山区非法冶炼重金属遥感监测技术方法研究

苏闯 张静 * 李营

（1.广东省固体废物和化学品环境中心，广东 广州 510308；2.生态环境部卫星环境应用中心，北京 100094）

1 引言

重金属污染是影响人民群众身体健康的突出环境问题之一，我国历来重视重金属污染问题的监控与防治，制定了一系列法规政策。2011 年，我国颁布首个重金属污染防治专项规划——《重金属污染综合防治“十二五”规划》，力求控制重金属污染。“十三五”时期，重金属污染防控取得积极成效，但一些地区重金属污染问题仍然突出，威胁人民群众的身体健康。“十四五”时期，重金属污染防控以持续改善生态环境质量为核心，以防控重金属环境风险为目标，以重金属污染物减排为抓手，注重减污降碳协同增效，深入开展重点行业重金属污染综合治理，有效防控重金属污染。2022 年3 月，生态环境部发布《关于进一步加强重金属污染防控的意见》，要求坚持精准、科学、依法治污，深入有效监测管控重金属污染，切实维护生态环境安全和人民群众健康。

有色金属冶炼业是重金属污染主要来源之一，而非法冶炼重金属往往缺少完备的污染防治措施，会对周围环境造成更为严重的污染；此外，非法冶炼重金属往往在夜间作案且地点较为隐秘，人工监测难以及时准确发现，且监测范围有限，目前主要依靠群众举报的方式。遥感具有大范围、长时序的技术优点，能够主动监测识别大范围内的疑似非法冶炼重金属行为，为整治非法冶炼重金属行为提供技术支撑，对监测非法冶炼重金属具有重要意义。

针对国内外非法冶炼重金属现状与问题，本文通过融合卫星及无人机遥感技术，建立卫星反演—无人机验证的监测技术体系，实现疑似非法冶炼重金属的遥感监测。

2 研究现状

目前，国内外面向遥感监测非法冶炼重金属的相关研究相对较少，主要集中在土壤重金属含量遥感反演。在重金属遥感反演的数据方面，最早是使用多光谱数据进行反演［1-3］，利用土壤重金属在遥感多光谱影像特定光谱范围所反映出来的吸收与反射特性进行重金属含量的反演［4］。但由于多光谱遥感影像波段较少，信息量有限，反演模型精度难以满足要求，限制了多光谱重金属遥感反演的发展［5］。随着高光谱数据的发展，高光谱具有更高的光谱分辨率，对于重金属这种微弱信息有着识别和定量探测的优势，因而被逐渐广泛应用于土壤重金属含量的遥感反演［6-8］。其次，遥感反演重金属的类型主要有Cu，Pb，Zn，Cd，Co，Ni，Fe，Mn 及Cr 等，主要应用于矿区、冶炼厂等区域［9-11］。在重金属含量遥感反演方法上，根据土壤重金属含量与反射率之间的关系，构建土壤重金属含量与特定光谱波段反射率之间的统计分析模型，从而推演研究区范围内重金属含量分布范围［12］。其中应用较多的方法有多元线性回归（MLR）［13］、偏最小二乘回归（PLS）［14］、支持向量机（SVM）［15］、BP神经网络模型［16］等。目前对重金属遥感监测方面的研究主要集中在对矿山等明确点位的重金属含量反演，对非法冶炼重金属区域研究较少。

非法冶炼重金属是生态环境领域的新问题，目前，主要采用地表热异常反演来进行监测。Zhou等通过Landsat 8 热红外数据监测铁和钢工厂内部热场的时空变化［17］。Ma 等利用Landsat 8，VIIRS Nightfire 等数据提取了工业热源的区域［18］。何俊霞等基于NPP－VIIRS 卫星热异常点数据，利用改进的固定阈值法识别提取热异常点，研究了江苏沿江地区的工业热源热异常点区位分布及其变化规律［19］。目前国内外对监测非法冶炼重金属的研究相对较少，尚属探索性阶段，因此急需研究一种非法冶炼重金属遥感监测手段。

