隨著人類(lèi)對(duì)自然資源的不斷開(kāi)采和利用，礦山環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重。為了更好地保護(hù)環(huán)境和人類(lèi)健康，高光譜環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于礦山環(huán)境污染監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。本文將探討高光譜環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦山環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用及其研究進(jìn)展。

高光譜環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)是一種基于光譜分析的監(jiān)測(cè)技術(shù)，它利用不同物質(zhì)的光譜特性，通過(guò)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)進(jìn)行光譜掃描和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物質(zhì)的定性和定量分析。與傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)方法相比，高光譜環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)具有更高的靈敏度和準(zhǔn)確性，能夠更加全面地監(jiān)測(cè)環(huán)境中的各種物質(zhì)。

1礦區(qū)高光譜遙感監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

在礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，歐美國(guó)家一直處在領(lǐng)先地位， 發(fā)達(dá)的衛(wèi)星研發(fā)技術(shù)加上豐富的礦產(chǎn)資源，為其研究提供了有力的資源支撐。早在20世紀(jì)70 年代，美國(guó)、 加拿大等發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始制訂礦山環(huán)境保護(hù)與評(píng)估制度，利用全色、多光譜等遙感數(shù)據(jù)進(jìn)行礦山土地利用及植被覆蓋變化情況的監(jiān)測(cè)，而這些調(diào)查研究大多是基于宏觀的角度進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。近幾十年，隨著傳感器的發(fā)展，高光譜遙感以其自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)使礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)從宏觀逐步走向微觀， 成為目前國(guó)際上監(jiān)測(cè)礦山環(huán)境污染的主要手段， 且積累了 很多成果。在礦山高光譜遙感應(yīng)用上，早期的研究主要集中在對(duì)于污染物的識(shí)別以及光譜特征的分析上，以污染程度不一的土壤栽培植物為對(duì)象，利用地面光譜儀對(duì)其進(jìn)行光譜測(cè)定，探索了生長(zhǎng)于重金屬和核輻射污染環(huán)境中的植被生態(tài)變異特征，在植被受污染狀況研究上有了突破。隨著研究的深入， 高光譜遙感在礦山環(huán)境監(jiān)測(cè)中也得到了應(yīng)用，加拿大在實(shí)施礦山復(fù)墾計(jì)劃中采用航空高光譜遙感技術(shù)進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)。研究?jī)?nèi)容也更聚焦于對(duì)定量反演各種理化參數(shù)， 獲取礦區(qū)環(huán)境要素變化因子的探索， 反演過(guò)程中主要考察方法的創(chuàng)新以及實(shí)用程度。現(xiàn)階段，一些國(guó)際前沿學(xué)者將高光譜技術(shù)與計(jì)算機(jī)科學(xué)結(jié)合起來(lái)，利用智能化的算法。

我國(guó)礦山環(huán)境調(diào)查始于20世紀(jì)90年代末，相對(duì)于國(guó)外來(lái)說(shuō)前期發(fā)展比較滯緩。早期礦山環(huán)境遙感調(diào)查以多光譜數(shù)據(jù)為主，但對(duì)礦區(qū)地物識(shí)別精度不 高。鑒于此，不少學(xué)者開(kāi)始分析礦山的污染地物的光譜特征，利用高光譜數(shù)據(jù)反演植物、水體、土壤波譜特征參數(shù)的變異情況，建立污染物質(zhì)及其間的關(guān)系模型，為礦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了科學(xué)的指導(dǎo)。

