土壤污染遥感研究进展及应用展望

吴媛媛 赵恬茵 刘东东

（1 西安航天宏图信息技术有限公司 陕西 西安 710100；2 黔南民族师范学院 贵州 都匀 558000； 3 华润数字科技(西安) 有限公司 陕西 西安 710061）

传统的土地污染物调查方法是对野外实地逐点收集的样本进行室内分析，以获得不同地点的土地污染物浓度，研究内容大部分集中在污染物化学测定方法、赋存状况、土地污染物与其所附着的微观环境之间的相互关联、污染物分布转化规则、环境污染危险性评估方式等。利用这些方式可以获得较高的检测精度，但耗时费力效率低，甚至无法较好地得到污染物在空间环境上的连续分布信息。遥感技术作为一种空间环境信息技术，为宏观层面上迅速掌握土壤重金属污染信息创造了全新的渠道。特别是近年来，国内外多源卫星遥感技术资料数据在空气清晰度、时间清晰度、辐射分辨率、光谱清晰度等方面都得到了飞跃式发展，为将遥感科技应用于土壤重金属污染研究和检测方面创造了更大的机会。为此，文章重点总结当前土壤污染的遥感科技检测发展，并根据目前土壤污染检测的迫切要求，剖析了遥感科技的应用及其在土壤重金属污染检测中的潜在应用前景。

1 遥感技术在土壤污染中的识别调查

遥感技术的基本工作机理是通过运用电磁波对地表物体进行检测和分类，以研究地理上的物质与资源状况，对地表的空间特性与规律实施动态监控。随着遥感技术在各个领域的发展和应用，目前已在海洋环境监测和灾难预测等方面发挥重要的作用。将遥感技术应用于土壤污染研究工作中，已经能够对土壤污染物进行合理地鉴定与监管，并对土壤环境污染的危险性做出合理的评价。遥感技术已经能够适应土壤污染监测管理工作的各种需要，并通过监测数据进行合理的分析[1]。

2 土壤污染与土壤污染遥感

2.1 土壤污染及特点。土壤污染是受人类活动影响而产生的，可对土地功效及利用价值产生负面的影响。土壤污染的要素一般包含3 个方面的具体内容(土壤污染三要素)：①有可鉴定的人为污染；②可鉴定的自然污染总量在扩大；③有现存(直接显露)或潜在(通过转化)的危险结果。我们在实际项目中需要着重考虑的问题是土壤污染或污染土地(指已经构成污染的样点、场地和不同尺度的区域土壤)。但是，因为对环境认识的不同，往往容易模糊沾污与污染的区别，会造成夸大土壤污染或破坏土地的现象。环境污染源一般包括自然源和人造源。自然源通常是指由自然界自行向环境中释放有害物质并产生不利作用的场所，而这些现象也通常称之为天灾，例如正在活跃的火山。人造源是指由人类活动所产生的污染源，是人类科学研究的重点对象，在人造污染源中，化学物质对土壤的污染是需要人类尤为重视的[2]。根据化学物质或药剂进入土壤的路径，将污染方式分为污水灌溉、固体废弃物使用、杀虫剂和肥料的使用、大气沉降物等。土是不可再生资源，形成1 cm 土层需数百年至上千年。土壤污染物有积聚性、不均匀性和长期存在性等特征，而物质在环境中转移、传播和稀释速率极慢，因此土地如果污染严重，则是“天长地久”。

2.2 土壤污染遥感。遥感学是以电磁波传播和地表物质相互作用为物质基础，通过监测、分类与研究地球资源和环境，发现地球地表各基本要素的空间分布特点和空间规律的一种科学。近年来，随着遥感技术的迅速发展，卫星遥感技术开始在气象、海洋、环保、减灾等行业中得到广泛应用与发展。土壤污染遥感即使用遥感技术实现对土壤污染物的辨识、反演、管控以及环境风险评估。遥感设备对土壤污染物的响应，是进行土壤污染遥感的重要基石。所以，对于土壤污染遥感，必须设定土壤污染物的监测需求和进行遥感技术性分析(响应可识别性分析)，以明确哪些要求能够借助遥感技术完成，哪些要求能够利用遥感技术辅助来完成，哪些要求能够带动遥感技术的发展[3]。

3 土壤污染研究工作分析

3.1 光谱机理在土壤污染中的应用研究。土壤污染研究工作中，利用遥感技术中的光谱机理，可以有效的识别土壤中的有机物和重金属，通过对目标区域的分析，可以对土壤中的污染物质按照一种特定的光谱进行识别。土壤污染光谱机理的研究内容主要是分析土壤中的污染物对土壤光谱的影响。

3.2 土壤污染遥感技术。近些年来，技术人员对光谱学与高光谱等遥感技术在土壤污染检测工作中的应用开展了较全面的深入研究，同时建立了不同的遥感技术反演方案，进一步丰富了遥感技术的手段，发现了航空高光谱、航天遥感平台以及近土壤地表光谱。这些手段的出现和实施有效地促进了土壤污染监测工作的顺利开展，提高了土壤污染监测的工作效率和工作质量[4]。