3 方法构建

3.1 技术流程

非法冶炼重金属行为常在夜间作案，且多发生于山林隐蔽处，作案地点温度显著高于周边，且其作案时间为1～6 个月。因此，采用多源热红外影像反演地表温度，通过温差分析识别地表热异常点，并综合土地利用数据进行分析，可初步提取非法冶炼重金属点位。最后结合无人机影像信息，进行精确的定位核实，从而实现对非法冶炼行为的有效监控。图1 为提取非法冶炼重金属点位技术流程。

图1 技术流程

3.2 方法构建

3.2.1 地表温度反演算法

目前热红外地表温度反演算法主要包括单通道算法［20］、SW 算法［21］（劈窗算法）、高光谱反演算法［22］、多时相算法［23］以及多角度算法［24］等。其中SW 算法是目前应用最广泛的地表温度反演方法［25］。SW 算法是基于波长为11 μm 和12 μm 的2 个波段之间的大气吸收差异，通过对这2 个热红外通道观测值进行不同组合来消除大气的影响，校正大气效应与地表比辐射率。本文使用SW 算法反演地表温度，公式为：

式中，Ts为反演得到的陆地表面温度；Ti和Tj分别为波段i 与j 的亮度温度；ε 为波段i 与j 的平均地表比辐射率；△ε 为波段i 与j 的地表比辐射率之差。

3.2.2 热异常点提取

热异常点提取的主要依据为重金属冶炼等热源在时间尺度上的时间连续性特征以及空间统计特征。基于AVHRR（多光谱通道的扫描辐射仪）、MODIS（中分辨率成像光谱仪）、Landsat 卫星的热红外波段，利用温度反演算法反演区域地表温度，通过空间滤波和时间滤波方法初步提取热异常点。非法冶炼重金属行为一般发生在人迹罕至的山林中，而受到城市区域中工厂等热源的影响，初步提取的热异常点包括非法冶炼重金属点位以及城市工厂等人类活动导致的热异常点，因此需要通过结合土地利用数据进行综合判定。

近年来随机森林分类算法以其分类精度高、抗噪性强、训练速度快等优点被广泛用于土地利用分类、植被提取以及各种分类场景中。本文基于GF1（高分一号）影像，通过特征筛选进行分类特征波段选择，并使用随机森林分类算法对研究区进行土地利用分类；然后基于多源热红外遥感数据对区域热异常点像元进行高频次观测，对于出现频次较高的像元，结合土地利用数据进一步提取位于林地等区域的热异常点；最后根据高分辨率多光谱数据划定非法冶炼重金属区域。

3.2.3 无人机验证

无人机具有操作简便、体积小、机动性强等优点，在茂林深处或类似区域的优势越发凸显。本文采用无人机全景技术，针对疑似点位进行核查。飞行时应实时监测无人机飞行高度、速度等飞行状态，以确保飞行作业安全，同时，基于空三加密处理生产的无人机数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，DOM），结合影像特征判读和人工解译方法，最终确定非法冶炼重金属点位。

4 研究区与数据

4.1 研究区

本文选取某省北部山区进行研究，该区域近年来存在非法冶炼重金属的报道，其遥感影像示意图如图2 所示。该区域地势西北高东南低，以山地分布较多，属亚热带季风气候，一年内夏天最长，春、秋、冬季较短，南北差异明显。年平均气温在18.9～22 ℃之间，雨水资源丰富，平均年降水量1 631.4～2 149.3 mm，年平均降水日（降水量≥0.1 mm 日数）为160～173 d。

图2 研究区

4.2 遥感数据

遥感数据包括Moderate－resolution Imaging Spectroradiometer（MODIS）、Advanced Very High Resolution Radiometer（AVHRR）、Landsat 8 以及GF1影像，时间为2022 年1—6 月，数据具体参数见表1。AVHRR，MODIS 和Landsat 8 用于地表温度反演，GF1 数据作为土地利用类型的判别依据。所有数据均经过几何校正、辐射校正、正射校正、数据匹配等预处理。

