害作用，因此土壤重金屬防治要從預防入手。高光譜衛星遙感監測技術具有短周期、高時效的特點，通過周期性地對觀測區域進行加強監測，獲取觀測區域內的高光譜影像，利用實測的土壤重金屬樣本數據，利用構建的模型反演出觀測區內多時態的土壤重金屬含量，以便充分了解土壤重金屬分布及變化情況。當重金屬含量有上升趨勢或接近限值時，可及時通報環保部門進行干預和防治，為土壤污染防治提供信息支持。

高光譜衛星遙感監測技術正在成為土壤重金屬預防與管理必要且有效的一種手段，本文利用高分五號高光譜衛星遙感影像，對湖南省某地區內的土壤有效鋅、有效銅含量進行反演預測，有效鋅反演精度可達75.89%，有效銅反演精度可達70.96%。將監測結果與《土壤環境質量標準》進行比對，分析土壤中有效鋅、有效銅含量。如圖2 所示，有效鋅元素整體含量分布在39.42 ～193.2mg/kg 之間，有效銅元素整體含量分布在0.06 ～1.58mg/kg 之間。通過反演監測結果分析，有效銅含量分布符合正常區間，有效鋅含量整體分布較高，其中含量最高的局部區域已接近最高標準限值，此區域土壤鋅污染風險較高，應針對含量較高區域重點進行關注，及時采取預防措施。

圖2 湖南省某地區土壤鋅元素、銅元素含量遙感監測圖

土地是人類發展和能夠再生產的先決條件，更是人類賴以生存和發展的基礎，采取相應的監管措施，及時消除和預防重金屬危害，不僅保證了土地的合理使用，更為經濟的穩定和農業的發展奠定了基礎。高光譜衛星遙感監測技術在土壤微量元素反演中的應用，為防治土壤污染，保護生態環境，保障農林生產，提供了快速、精準、有效的監測手段，為土壤重金屬防治提供了便捷、可靠的依據。

2.耕地精準治污提供加護支持

農田面源污染主要源于種植方式污染和農藥化肥殘留污染。家庭承包種植戶大多沿用了幾十年的簡單氮磷鉀化肥+常規農藥的種植方式，而且在肥藥采購、管理、施用方面并不精細，隨意性和粗糙性普遍，并且我國農藥、化肥品種質量差別也很大，很多劣質產品進了農田，亂施亂用的現象更加劇了對耕地和環境的污染。目前我國水稻土壤重金屬污染較為嚴重，引起農產品重金屬超標率較高，因此改善農產品安全要從耕地污染治理入手。

由于田間土壤、作物的特性都不是均一的，是隨著時間、空間變化的，所以通過長期的定位監測，明確不同特征、不同區域的農田土壤污染程度，可以通過分析長期監測微量元素含量的變化趨勢，摸清耕地污染狀況、污染類型及污染分布。本文利用資源一號02E 高光譜衛星遙感影像，通過隨機森林的方法識別出農田耕地范圍，利用高光譜影像的反射率敏感波段與農田有效鋅實測樣本數據構建反演模型，通過監測的結果對監測區域進行精細劃分，按照影像像素的大小，將監測的耕地劃分成30m×30m 的網格，根據變化趨勢將每個監測網格內都匹配定位坐標，重點對污染嚴重的格網進行跟蹤監測（圖3），實現精準耕地修復及科技治理，針對不同區域污染程度采取不同的控制力度及治理措施。

圖3 某地區水稻土有效鋅含量遙感反演監測圖

利用高光譜衛星遙感技術對污染的農田土壤進行調查和評估，不僅可以優化耕地保護利用格局、服務耕地的生態保護修復，更為高質量推進農田土壤污染治理工作，實現精準治污、科學治污和依法治污提供加護支持。

3.精細農業施肥提供指導建議

傳統農業施肥多偏向于氮、磷等大量元素肥料，較少關注于微量元素對產量的影響，從而造成了土壤微量元素不同程度的積累或缺乏，土壤中微量元素的缺乏已成為限制當前農業發展的主要障礙因素。因為多年的化學肥料的濫用，導致了本該富有活力以及肥沃的土壤出現了不同情況的營養缺失，大量的微生物遭到破壞，微量元素流失嚴重。據中國科學院土壤研究報告統計，我國缺乏微量元素的土壤及區域分布數據顯示，我國有超過50%的土壤缺乏微量元素，直接導致化肥（氮磷鉀肥）補充再多也不能使作物增產，在這種常年無機質堆積的土壤條件下，減產、絕產都已接連地爆發出來，更加嚴重的是通過化肥澆灌所產出的食物都已經慢慢地失去了本該蘊含的營養成分以及口感。

為解決目前土壤微量元素缺乏的問題，本文利用資源一號02D 高光譜數據，獲取高標準農田地塊分布范圍，通過高光譜數據與實測樣本數據構建有效鐵、有效鋅、有效銅等微量元素反演模型，反演高標準農田內耕地微量元素含量，如圖4 所示，有效鐵含量分布在10.15 ～34.9mg/kg 之間，有效銅含量分布0.35 ～1.82mg/kg 之間，有效鋅含量分布在0.61 ～2.23mg/kg 之間，有效鐵反演精度可達72.47%。

圖4 黑龍江某地區耕地土壤微量元素含量遙感監測圖

通過獲取農田作物產量和影響作物生長的環境因素，分析影響作物產量差異的原因，采用因土、因作物、因時全面平衡施肥的原則，對高標準農田的土壤微量元素含量進行系統調查，明確相應微量元素的分布狀況，根據土壤有效態微量元素肥料水平，結合種植作物種類、單產水平、目標產量等因素，形成微量元素施肥建議卡，提出微量元素肥料指導意見，構建合理的施肥體系。應用微生物菌肥、生物有機肥、綠肥等方式，依托精準施肥技術，形成適用于農機作業的施肥處方圖，采取技術上可行、經濟上有效的調控措施，指導微量元素肥料施肥，實現按需實施定位調控的“處方農作”，獲得經濟上和環境上的最大效益。

五、結語

高光譜衛星遙感技術是當前實現土壤微量元素監測反演最快速、最有效的手段。高光譜衛星遙感監測為重金屬防治、耕地精細化治理、科學指導施肥提供了新的方法與思路，起到了保護耕地資源與生態環境的重要作用，有利于促進土地資源可持續利用，更好地保障國家糧食安全。

由于不同的土壤類型導致光譜特征存在較大差異，利用高光譜衛星遙感技術進行土壤微量元素的監測反演目前存在一定的局限性，針對不同地區土壤構建適用性強、應用范圍廣的監測模型是目前解決此問題的唯一途徑。隨著人工智能技術與遙感大數據技術的崛起，與遙感技術的應用結合將進一步提高土壤微量元素模型智能化水平和泛化能力，促進高光譜衛星定量反演技術朝著高質量、高效率、高精度的方向發展。