土壤是構(gòu)成生態(tài)系統(tǒng)的基本要素之一，是國(guó)家最重要的自然資源，也是人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。但是相比其他環(huán)境污染，土壤污染具有更強(qiáng)的隱蔽性和滯后性，且一旦被污染將很難恢復(fù)。為了防止土壤污染日趨嚴(yán)重，加強(qiáng)土壤生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)和管理，已經(jīng)引起國(guó)家和各級(jí)政府的高度重視。

土壤重金屬污染由于其持續(xù)殘留性和毒性的特征而顯得尤其危險(xiǎn)。土壤重金屬的來(lái)源分為兩種途徑：一是來(lái)自于成土母質(zhì)；二是來(lái)自于人類各種生產(chǎn)活動(dòng)。土壤重金屬污染主要涉及Cu、Zn、Pb、Hg、Cd、As這幾種典型的元素，而其他的重金屬富集污染則不明顯。所以需要及時(shí)且準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)重金屬污染，以確保土壤資源的可持續(xù)性。

傳統(tǒng)的地面采樣監(jiān)測(cè)土壤重金屬污染的方式，由于勞動(dòng)強(qiáng)度大且耗時(shí)間，不利于廣泛推廣。現(xiàn)代遙感技術(shù)能否應(yīng)用于土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)呢？目前遙感技術(shù)用于大尺度的監(jiān)測(cè)土壤重金屬等理化特征方面的研究工作開展的還不多，已有的研究多局限于基于采樣點(diǎn)的野外和實(shí)驗(yàn)室光譜分析，構(gòu)建常規(guī)的統(tǒng)計(jì)方法。然而，傳統(tǒng)的遙感采樣分析、單一的實(shí)驗(yàn)室光譜學(xué)分析在污染監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、方法的全面性以及結(jié)果精度的高效性方面有待改善。近年來(lái)，基于地面光譜分析和多、高光譜影像預(yù)測(cè)的方法被廣泛提及，特別是高光譜遙感數(shù)據(jù)，而高光譜模型模擬多光譜數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)方法仍需探索。此外，高光譜數(shù)據(jù)用于Cd、Hg等毒性較強(qiáng)且無(wú)光譜特征的元素檢測(cè)存有困難，但以其具備的評(píng)價(jià)生物物理參數(shù)并檢測(cè)空間變化的能力，成為基于地表方法檢測(cè)土壤重金屬污染的首要選擇，且因其提供特定和關(guān)鍵的時(shí)間信息而被廣泛應(yīng)用。目前，使用高精度的遙感影像結(jié)合其他多源數(shù)據(jù)為大地域的監(jiān)測(cè)和制圖、土壤重金屬污染的空間分布、污染等級(jí)提供更為可靠、便捷的方式，特別是結(jié)合多時(shí)相的衛(wèi)星和航空高光譜構(gòu)建可靠的模型，實(shí)現(xiàn)大尺度的連續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，正在成為趨勢(shì)。

多光譜遙感成像技術(shù)能夠以較低的成本研究大區(qū)域范圍內(nèi)土壤類型分布和屬性時(shí)空變化特征，是重要的土壤信息源,然而多光譜傳感器提供的土壤信息十分有限，采用常規(guī)的分析手段無(wú)法從中提取物質(zhì)成分和含量的高精度信息和光譜特征，因此不適合高精度的土壤屬性定量遙感分析,而主要用于較大比例尺的土壤屬性制圖、評(píng)價(jià)、監(jiān)測(cè)和時(shí)空變異研究。

利用多光譜（如TM和ASTER）遙感模擬波段估算重金屬含量的研究，根據(jù)傳感器的光譜響應(yīng)函數(shù)，將原始土壤光譜曲線轉(zhuǎn)換為模擬的TM和ASTER工作波段，表明多光譜數(shù)據(jù)具有估算土壤重金屬元素含量的潛力，然而所得的光譜模擬數(shù)據(jù)并未考慮植被覆蓋影響、大氣效應(yīng)、混合像元等干擾元素，因而從模擬光譜層次的研究到遙感影像層次的應(yīng)用還需要考慮更多因素。多光譜遙感影像中包含的是自然條件下的土壤光譜信息，不可避免地包含環(huán)境噪聲以及光譜混合現(xiàn)象，會(huì)極大地削弱甚至掩蓋土壤的光譜特征。隨著研究方法和技術(shù)的改進(jìn)，為基于影像層面的土壤重金屬污染的探索提供了新思路。若結(jié)合多源遙感數(shù)據(jù)來(lái)探索土壤重金屬污染，特別是連續(xù)時(shí)相的多光譜數(shù)據(jù)，能夠彌補(bǔ)短期監(jiān)測(cè)的不全面性，預(yù)測(cè)潛在的污染區(qū)域，如基于連續(xù)時(shí)相的Landsat數(shù)據(jù)用于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)土壤污染，其優(yōu)勢(shì)在于減少了使用高光譜分辨率數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)分析和采樣技術(shù)的花費(fèi)，能預(yù)測(cè)污染恢復(fù)帶來(lái)的影響。此外，基于遙感和實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合已有成熟的監(jiān)測(cè)土壤重金屬污染的技術(shù)應(yīng)用于其他的研究區(qū)域，將有助于進(jìn)一步改善預(yù)測(cè)的精度。

