基于高光谱遥感数据的土壤微量元素监测应用

文 | 程飞雁 宋振强 高磊

哈尔滨航天恒星数据系统科技有限公司

一、前言

植物的生长离不开营养元素，土壤中的铜（Cu）、铁（Fe）、锌（Zn）等元素是作物营养物质的重要组成部分，同时也是作物生长不可缺少的微量元素。土壤中任意一种微量元素的过量或者缺乏，都会影响植物的生长和发育，直接导致农作物产量和品质降低，从而对粮食安全及动植物的健康构成威胁。实施土壤微量元素的大面积普查，需要投入大量的人工以及经费成本进行土壤的采集和测定，整个周期耗时较长，无论是在时效上还是时空连续性方面都不能在短时间内得到满足，因此，实现土壤微量元素的定量监测亟需一种快速准确的方式，高光谱卫星遥感的发展为这一目的的实现提供了新的思路。

二、高光谱卫星数据特点及优势

近年来，随着航天事业的快速发展，推动了高光谱卫星遥感的普及和应用。高光谱遥感数据的特点是分辨率高、波段连续性强。可以利用高光谱传感器快速获取地面物体的高频率反射信息，该方法具有快速、无损等特点，能够初步满足我国多目标、多专题、定量化的遥感业务化运行的实际需要，具有高定量化水平的精细化监测能力，可定量分析土壤元素含量，并能够满足当前大面积、短周期、实时监测的要求，为土壤微量元素监测反演提供了更多可能。

三、土壤微量元素监测模型构建

获取监测目标区域高光谱遥感影像，利用与遥感影像同步实地采样测量得到的土壤微量元素数据，对光谱信息进行数学变换，分析其光谱与实测样本数据的敏感性，得到敏感波段，利用PSO 粒子群优化BP 神经网络方法，以光谱敏感波段为输入参数，以实测样本为目标参数，构建土壤微量元素反演模型，对土壤进行微量元素空间预测。

每个采样点均采用“分块随机与系统随机”相结合的原则进行布点，充分考虑土壤类型、地形地貌、耕地制度、生态环境等因素间的平衡关系，科学布设采样点位，取样深度为20cm 耕作层土壤，记录采样编号、采样时间、经度、纬度等属性信息。样本采集后送往专业的检测机构进行分析，得到有效铜、有效铁、有效锌等微量元素含量的测定结果。利用高光谱卫星遥感数据，进行辐射定标、大气校正、正射校正等预处理，采用监督分类或随机森林对耕地进行提取。利用分析得到的光谱信息敏感波段与70%的采样点实测值构建土壤微量元素反演模型，剩余的 30%采样点用于精度验证，采用精度评价指标分析模型可用性，主要技术流程如图1 所示。

图1 土壤微量元素反演流程图

四、土壤微量元素监测应用

1.土壤重金属防治提供依据

人类能够得以生存、栖息、繁衍等都离不开土地的滋养，土壤中重金属含量过高，会导致植物营养元素缺乏，引起植物株高、根茎长度、籽粒果实等发生生理及病理性改变，并且这些无机元素进入水体和土壤以后通过植物吸收积累在植物的根、茎、叶、果等可食部分，从而对植物和动物产生毒害作用，因此土壤重金属防治要从预防入手。高光谱卫星遥感监测技术具有短周期、高时效的特点，通过周期性地对观测区域进行加强监测，获取观测区域内的高光谱影像，利用实测的土壤重金属样本数据，利用构建的模型反演出观测区内多时态的土壤重金属含量，以便充分了解土壤重金属分布及变化情况。当重金属含量有上升趋势或接近限值时，可及时通报环保部门进行干预和防治，为土壤污染防治提供信息支持。

高光谱卫星遥感监测技术正在成为土壤重金属预防与管理必要且有效的一种手段，本文利用高分五号高光谱卫星遥感影像，对湖南省某地区内的土壤有效锌、有效铜含量进行反演预测，有效锌反演精度可达75.89%，有效铜反演精度可达70.96%。将监测结果与《土壤环境质量标准》进行比对，分析土壤中有效锌、有效铜含量。如图2 所示，有效锌元素整体含量分布在39.42 ～193.2mg/kg 之间，有效铜元素整体含量分布在0.06 ～1.58mg/kg 之间。通过反演监测结果分析，有效铜含量分布符合正常区间，有效锌含量整体分布较高，其中含量最高的局部区域已接近最高标准限值，此区域土壤锌污染风险较高，应针对含量较高区域重点进行关注，及时采取预防措施。

图2 湖南省某地区土壤锌元素、铜元素含量遥感监测图

土地是人类发展和能够再生产的先决条件，更是人类赖以生存和发展的基础，采取相应的监管措施，及时消除和预防重金属危害，不仅保证了土地的合理使用，更为经济的稳定和农业的发展奠定了基础。高光谱卫星遥感监测技术在土壤微量元素反演中的应用，为防治土壤污染，保护生态环境，保障农林生产，提供了快速、精准、有效的监测手段，为土壤重金属防治提供了便捷、可靠的依据。

