文 | 程飛雁 宋振強(qiáng) 高磊

哈爾濱航天恒星數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司

一、前言

植物的生長離不開營養(yǎng)元素，土壤中的銅（Cu）、鐵（Fe）、鋅（Zn）等元素是作物營養(yǎng)物質(zhì)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(fā)育，直接導(dǎo)致農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)降低，從而對糧食安全及動植物的健康構(gòu)成威脅。實(shí)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(jīng)費(fèi)成本進(jìn)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(xù)性方面都不能在短時間內(nèi)得到滿足，因此，實(shí)現(xiàn)土壤微量元素的定量監(jiān)測亟需一種快速準(zhǔn)確的方式，高光譜衛(wèi)星遙感的發(fā)展為這一目的的實(shí)現(xiàn)提供了新的思路。

二、高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)特點(diǎn)及優(yōu)勢

近年來，隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展，推動了高光譜衛(wèi)星遙感的普及和應(yīng)用。高光譜遙感數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是分辨率高、波段連續(xù)性強(qiáng)?？梢岳酶吖庾V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(diǎn)，能夠初步滿足我國多目標(biāo)、多專題、定量化的遙感業(yè)務(wù)化運(yùn)行的實(shí)際需要，具有高定量化水平的精細(xì)化監(jiān)測能力，可定量分析土壤元素含量，并能夠滿足當(dāng)前大面積、短周期、實(shí)時監(jiān)測的要求，為土壤微量元素監(jiān)測反演提供了更多可能。

三、土壤微量元素監(jiān)測模型構(gòu)建

獲取監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域高光譜遙感影像，利用與遙感影像同步實(shí)地采樣測量得到的土壤微量元素?cái)?shù)據(jù)，對光譜信息進(jìn)行數(shù)學(xué)變換，分析其光譜與實(shí)測樣本數(shù)據(jù)的敏感性，得到敏感波段，利用PSO 粒子群優(yōu)化BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，以光譜敏感波段為輸入?yún)?shù)，以實(shí)測樣本為目標(biāo)參數(shù)，構(gòu)建土壤微量元素反演模型，對土壤進(jìn)行微量元素空間預(yù)測。

每個采樣點(diǎn)均采用“分塊隨機(jī)與系統(tǒng)隨機(jī)”相結(jié)合的原則進(jìn)行布點(diǎn)，充分考慮土壤類型、地形地貌、耕地制度、生態(tài)環(huán)境等因素間的平衡關(guān)系，科學(xué)布設(shè)采樣點(diǎn)位，取樣深度為20cm 耕作層土壤，記錄采樣編號、采樣時間、經(jīng)度、緯度等屬性信息。樣本采集后送往專業(yè)的檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)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(jié)果。利用高光譜衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、正射校正等預(yù)處理，采用監(jiān)督分類或隨機(jī)森林對耕地進(jìn)行提取。利用分析得到的光譜信息敏感波段與70%的采樣點(diǎn)實(shí)測值構(gòu)建土壤微量元素反演模型，剩余的 30%采樣點(diǎn)用于精度驗(yàn)證，采用精度評價指標(biāo)分析模型可用性，主要技術(shù)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(jiān)測應(yīng)用

1.土壤重金屬防治提供依據(jù)

人類能夠得以生存、棲息、繁衍等都離不開土地的滋養(yǎng)，土壤中重金屬含量過高，會導(dǎo)致植物營養(yǎng)元素缺乏，引起植物株高、根莖長度、籽粒果實(shí)等發(fā)生生理及病理性改變，并且這些無機(jī)元素進(jìn)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(chǎn)生毒害作用，因此土壤重金屬防治要從預(yù)防入手。高光譜衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)具有短周期、高時效的特點(diǎn)，通過周期性地對觀測區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)監(jiān)測，獲取觀測區(qū)域內(nèi)的高光譜影像，利用實(shí)測的土壤重金屬樣本數(shù)據(jù)，利用構(gòu)建的模型反演出觀測區(qū)內(nèi)多時態(tài)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(dāng)重金屬含量有上升趨勢或接近限值時，可及時通報(bào)環(huán)保部門進(jìn)行干預(yù)和防治，為土壤污染防治提供信息支持。