3.3 植被污染胁迫遥感技术。一般土壤中的有机质成分含量很高，而重金属的浓度相对较低，土壤光谱所显示出的光谱特征并不突出。但一旦土壤中的重金属成分浓度超出了一定范围，将会对植被造成极大的危害，导致植物具有巨大毒性。植物被重金属污染后，形成的光谱变化特征十分明显，可以通过反演植物中的重金属含量间接对土壤重金属污染进行评估。遥感技术中植被对光波的吸收和反射作用，构成了植物的光谱特征，植物在受到污染以后的光谱特征将会发生改变。相关人士对受污染植物进行分析和研究，发现受重金属污染后植物叶绿素的含量和细胞结构会产生变化，并发现植物和土壤间存在相关关系，因此，植物胁迫污染是反演土壤污染程度的一个重要指标，对评估和评价环境污染具有重要的作用。通过对光谱特征及对植物胁迫的识别，促进土壤污染调查工作更加顺利地开展[5]。但是，植物本身对重金属存在一定的抗性，在光谱反应变化数据中存在一定的误差。

4 基于遥感技术的土壤污染调查应用展望

在土壤污染源的监管过程中，遥感技术发挥了重要的作用，它可以对污染源进行实时的监测和管控，比如在矿产资源开发区、石油开采区以及农业生产区域的监管，对预防土壤污染起到了积极的作用。同时，通过遥感技术获取卫星数据开展空间监测工作，对有可能存在的污染风险和破坏行为进行监测，实现了遥感技术风险管控。通过调查土地污染相关数据，结合土地地形地貌和地质结构信息进行风险评估和分区，可以根据提供的数据制定针对性的防治方案。

4.1 土壤污染源遥感监管。土壤污染源是土壤污染的根源，通过做好对工矿企业的环保管理，可斩断土壤污染的根源，控制土壤污染增长的势头。《土壤污染防治行动计划》中，多次明确提出了主要污染源、重要矿产资源的合理开发范围、重要油气开采区的控制和农用塑料薄膜污染的预防。遥感技术在对上述重点污染源监测任务中，可以发挥很大的保障作用。针对矿业集中开发区域，可运用远程遥感方法划分矿业开采土地环境保护界限，实施采矿点未使用地环境保护遥感技术监察。针对油田开发范围，可利用环境遥感方法划分土壤污染区域和面积，对油田开采区未使用的土地进行环境遥感监察。针对耕地农膜，可利用环境遥感方法对河北、辽宁、山东、河南、甘肃、新疆等农膜使用率较高地区开展环境遥感技术监控，以分析农膜利用面积和回收面积变化趋势[6]。针对工业固体废物的集中堆放场所，可运用遥感识别信息技术对尾矿库、优质煤矿、制造业副产石膏、赤泥、冶金渣、水电石残留、砷渣和脱硫脱硝除尘等产生固体垃圾的堆放场地进行遥感图像辨识和遥感图像管控。针对重点行业企业生产用地中的污染土地，可运用生物遥感技术检测污染土地的分布情况以及环保风险。

4.2 遥感技术服务风险管控。《泥土污染防治行动规划》中明确表明，要加强对未被环境污染土层的环境保护，对已受环境污染的农村土地，要“防止人居环境危险性”，并建立多源卫星数据分析，对相应空间进行遥感检测工作。一是对土质较好地区和国家确定的国土环境保护重要地区，依法进行远程遥感监测，密切监控可能出现的水土破坏情况。二是对国土环境保护严重污染地区、国家确定的土壤污染控制区，开展远程遥感监测，防止在其周围建设住宅、学校、医疗机构等。此外，还要利用国土环境污染源普查数据分析、网络数据分析、远程遥感解译等，摸清地方典型的国土环境污染源布局，并建立国土环境污染源分布数据集。叠合土壤环境污染源、远程遥感专题参数、土质环境污染的敏感区(如居民聚居区、保护区)、气候气象、河川地下水系统、土壤侵蚀程度、地形地貌、地表覆盖及泥土使用类型等信息，并耦合经济发展数据分析，实现地域尺度上土壤污染风险评估和分区管理。利用模拟重金属污染过程，开展区域经营风险评估工作，并有针对性地提供管理方法。

4.3 遥感技术在土壤调查与布点情况优化中的应用。土壤污染监视和调查结果中，土地样点的空间结构布置对监视和问卷调查的成果很重要。常规取样地点的空间结构布置方式可分为地区随意布点法、划分随意布点法和系统(网格)布点法。划分随意布点法主要是采用地域内部分异性的空间结构布点状况方案，包括土壤种类、土地利用种类和地形地貌、植物生长状况等，由于综合考虑了部分异性，因此该法具备了较好的针对性和经济效益。而遥感技术的综合反应特性则能够综合反应地域内的部分异性，所以，根据土地污染的空间分布特点、遥感技术反应特性和土壤污染性质有关的空气资料特征等，就能够从地域分辨率尺寸上实现土地样点空间布局优选。同样，在局地尺度上，通过超高空间分辨率的遥感影像，在收集样点局地环境信息后，可对土壤取样点的具体布置作出合理设计和优选[7]。

我国在土壤污染的研究工作中，充分利用遥感技术的宏观性、连续性和光谱综合特征，对土壤的污染程度和监管能力进行提升和优化，为我国土壤环境的管理提供了重要的技术支持，同时也有效提高了土壤管理工作的效率和质量，获取了更加全面和精准的土壤污染信息，为我国综合治理国土污染工作提供了重要的技术保障。