土壤污染监测卫星遥感应用需求与载荷配置初探

赵少华，朱军，白志杰，屈然，刘思含，王玉，熊文成，尹欢，孟庆岩，田金雨

(1.生态环境部卫星环境应用中心/国家环境保护卫星遥感重点实验室，北京 100094；2.航天东方红卫星有限公司，北京 100094；3.中国科学院空天信息创新研究院，北京 100094)

土壤是指地球表面的一层疏松的物质，它是生态环境与农业发展的物质基础之一。土壤环境是由固相、液相和气相三相物质组成的多相分散体系，土壤环境质量特别是其污染状况是目前关注的热点。土壤环境监测是指通过对影响土壤环境质量因素的代表值进行测定，从而确定环境质量(或污染程度)及其变化趋势。土壤污染是指具有生理毒性的物质或过量植物营养元素进入土壤而导致土壤性质恶化和植物生理功能失调的现象。近年来，我国土壤污染事件频发，如2009年湖南省浏阳市镉污染事件、2011年云南省曲靖市铬渣非法倾倒事件、2016年常州外国语学校土壤污染事件等，土壤污染越来越受到人们的重视。2016年5月国务院印发《土壤污染防治行动计划》[1]，针对我国目前土壤污染现状，部署了今后一个时期的土壤污染防治工作。2018年6月，中共中央、国务院发布《关于全面加强生态环境保护 坚决打好污染防治攻坚战的意见》指出，扎实推进净土保卫战，全面实施土壤污染防治行动计划，突出重点区域、行业和污染物，有效管控农用地和城市建设用地土壤环境风险。这充分反映了我国土壤污染的严重性，同时体现了党和国家对土壤污染防治工作的高度重视。

我国土壤环境总体状况堪忧，部分地区污染较为严重[1]。局部区域耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。工矿业排出的废水废渣、农业施用的化肥农药等人为活动以及土壤环境背景值高是造成土壤污染或污染物超标的主要原因[2]。我国农田土壤重金属污染形式多样，区域污染风险突出(陈卫平，等，2018)。土壤污染已经严重影响到粮食和食品安全乃至人类的身体健康，土壤污染监管和治理已经迫在眉睫。土壤污染治理的首要任务是开展土壤监测，掌握土壤污染状况。

监测土壤污染的传统方法主要是地面监测[3]，如测定土壤污染的元素分析仪、便携式土壤分析仪等，具有较高的精确度，但取样和化验费时费力，并且大多局限在点测量的范围，难以实现大范围快速监测，无法满足实际工作中大面积监测土壤环境的应用需求[4]。遥感技术具有监测范围大、时效快、获取周期短等特点，特别是发展迅速的多源遥感技术手段，已广泛应用于资源环境、水文、气象、地质地理等领域。土壤污染遥感监测主要利用遥感技术进行土壤污染的识别、反演、监管或风险评价，包括光谱机理、土壤污染反演、植被胁迫遥感反演等方面[5]。

目前国内外还没有专门针对土壤污染开展监测的卫星。所以，面对严峻的土壤污染环境形势，非常有必要研发探测土壤污染的土壤环境监测卫星，总结土壤污染遥感监测现状，分析土壤污染敏感波段，梳理土壤环境监测的遥感应用需求，设计土壤环境监测卫星搭载的载荷，提出土壤环境遥感监测的空间分辨率、时间分辨率、光谱分辨率、幅宽等技术指标需求，为国家土壤污染防治以及其他领域生态环境保护等提供支持。

1 土壤污染遥感监测现状

土壤的光谱特征是土壤理化参数的综合反映，土壤光学遥感利用土壤的反射光谱信息，实现土壤参数的快速测定、土壤光谱信息与遥感影像数据的结合应用。遥感技术飞速发展，特别是高光谱遥感因其波段多且连续，已被广泛应用于信息识别和提取。土壤污染中，重金属属于微量元素，在土壤中含量极其微小，对光谱特征的影响较弱。因此，很难直接通过分析重金属元素光谱特征来估算其含量。