高光譜衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)正在成為土壤重金屬預(yù)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(wèi)星遙感影像，對湖南省某地區(qū)內(nèi)的土壤有效鋅、有效銅含量進(jìn)行反演預(yù)測，有效鋅反演精度可達(dá)75.89%，有效銅反演精度可達(dá)70.96%。將監(jiān)測結(jié)果與《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)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(jiān)測結(jié)果分析，有效銅含量分布符合正常區(qū)間，有效鋅含量整體分布較高，其中含量最高的局部區(qū)域已接近最高標(biāo)準(zhǔn)限值，此區(qū)域土壤鋅污染風(fēng)險(xiǎn)較高，應(yīng)針對含量較高區(qū)域重點(diǎn)進(jìn)行關(guān)注，及時采取預(yù)防措施。

圖2 湖南省某地區(qū)土壤鋅元素、銅元素含量遙感監(jiān)測圖

土地是人類發(fā)展和能夠再生產(chǎn)的先決條件，更是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，采取相應(yīng)的監(jiān)管措施，及時消除和預(yù)防重金屬危害，不僅保證了土地的合理使用，更為經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定和農(nóng)業(yè)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。高光譜衛(wèi)星遙感監(jiān)測技術(shù)在土壤微量元素反演中的應(yīng)用，為防治土壤污染，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，保障農(nóng)林生產(chǎn)，提供了快速、精準(zhǔn)、有效的監(jiān)測手段，為土壤重金屬防治提供了便捷、可靠的依據(jù)。

2.耕地精準(zhǔn)治污提供加護(hù)支持

農(nóng)田面源污染主要源于種植方式污染和農(nóng)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(guī)農(nóng)藥的種植方式，而且在肥藥采購、管理、施用方面并不精細(xì)，隨意性和粗糙性普遍，并且我國農(nóng)藥、化肥品種質(zhì)量差別也很大，很多劣質(zhì)產(chǎn)品進(jìn)了農(nóng)田，亂施亂用的現(xiàn)象更加劇了對耕地和環(huán)境的污染。目前我國水稻土壤重金屬污染較為嚴(yán)重，引起農(nóng)產(chǎn)品重金屬超標(biāo)率較高，因此改善農(nóng)產(chǎn)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(jiān)測，明確不同特征、不同區(qū)域的農(nóng)田土壤污染程度，可以通過分析長期監(jiān)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(wèi)星遙感影像，通過隨機(jī)森林的方法識別出農(nóng)田耕地范圍，利用高光譜影像的反射率敏感波段與農(nóng)田有效鋅實(shí)測樣本數(shù)據(jù)構(gòu)建反演模型，通過監(jiān)測的結(jié)果對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行精細(xì)劃分，按照影像像素的大小，將監(jiān)測的耕地劃分成30m×30m 的網(wǎng)格，根據(jù)變化趨勢將每個監(jiān)測網(wǎng)格內(nèi)都匹配定位坐標(biāo)，重點(diǎn)對污染嚴(yán)重的格網(wǎng)進(jìn)行跟蹤監(jiān)測（圖3），實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)耕地修復(fù)及科技治理，針對不同區(qū)域污染程度采取不同的控制力度及治理措施。

圖3 某地區(qū)水稻土有效鋅含量遙感反演監(jiān)測圖

利用高光譜衛(wèi)星遙感技術(shù)對污染的農(nóng)田土壤進(jìn)行調(diào)查和評估，不僅可以優(yōu)化耕地保護(hù)利用格局、服務(wù)耕地的生態(tài)保護(hù)修復(fù)，更為高質(zhì)量推進(jìn)農(nóng)田土壤污染治理工作，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)治污、科學(xué)治污和依法治污提供加護(hù)支持。

