在土壤环境监测中,重金属污染的光谱间接反演是当前研究的热点。镉(Cd)、铅(Pb)、汞(Hg)、铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)和砷(As)等重金属在可见-近红外波段本身不具有明显的光谱特征吸收峰,但重金属离子通过与土壤中有机质、铁锰氧化物及粘土矿物发生吸附、络合或共沉淀作用,改变这些光谱活性组分的含量与形态,进而间接影响土壤反射光谱特征。因此,利用多光谱数据提取与重金属含量显著相关的特征波段,结合偏最小二乘回归(PLSR)、支持向量机回归(SVR)或随机森林(RF)等算法建立反演模型,可实现重金属含量的快速估算与空间分布制图。
研究表明,与有机质和铁氧化物相关的波段(如600-800nm、1400nm、1900nm及2200nm附近)对重金属含量变化较为敏感。通过多光谱无人机或卫星影像提取这些敏感波段反射率及其组合指数,可建立区域尺度的重金属预测模型,辅助识别污染风险区及污染来源。相较于传统网格化采样-实验室分析模式,多光谱遥感可大幅降低采样密度与检测成本,尤其适用于工矿企业周边、污灌区及尾矿库下游等大范围土壤调查区域。北京和光瑞远科技有限公司推出的HG-MultiSP-800无人机轻小型多光谱相机,集成多个农业与环保应用波段,适配主流无人机平台,为土壤环境监测提供了灵活高效的遥感数据采集工具。
对于多金属复合污染的解耦,多光谱结合特征变量筛选算法(如连续投影算法SPA、竞争性自适应重加权采样CARS),可提取各金属元素的敏感波段组合,建立多组分定量模型,实现复合污染区域多种重金属的同步估算,为污染源解析与风险评估提供数据支持。
与重金属不同,部分石油烃类、多环芳烃(PAHs)等有机污染物含有C-H、C=C等官能团,在近红外波段具有直接的光谱吸收特征。石油烃污染物中C-H键在1720nm、1760nm、2310nm及2340nm附近存在特征吸收峰,为多光谱技术识别石油污染土壤提供了直接标志。通过提取对有机污染敏感的波段反射率,构建光谱指数(如碳氢指数、烃指数等),可在野外条件下快速圈定疑似污染范围及相对污染程度,指导现场采样布点。
在油田开发区、炼油厂周边及加油站场地的土壤环境调查中,无人机搭载多光谱相机可快速获取高分辨率污染空间分布图。相较于传统网格采样周期长、成本高,多光谱遥感可在数十分钟内完成数平方公里的污染筛查,识别管线泄漏热点、油泥堆放区及含油废水渗漏路径。北京和光瑞远科技有限公司的HG-MultiSP-800多光谱相机具备窄带滤光片和稳定的辐亮度采集性能,其获取的数据可与地面光谱测量相互验证,提升有机污染识别的准确性。
需要指出的是,土壤有机污染光谱检测受土壤类型、有机质背景及水分含量的干扰。通过多光谱影像与地形、土地利用等辅助数据的融合分析,并结合野外验证采样,可有效降低误判率,提高污染识别精度。
土壤盐渍化是影响农业生产和生态环境的重要土壤退化类型。多光谱技术通过提取盐分敏感光谱指数(如盐分指数SI、归一化盐分指数NDSI、亮度指数BI等),结合地面实测含盐量数据建立回归模型,可实现土壤盐分含量的快速估算与盐渍化程度分级。盐分离子(Na+、Ca2+、Mg2+等)及其水合作用在近红外波段(尤其是1400nm和1900nm水吸收带附近)改变水分子吸收强度和峰形,同时盐分结晶导致土壤表面反射率整体升高。多光谱影像可获取这些光谱变化特征,适用于干旱、半干旱地区及滨海盐渍土区的动态监测。
除盐分外,多光谱技术还可用于土壤有机质、阳离子交换量及水分含量的快速预测。土壤有机质在600-800nm波段具有显著的光谱响应特征,其含量与可见光波段反射率呈负相关关系。利用多光谱影像建立有机质预测模型,可在不进行化学分析的情况下获取大批量样点数据,显著降低实验室分析工作量。在污染场地修复效果跟踪评估中,多期多光谱影像可监测修复过程中土壤理化参数的时空变化,辅助判断修复措施的有效性及修复周期。
北京和光瑞远科技有限公司的HG-MultiSP-800相机体积小、重量轻,适合中小型无人机搭载,可配合地面定标板同步采集,获取反射率数据。为土壤环境监测提供了便捷的多光谱数据获取方案。