很多国内外学者发现，借助重金属元素与土壤有机质、黏土矿物、铁锰氧化物、碳酸盐矿物之间的吸附或赋存关系，可以间接反演土壤重金属元素含量[6]。Kemper和Sommer在西班牙的研究表明[7]，铁以及铁的氧化物的吸收峰值所处波长范围对于相关性分析最为有利，铁在700nm和870nm有吸收特征，可利用快速有效的反射光谱预测被尾矿残留污染的土壤；铅在700～1400nm范围内有一个平缓宽泛的吸收峰，在1400nm、1900nm和2200nm处陡峭的吸收峰随着铅浓度的升高而减缓，在掺杂的污染源泥块重量占比小于50%时这些吸收峰均可识别。黄长平等[8]在实验室利用偏最小二乘方法分析了南京城郊土壤重金属铜遥感反演的最佳波段，结果选出530nm、536nm、1434nm、1512nm、1648nm、1764nm、1836nm、1886nm、2094nm、2284nm处10个敏感波段，为高光谱遥感提供了较好的理论依据。宋练等[9]发现重庆万盛矿区土壤在近红外波段2320nm与1755nm、2260nm与2210nm、1920nm与可见光波段480nm的反射率比值分别与砷、镉和锌含量存在较好的相关性。宋婷婷等[10]基于ASTER遥感影像在云南个旧矿区，利用乘积变换的波段变换方法研究了土壤锌污染的情况。结果表明，481nm、1000nm、1220nm处是锌的敏感波段，相关性最好的波段在515nm处，锌反演的最佳模型为偏最小二乘回归模型。蔡东全等[11]利用HJ-1A高光谱遥感数据和偏最小二乘回归方法在胶东半岛的龙口市污水灌溉区的研究表明，铜、锰、镍、铅、砷的重金属离子含量在480～950nm波段内具有较好的遥感建模和反演效果。肖捷颖[12]筛选出土壤镉重金属含量相关性高的原始光谱波段、一阶微分波段，建立了镉含量估算逐步回归模型。张秋霞等[13]使用土壤重金属的共用敏感波段结合最小估计方法，实现了多种重金属含量估测。迟光宇等[14]对土壤原始光谱进行一阶和二阶微分变换，筛选出多种重金属的敏感波段，同时总结了常用于估算重金属含量的光谱植被指数。夏芳等[15]在重金属与土壤有机质的相关性基础上，利用光谱结合偏最小二乘法建立了8种重金属的估算模型。龚绍琦等[16]对土壤重金属与土壤光谱变量进行了相关分析，并利用逐步回归分析方法建立了土壤重金属铬、铜、镍的最佳遥感模型。刘华等[17]利用EO-1卫星Hyperion 高光谱仪提取各波段平均波长的光谱反射率，并结合实验室实测的土壤重金属含量，用偏最小二乘法预测盐沼土壤重金属锌、铬和铜的含量，相关系数均达到极显著水平。潘勇等[18]利用地面高光谱数据经主成分分析后结合不同的判别方法实现土壤中金属元素锰的估算。Tan等[19]在研究垃圾站和煤矸石再利用土壤中砷富集情况时，在实验室测得土壤高光谱数据进行砷含量的反演，模型相关系数达到0.94。Thomas等[20]对矿难地区土壤进行实验室分析，建立光学模型监测土壤中砷、汞、铅、硫、锑污染情况，模型R2>0.72。Caaminee等[21]使用地面高光谱采集土壤光谱信息，结合偏最小二乘法实现铅、铜、镉、锰的高精度观测。目前，国内外利用遥感技术针对土壤中滴滴涕、多环芳烃、六六六开展污染监测的相关研究鲜有报道。李淑敏等[22]采用光谱仪测量111个北京地区农业土壤样本光谱曲线，并利用光谱分析的方法分析了8种土壤重金属(铬、镍、铜、锌、砷、镉、铅、汞)含量与可见—近红外光谱反射率的相关关系和土壤重金属的光谱特征。结果表明，一阶微分光谱最适于获取土壤中的重金属元素信息，土壤重金属含量与反射光谱之间存在显著相关关系。熊文成等[7]综述了土壤污染遥感监测的进展，并从国家管理需求角度，指出遥感技术在土壤污染源遥感监管、土壤污染风险管控、土壤调查布点优化、土壤污染反演研究等方面的应用前景。赵少华等[23]从城镇土壤污染遥感监测数据源、模型方法和存在的问题等方面分析了城镇土壤污染遥感监测现状。其分析认为，目前土壤污染物浓度定量化监测总体上还比较困难，机载监测应用效果尚可，星载监测应用的研究还较少，急需攻克星载土壤污染物浓度定量化遥感监测的技术瓶颈。