3.精細(xì)農(nóng)業(yè)施肥提供指導(dǎo)建議

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)施肥多偏向于氮、磷等大量元素肥料，較少關(guān)注于微量元素對產(chǎn)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(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要障礙因素。因?yàn)槎嗄甑幕瘜W(xué)肥料的濫用，導(dǎo)致了本該富有活力以及肥沃的土壤出現(xiàn)了不同情況的營養(yǎng)缺失，大量的微生物遭到破壞，微量元素流失嚴(yán)重。據(jù)中國科學(xué)院土壤研究報(bào)告統(tǒng)計(jì)，我國缺乏微量元素的土壤及區(qū)域分布數(shù)據(jù)顯示，我國有超過50%的土壤缺乏微量元素，直接導(dǎo)致化肥（氮磷鉀肥）補(bǔ)充再多也不能使作物增產(chǎn)，在這種常年無機(jī)質(zhì)堆積的土壤條件下，減產(chǎn)、絕產(chǎn)都已接連地爆發(fā)出來，更加嚴(yán)重的是通過化肥澆灌所產(chǎn)出的食物都已經(jīng)慢慢地失去了本該蘊(yùn)含的營養(yǎng)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(shù)據(jù)，獲取高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田地塊分布范圍，通過高光譜數(shù)據(jù)與實(shí)測樣本數(shù)據(jù)構(gòu)建有效鐵、有效鋅、有效銅等微量元素反演模型，反演高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田內(nèi)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(dá)72.47%。

圖4 黑龍江某地區(qū)耕地土壤微量元素含量遙感監(jiān)測圖

通過獲取農(nóng)田作物產(chǎn)量和影響作物生長的環(huán)境因素，分析影響作物產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田的土壤微量元素含量進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)查，明確相應(yīng)微量元素的分布狀況，根據(jù)土壤有效態(tài)微量元素肥料水平，結(jié)合種植作物種類、單產(chǎn)水平、目標(biāo)產(chǎn)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(dǎo)意見，構(gòu)建合理的施肥體系。應(yīng)用微生物菌肥、生物有機(jī)肥、綠肥等方式，依托精準(zhǔn)施肥技術(shù)，形成適用于農(nóng)機(jī)作業(yè)的施肥處方圖，采取技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上有效的調(diào)控措施，指導(dǎo)微量元素肥料施肥，實(shí)現(xiàn)按需實(shí)施定位調(diào)控的“處方農(nóng)作”，獲得經(jīng)濟(jì)上和環(huán)境上的最大效益。

五、結(jié)語

高光譜衛(wèi)星遙感技術(shù)是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)土壤微量元素監(jiān)測反演最快速、最有效的手段。高光譜衛(wèi)星遙感監(jiān)測為重金屬防治、耕地精細(xì)化治理、科學(xué)指導(dǎo)施肥提供了新的方法與思路，起到了保護(hù)耕地資源與生態(tài)環(huán)境的重要作用，有利于促進(jìn)土地資源可持續(xù)利用，更好地保障國家糧食安全。

由于不同的土壤類型導(dǎo)致光譜特征存在較大差異，利用高光譜衛(wèi)星遙感技術(shù)進(jìn)行土壤微量元素的監(jiān)測反演目前存在一定的局限性，針對不同地區(qū)土壤構(gòu)建適用性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣的監(jiān)測模型是目前解決此問題的唯一途徑。隨著人工智能技術(shù)與遙感大數(shù)據(jù)技術(shù)的崛起，與遙感技術(shù)的應(yīng)用結(jié)合將進(jìn)一步提高土壤微量元素模型智能化水平和泛化能力，促進(jìn)高光譜衛(wèi)星定量反演技術(shù)朝著高質(zhì)量、高效率、高精度的方向發(fā)展。