表1 热红外数据及其用途μm

5 监测结果

5.1 地表温度反演结果

使用SW 算法对研究区2022 年1—6 月的地表温度进行反演，1—6 月研究区地表温度总体呈现上升趋势，且温度高值多分布于人类活动较多的区域，这是受城市内工厂、机动车、居民生活人工热源等因素的影响。林地总体温度偏低，局部点位会出现温度高值，疑似重金属冶炼点位，需要进行重点监测。通过对研究区2022 年1—6 月的地表温度进行时空分析，将与周围区域温度差异较大且在较长时序上保持温度高值的区域初步确定为热异常点。

5.2 土地利用判别结果

基于高分系列多光谱数据，利用随机森林分类算法将研究区分为林地、草地、农田、建筑和水体5类。其中，林地占比最高，其次是建筑和农田。城市主要分布在水域附近地势平坦的区域，城市周围分布有大量林地，间有少量草地。非法冶炼重金属多发生在山林隐蔽处，因此林地是重点监测区域。建筑、农田等其他人类活动较多的区域在划定非法冶炼重金属时应予以剔除。

5.3 疑似非法冶炼重金属结果

通过地表温度时间序列数据和时序分析方法计算叠加得到异常点分布频次图，热异常点分布频次较高的区域主要分布在城区等人类活动较多的区域，这部分热异常点主要为工业热源等；除此之外，小部分的热异常点稀疏分布在人迹罕至的林地，分布散乱且无规律。

非法冶炼重金属点位具有隐匿于山林的分布特点，因此结合热异常点分布频次以及土地利用数据可以快速定位疑似非法冶炼重金属点位，并通过高分辨率多光谱数据精确划定疑似非法冶炼重金属区域。如图3 所示，共识别6 个疑似非法冶炼重金属点位。

图3 非法冶炼重金属点位空间分布

5.4 无人机验证

针对疑似非法冶炼重金属点位，采用无人机进行飞行验证（见图4），图4a，4b 为小型企业厂房，其在夜间可能存在生产行为，由于研究人员无法进入，难以核实其是否存在非法冶炼重金属行为；图4c，4d显示林地附近空旷场地存在焚烧痕迹，但由于缺少相应的检测，将其判定为疑似非法冶炼重金属点位。通过无人机验证，共判定非法冶炼重金属点位5 个。综上，通过无人机验证可以看出，本文构建的非法冶炼重金属遥感监测方法，能够发现疑似的非法冶炼重金属行为。

6 结论与讨论

6.1 结论

针对非法冶炼重金属遥感监测问题，本文提出了一种基于热红外遥感数据的非法冶炼重金属遥感监测方法。通过地表温度反演算法和时序分析方法，进行了热异常点的精准提取；结合非法冶炼重金属隐匿山林的分布特点，通过热异常点分布频次以及高分辨率土地利用数据，实现了疑似非法冶炼重金属点位的快速定位，并且通过无人机实景技术进行点位核查，最终提取疑似非法冶炼重金属点位5 个，证明了本方法能够实现非法冶炼重金属点位的快速有效监测。

6.2 讨论

卫星遥感提取疑似非法冶炼重金属点位技术方法可精确、有效提取地面存在温度异常的区域，同时结合土地利用类型、热异常点出现频次以及无人机现场勘查结果，进一步提高非法冶炼重金属监测的精度。然而，由于非法冶炼重金属点位地面信息的缺失，难以单纯从卫星、无人机影像上判断点位是否存在非法冶炼重金属行为；同时，受到研究区域天气影响，监测频率有所降低，一定程度上影响了遥感监测方法的精度。

针对目前非法冶炼重金属点位判别困难问题，后续研究中将开展现场调查，提升对非法冶炼重金属行为的认知，完善遥感技术提取疑似非法冶炼重金属点位的判断依据，进一步优化技术方法；同时，为充分利用卫星遥感速度快、范围大以及无人机分辨率高的优势，下一步将建立卫星—无人机快速反应机制，即卫星大范围提取疑似区域作为无人机飞行任务，再基于无人机影像提取疑似问题点位，从而提升非法冶炼重金属点位排查效率及能力。