表1 土壤污染的敏感波段分析

综合上述，利用遥感技术开展对土壤重金属污染的监测研究绝大多数集中在地面高光谱仪器方面，也有少量利用卫星监测土壤污染的研究探索，个别研究也取得了较好效果。但整体而言，土壤污染在卫星影像上的信号还比较弱，土壤污染遥感监测的效果特别是污染物浓度的定量化反演等还不理想，许多区域的研究还需要更多区域和更长时间序列的卫星数据进行应用测试。

2 土壤污染遥感工作任务需求分析

(1)全国土壤污染场地/污染源动态监测与评估：开展全国土壤污染场地/污染源遥感动态监测，重点监测污染场地分布及利用方式和类型等的动态变化、污染源周边植被胁迫状况变化并进行评估，利用遥感技术优化全国土壤污染监测点位设置。

(2)设施农业土壤污染监测与评估：基于长时间序列遥感影像，构建土壤污染反演模型及土壤污染农产品胁迫效应模型，监测历年农膜空间分布和使用量，定量估测残膜含量。

(3)矿产资源集中开采区土壤污染监测与分析：针对矿山、油田等矿产资源集中开采区内的场地特征污染物，开展土壤污染范围及污染程度遥感监测，并结合场地周边生态敏感区空间信息对土壤污染场地进行风险评估。

(4)城市及其周边区域土壤环境监测与风险评估：开展城市及其周边区域土壤污染源遥感监测，识别重点污染源位置、规模、类型、年限等信息，分析城市及其周边区域土壤污染源总量、分布等特征，结合区域地形等相关数据评估城市土壤环境风险。

(5)农田及矿山土壤重金属含量遥感监测与分析：开展全国土壤污染典型农田和矿山等土壤重金属含量遥感监测、分析和评估。

3 遥感应用技术指标和载荷配置需求

根据土壤环境遥感监测应用的工作需求，提出土壤环境监测卫星搭载的载荷配置建议和主要技术指标要求。对载荷配置，设计搭载CCD相机、高光谱成像仪、全谱段光谱成像仪、大气校正仪等载荷。土壤污染主要监测重金属和有机污染物浓度、位置分布，结合现有的研究和应用水平，主要需要高光谱分辨率、高空间分辨率和高信噪比载荷。高光谱分辨率、高信噪比载荷用来反演土壤污染物含量，高空间分辨率用来精细确定具体污染的地块，二者结合就可以比较精细地反映局部区域土壤污染的空间分布。具体需求指标见表2。

表2 遥感应用技术指标和载荷配置需求

4 建议及对策

近年来，土壤污染逐渐成为焦点问题，监测和治理土壤污染成为生态环境保护的主要任务之一。目前，土壤污染主要依靠地面监测，遥感技术监测土壤污染尚处于起步和探索阶段，仍存在许多不足。土壤污染高光谱和多源数据定量化遥感监测、发射土壤污染监测卫星是发展方向，主要包括如下方面：

(1)加紧开展土壤污染监测卫星应用技术预先研究，利用已发射的高分五号、高分六号等多源卫星和长时间序列数据，特别是高光谱卫星遥感数据，结合地面观测试验，针对不同的土壤重金属污染种类，研究机载和星载卫星载荷可探测出的重金属污染物的最低浓度临界值，攻克土壤重金属污染含量等定量遥感监测关键技术，并在土壤污染典型区域开展应用示范。

(2)基于实验室、地面和卫星、航空的土壤遥感光谱分析，优选出对土壤污染敏感的波段，并针对这些波段设计研发高信噪比的土壤污染多光谱、高光谱载荷，以增强载荷对土壤污染物的敏感性，实现对土壤污染的有效监测。

(3)立项研制并发射土壤污染监测卫星，搭载高光谱、红外、高空间分辨率等系列载荷，发挥卫星遥感技术在土壤污染防治工作中的重要作用。