2 礦區(qū)高光譜遙感數(shù)據(jù)來(lái)源

目前，高光譜遙感技術(shù)已進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展階段，數(shù)據(jù)獲取手段日益豐富，已建立了很多成熟的產(chǎn)品和先進(jìn)數(shù)據(jù)處理手段。高光譜數(shù)據(jù)可大致分為近地高光譜數(shù)據(jù)、低空高光譜數(shù)據(jù)和高空高光譜數(shù)據(jù)。近地高光譜數(shù)據(jù)起步較早且發(fā)展較為成熟，主要是通過(guò)地物光譜儀在室內(nèi)或者野外測(cè)量得到的。室內(nèi)測(cè)量數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是受外界因素干擾小，實(shí)驗(yàn)條件可控性高，能夠精確地描述各種組分的光譜特征，并運(yùn)用數(shù)據(jù)建立預(yù)測(cè)模型；缺點(diǎn)是野外實(shí)際環(huán)境比實(shí)驗(yàn)室更為復(fù)雜，受到氣候、溫度、光照等多方面因素影響，因而在實(shí)驗(yàn)室建立的地表組分反演模型常常無(wú)法直接應(yīng)用于室外監(jiān)測(cè)，此外，可獲得近地高光譜數(shù)據(jù)范圍有限，難以實(shí)現(xiàn)大范圍快速監(jiān)測(cè)。低空高光譜數(shù)據(jù)主要來(lái)源于無(wú)人機(jī)平 臺(tái)的成像光譜儀，近幾年發(fā)展迅速，主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)采集方便、時(shí)效性強(qiáng)、分辨率高、質(zhì)量好，能夠真實(shí)反映礦區(qū)環(huán)境特征，此外在地理探測(cè)環(huán)境較為復(fù)雜以及人無(wú)法到達(dá)的小范圍區(qū)域，是星載高光譜數(shù)據(jù)和近地高光譜數(shù)據(jù)的重要補(bǔ)充；不足是應(yīng)用場(chǎng)景較為受限，在礦山環(huán)境中的監(jiān)測(cè)應(yīng)用還在發(fā)展中，尚未形成體系。高空高光譜數(shù)據(jù)可分為機(jī)載與星載，結(jié)合了高光譜遙感和遙感成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了圖譜合一，發(fā)展較為成熟， 目前在礦山地質(zhì)領(lǐng)域也積累了許多相關(guān)研究。相對(duì)近地高光譜數(shù)據(jù)和機(jī)載高光譜數(shù)據(jù)而言，星載高光譜數(shù)據(jù)觀測(cè)范圍廣、應(yīng)用成本低、尺度范圍大；缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)分辨率不高，回訪(fǎng)周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)時(shí)效性差等。

礦區(qū)高光譜遙感監(jiān)測(cè)應(yīng)用

3.1礦區(qū)植被理化參數(shù)反演

植被生長(zhǎng)發(fā)育情況將直接反映該區(qū)域生態(tài)環(huán)境的狀況，與氣候、土壤、水體等自然因素聯(lián)系緊密。目前，高光譜已成為對(duì)地表植被進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)的強(qiáng)有力工具，當(dāng)植物的生長(zhǎng)環(huán)境受到污染物影響時(shí)，其光譜特征會(huì)明顯區(qū)別于自然條件下生長(zhǎng)的植被，并提出一些系列參數(shù)來(lái)表征植被在金屬脅迫下的生長(zhǎng)異常。

一是植被指數(shù)法，研究者們通過(guò)對(duì)不同波段進(jìn)行線(xiàn)性或非線(xiàn)性組合，提出了多種植被指數(shù)，應(yīng)用于監(jiān)測(cè)地面植物生長(zhǎng)和分布、定性定量評(píng)估，如植被指數(shù) NDVI、綠度植被指數(shù)GVI、調(diào)整土壤亮度的植被指數(shù)SAVI等，進(jìn)而利用這些參數(shù)建立反演模型，對(duì)礦區(qū)植被的生長(zhǎng)信息進(jìn)行提??；二是植被的“三邊參數(shù)”，例如植物的“紅邊”效應(yīng)，“紅邊”是植物葉子光譜為一階導(dǎo)數(shù)光譜在680～740nm內(nèi)的拐點(diǎn)，當(dāng)植物受 到脅迫時(shí)，紅邊會(huì)向短波方向移動(dòng)，產(chǎn)生“藍(lán)移”現(xiàn)象。因此可以通過(guò)對(duì)比礦區(qū)植被光譜變異特征，監(jiān)測(cè)和分析礦區(qū)植被的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)。

