准东煤田土壤重金属污染高光谱遥感监测研究

【摘要】土壤是人类赖以生存、发展和文明的基础,不仅是地球的重要自然资源之一,还是整个生态系统的生命线。煤炭资源的大规模开发,会对土壤造成严重的重金属污染,进而引起土壤退化、水体污染和植被受损等一系列环境问题,甚至威胁到人类的生命安全,而反过来又会制约社会经济的发展。所以,对土壤重金属污染做到快速、实时监测和预警,是当前矿区环境保护工作的急迫任务。由于传统的野外土壤采集和室内化学分析工作费时费力,不适合对土壤重金属污染进行大面积、快速监测。遥感技术特别是高光谱遥感技术的发展,为实现对土壤重金属污染的大面积、实时监测和预警提供了新的途径。针对煤炭资源开发利用过程中引发的环境污染问题,本研究以新疆准东煤田五彩湾露天矿区为靶区,以土壤环境作为切入点,揭示矿区土壤重金属(Hg、As、Cu、Ni、Cr、Pb和Zn)污染的规律和识别重金属污染的来源,探讨利用高光谱遥感技术实现对矿区土壤重金属含量定量估算的可行性,并尝试模拟星载多光谱传感器预测土壤重金属含量。本研究主要得出以下结论：(1)土壤重金属元素空间分布特征分析表明：7种重金属元素的空间自相关性低；在空间分布趋势上各元素间存在着明显差异,但大体上南部靠近沙漠地带比北部卡拉麦里山区含量低,中部(矿区及周边)含量高；重金属在矿区的分布变化大,具有很强的随机性,受到人类活动的影响非常强烈。(2)土壤重金属污染评价显示：Hg有78%的样点受到不同程度污染,其中极强度污染的样点数占到了10%,表层土壤Hg污染最严重：As的所有样点都被轻、中度污染；Pb和Cr有约10%样点被轻微污染；Zn在有一个样点受到轻微污染；Cu和Ni未受到污染。重金属污染来源主要为粉尘、污水、煤堆和矸石、烟尘等。(3)矿区土壤的可见光-近红外(、VNIR,350～2500nm)反射率光谱与热红外(TIR,8-13μm)发射率光谱特征存在明显区别,主要受水分、有机质、铁氧化物、粘土矿物和土壤质地等影响。由于有机质、铁氧化物和粘土矿物等具有富集重金属的能力,这就从机理上解释了利用遥感技术反演土壤重金属含量的原理。VNIR反射率光谱和TIR发射率光谱与土壤重金属含量的相关性都比较低,通过不同形式的光谱变换后,相关性有明显提高。(4)通过多元逐步回归(SMLR)分析,土壤原始光谱及其不同变换形式与7种重金属含量建模精度均不高；而采用最佳变换形式的VNIR-TIR组合光谱,对于SMLR和偏最小二乘回归(PLSR)两种方法的建模效果均有所提高,从预测决定系数和均方根误差看：对于Ni来说采用SMLR方法建模效果好,而Hg、As、Cu、Cr、Pb和Zn6种元素均为PLSR方法较优。可见,通过对原始光谱进行变换处理、选择最佳变换形式进行VNIR和TIR光谱组合、尝试不同的建模方法,都可能提高对土壤重金属含量的预测精度。(5)用支持向量机(SVM)分类方法对Hg的污染等级进行分类,基于VNIR-TIR组合光谱进行分类研究,结果表明：已污染土壤可以达到100%正确分类,无污染土壤分类精度为90.91%；轻中度污染土壤可以全部正确识别,而强污染土壤有可能被轻视,无污染土壤也可能被误判为已污染。可见,利用VNIR和TIR两种高光谱的组合,实现对土壤重金属污染等级的划分是可行的。(6)通过对OLI-TIRS和ASTER星载多光谱传感器波段模拟进行土壤重金属含量预测,效果欠佳,而在实际应用时还会存在诸多因素的影响,很难实现对土壤重金属含量的定量估算,应该寻求其他更高光谱分辨率的遥感数据。本研究从方法上探讨了对土壤重金属含量的高光谱遥感监测技术,为今后土壤重金属污染大面积、低成本、实时监测及预警提供技术方法,为矿区环境管理和保护工作提供决策建议,并促进高光谱遥感技术的发展和应用。
【作者】夏军；
【导师】塔西甫拉提·特依拜；
【作者基本信息】新疆大学，自然地理学，2014，博士
【关键词】准东煤田；土壤；重金属污染；高光谱遥感；热红外发射率；

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