2.耕地精准治污提供加护支持

农田面源污染主要源于种植方式污染和农药化肥残留污染。家庭承包种植户大多沿用了几十年的简单氮磷钾化肥+常规农药的种植方式，而且在肥药采购、管理、施用方面并不精细，随意性和粗糙性普遍，并且我国农药、化肥品种质量差别也很大，很多劣质产品进了农田，乱施乱用的现象更加剧了对耕地和环境的污染。目前我国水稻土壤重金属污染较为严重，引起农产品重金属超标率较高，因此改善农产品安全要从耕地污染治理入手。

由于田间土壤、作物的特性都不是均一的，是随着时间、空间变化的，所以通过长期的定位监测，明确不同特征、不同区域的农田土壤污染程度，可以通过分析长期监测微量元素含量的变化趋势，摸清耕地污染状况、污染类型及污染分布。本文利用资源一号02E 高光谱卫星遥感影像，通过随机森林的方法识别出农田耕地范围，利用高光谱影像的反射率敏感波段与农田有效锌实测样本数据构建反演模型，通过监测的结果对监测区域进行精细划分，按照影像像素的大小，将监测的耕地划分成30m×30m 的网格，根据变化趋势将每个监测网格内都匹配定位坐标，重点对污染严重的格网进行跟踪监测（图3），实现精准耕地修复及科技治理，针对不同区域污染程度采取不同的控制力度及治理措施。

图3 某地区水稻土有效锌含量遥感反演监测图

利用高光谱卫星遥感技术对污染的农田土壤进行调查和评估，不仅可以优化耕地保护利用格局、服务耕地的生态保护修复，更为高质量推进农田土壤污染治理工作，实现精准治污、科学治污和依法治污提供加护支持。

3.精细农业施肥提供指导建议

传统农业施肥多偏向于氮、磷等大量元素肥料，较少关注于微量元素对产量的影响，从而造成了土壤微量元素不同程度的积累或缺乏，土壤中微量元素的缺乏已成为限制当前农业发展的主要障碍因素。因为多年的化学肥料的滥用，导致了本该富有活力以及肥沃的土壤出现了不同情况的营养缺失，大量的微生物遭到破坏，微量元素流失严重。据中国科学院土壤研究报告统计，我国缺乏微量元素的土壤及区域分布数据显示，我国有超过50%的土壤缺乏微量元素，直接导致化肥（氮磷钾肥）补充再多也不能使作物增产，在这种常年无机质堆积的土壤条件下，减产、绝产都已接连地爆发出来，更加严重的是通过化肥浇灌所产出的食物都已经慢慢地失去了本该蕴含的营养成分以及口感。

为解决目前土壤微量元素缺乏的问题，本文利用资源一号02D 高光谱数据，获取高标准农田地块分布范围，通过高光谱数据与实测样本数据构建有效铁、有效锌、有效铜等微量元素反演模型，反演高标准农田内耕地微量元素含量，如图4 所示，有效铁含量分布在10.15 ～34.9mg/kg 之间，有效铜含量分布0.35 ～1.82mg/kg 之间，有效锌含量分布在0.61 ～2.23mg/kg 之间，有效铁反演精度可达72.47%。

图4 黑龙江某地区耕地土壤微量元素含量遥感监测图

通过获取农田作物产量和影响作物生长的环境因素，分析影响作物产量差异的原因，采用因土、因作物、因时全面平衡施肥的原则，对高标准农田的土壤微量元素含量进行系统调查，明确相应微量元素的分布状况，根据土壤有效态微量元素肥料水平，结合种植作物种类、单产水平、目标产量等因素，形成微量元素施肥建议卡，提出微量元素肥料指导意见，构建合理的施肥体系。应用微生物菌肥、生物有机肥、绿肥等方式，依托精准施肥技术，形成适用于农机作业的施肥处方图，采取技术上可行、经济上有效的调控措施，指导微量元素肥料施肥，实现按需实施定位调控的“处方农作”，获得经济上和环境上的最大效益。

五、结语

高光谱卫星遥感技术是当前实现土壤微量元素监测反演最快速、最有效的手段。高光谱卫星遥感监测为重金属防治、耕地精细化治理、科学指导施肥提供了新的方法与思路，起到了保护耕地资源与生态环境的重要作用，有利于促进土地资源可持续利用，更好地保障国家粮食安全。

由于不同的土壤类型导致光谱特征存在较大差异，利用高光谱卫星遥感技术进行土壤微量元素的监测反演目前存在一定的局限性，针对不同地区土壤构建适用性强、应用范围广的监测模型是目前解决此问题的唯一途径。随着人工智能技术与遥感大数据技术的崛起，与遥感技术的应用结合将进一步提高土壤微量元素模型智能化水平和泛化能力，促进高光谱卫星定量反演技术朝着高质量、高效率、高精度的方向发展。