3.2礦區(qū)土壤重金屬含量反演

土壤重金屬污染在礦山開(kāi)采過(guò)程中尤為突出，持續(xù)的采礦活動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生大量廢礦、廢水等，一般含有大量有毒的重金屬元素，易滲入土壤向外擴(kuò)散，導(dǎo)致土壤中有害物質(zhì)聚集，土壤生態(tài)失衡，甚至在食物鏈中循環(huán)，給人類(lèi)身體健康帶來(lái)嚴(yán)重影響。礦區(qū)土壤中的重金屬光譜數(shù)據(jù)一般是在室內(nèi)利用光譜儀進(jìn)行測(cè)定的，首先運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、光譜變換等手段對(duì)土壤特征 波段進(jìn)行提取，常用的方法有：微分、光譜倒數(shù)對(duì)數(shù)、連續(xù)統(tǒng)去除法等。然后通過(guò)線(xiàn)性或非線(xiàn)性的運(yùn)算方法建立土壤中重金屬含量與各變量之間關(guān)系，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)土壤重金屬含量定量反演。常用的反演模型分為物理模型和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)模型，由于土壤成分的重金屬含量較低，其他成分復(fù)雜，所以在現(xiàn)階段高光譜礦區(qū)土壤重金屬含量反演中大多采用統(tǒng)計(jì)分析法，主要分為單變量和多變量統(tǒng)計(jì)分析。目前在土壤重金屬含量反演常用多變量統(tǒng)計(jì)分析，較單變量分析而言，此類(lèi)方法建立的模型穩(wěn)定，精度高。常用的反演方法有：主成分分析法、最小二乘法、多元線(xiàn)性回歸法等。其中，多元線(xiàn)性回歸法操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用最為廣泛；主成分分析法主要聚焦于特征波段的分析，不能完整地保留光譜信息，適用于變量不多的獨(dú)立分析中；最小二乘法是對(duì)多元線(xiàn)性回歸法的一定優(yōu)化，解決了多重線(xiàn)性問(wèn)題，能較為準(zhǔn)確地反演土壤重金屬含量。隨著實(shí)際應(yīng)用中對(duì)精度要求的提高，越來(lái)越多改進(jìn)的算法和非線(xiàn)性模型被逐步引入高光譜土壤重金屬元素含量的反演建模中， 此類(lèi)方法可以避免線(xiàn)性模型中的過(guò)度擬合，且可以容納多個(gè)變量參與建模，提高模型精度，常用的方法有遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隨機(jī)森林等。

3.3礦區(qū)水體污染識(shí)別

礦山廢水的排放是礦山環(huán)境污染的重要來(lái)源之一，尤其在金屬提煉過(guò)程中的廢水對(duì)地表和地下水體的污染最為嚴(yán)重，例如銅礦、煤礦、鐵礦等。目前對(duì)于礦山中廢水的監(jiān)測(cè)主要是從以下兩個(gè)方面進(jìn)行的，一是基于水體的顏色和光譜特征，運(yùn)用波段運(yùn)算、灰度法等進(jìn)行圖像解譯，直接識(shí)別監(jiān)測(cè)。這是因?yàn)橐话闼w受到污染后，顏色會(huì)發(fā)生改變，部分礦區(qū)由于開(kāi)墾的原因還會(huì)伴隨大量的泥沙，造成水體渾。此外，由于污染的水域會(huì)產(chǎn)生一些懸浮物質(zhì)，一定程度上會(huì)造成廢水的光譜反射率偏低，這些特征可應(yīng) 用于對(duì)水體污染物進(jìn)行識(shí)別的研究。二是對(duì)水體的pH值進(jìn)行評(píng)測(cè)分析， 開(kāi)采過(guò)程中的部分含重金屬元素的尾礦，次生礦易溶于水中，與水體產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)， 使礦區(qū)水域呈酸性或者堿性狀態(tài)。酸堿污水直接改變水體pH 值，因此在礦山廢水監(jiān)測(cè)中，除了需掌握污染物位置、特征以及動(dòng)態(tài)變化外，pH值的測(cè)定也是礦山環(huán)境評(píng)價(jià)中關(guān)鍵的一環(huán)。

高光譜環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)在礦山環(huán)境污染監(jiān)測(cè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，該技術(shù)在礦山環(huán)境污染監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用還存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)，如光譜數(shù)據(jù)的處理和分析、監(jiān)測(cè)設(shè)備的研發(fā)和應(yīng)用等方面還需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。未來(lái)，隨著高光譜環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，它將為礦山環(huán)境污染防治和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供更加科學(xué)、準(zhǔn)確的技術(shù)支持。