高光譜成像技術(shù)綜合了地物高光譜和高空成像技術(shù)，與多光譜成像技術(shù)相比，目前高光譜成像技術(shù)能夠提供最高10nm光譜分辨率的目標(biāo)信息，其高光譜影像立方體可用于精確識(shí)別地物類型和定量反演地物屬性。研究表明許多地表物質(zhì)的吸收特征在吸收峰深度一半處的寬度為20nm～40nm。然而傳統(tǒng)的多光譜遙感影像，光譜分辨率只有100nm，在可見光和近紅外光譜區(qū)域只有幾個(gè)波段。因此，根據(jù)高光譜遙感光譜分辨率高，波段多的這一特點(diǎn)，許多在寬波段遙感中不可探測(cè)的重金屬的光譜特性，可以運(yùn)用高光譜遙感區(qū)分并探測(cè)出來(lái)。與地面光譜技術(shù)相比，高光譜能夠制作更大比例尺和更詳細(xì)的專題圖，特別是土壤屬性制圖是高光譜數(shù)據(jù)的主要應(yīng)用目標(biāo)。盡管存在不足，嘗試使用新的數(shù)據(jù)和方法基于遙感高光譜方式探測(cè)土壤重金屬污染，仍是現(xiàn)階段土壤污染遙感監(jiān)測(cè)研究的熱點(diǎn)。

高光譜遙感監(jiān)測(cè)的常規(guī)應(yīng)用

高光譜技術(shù)方法作為一種能夠動(dòng)態(tài)、快速、宏觀地獲取地表信息的遙感技術(shù)，不僅能夠監(jiān)測(cè)無(wú)光譜特征的土壤重金屬成分，還不會(huì)對(duì)污染土壤及其附屬植被產(chǎn)生直接傷害，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境、地質(zhì)和土壤等多個(gè)領(lǐng)域。

（１）高光譜監(jiān)測(cè)土壤重金屬吸附或賦存關(guān)系的應(yīng)用由于土壤重金屬含量低，反映在土壤光譜信息很微弱，通過(guò)直接分析重金屬元素的特征光譜來(lái)估算其含量比較困難，而同類元素容易相互聚集共生，用相關(guān)系數(shù)可以反映土壤元素之間的共生程度。最近研究表明，根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)、鐵錳氧化物以及粘土礦物等對(duì)重金屬的吸附或賦存作用，可以通過(guò)無(wú)光譜特征物質(zhì)與有光譜特征物質(zhì)之間的相關(guān)性，利用粘土礦物和鐵錳氧化物在土壤光譜曲線中典型的光譜特征，間接地預(yù)測(cè)土壤重金屬含量，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)無(wú)光譜特征的土壤重金屬的含量。

（２）地表高光譜監(jiān)測(cè)土壤重金屬的應(yīng)用近表面的遙感技術(shù)預(yù)測(cè)作物重金屬污染有兩個(gè)特點(diǎn)：一是重金屬脅迫下作物的生物化學(xué)數(shù)據(jù)能與冠層的光譜反射測(cè)量同步獲取，相反，使得航空高光譜影像與作物的生物化學(xué)數(shù)據(jù)同步測(cè)量則較困難；二是在野外環(huán)境下，近端遙感能獲取到作物的許多反射光譜數(shù)據(jù)用于探索光譜和重金屬含量的關(guān)系。但是少量采樣點(diǎn)用于建模和驗(yàn)證，影響模型的穩(wěn)定性，若將其用于其他區(qū)域、物種或者重金屬類型則需要進(jìn)一步驗(yàn)證，可通過(guò)增加采樣點(diǎn)的數(shù)量，改善波段選擇方式，使用更多的特征方法等提高模型的穩(wěn)定性和精度。未來(lái)研究的趨勢(shì)是建立起植被重金屬脅迫的即時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)，最大限度地減少土壤重金屬污染帶來(lái)的危害。或者綜合多源數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間序列的連續(xù)監(jiān)測(cè)，做到區(qū)域的宏觀調(diào)控，并能預(yù)測(cè)潛在的危險(xiǎn)分布。已有研究總結(jié)在結(jié)合典型土壤光譜庫(kù)，確定合適的水和環(huán)境等參數(shù)，建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛿U(kuò)展算法，將低光譜數(shù)據(jù)擴(kuò)展成高光譜數(shù)據(jù)，對(duì)于土壤定量遙感將具有十分重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。

（１）空載或星載高光譜的應(yīng)用

伴隨地面、航空、航天多源信息不斷集成，結(jié)合不同高光譜數(shù)據(jù)，將逐步實(shí)現(xiàn)從重金屬污染的定性分析向定量分析發(fā)展。使用衛(wèi)星高光譜影像以及實(shí)地的采樣，用于探測(cè)光譜影像識(shí)別礦物的分布并制圖顯示重金屬污染土壤中的擴(kuò)散，結(jié)果表明高光譜遙感數(shù)據(jù)在地表礦物和廢棄物制圖方面表現(xiàn)出高效、快速和重復(fù)的特性，并能夠提供污染區(qū)域的位置。空載或星載傳感器由于距離地表較遠(yuǎn)，而且只能獲取表層土壤光譜，不存在絕對(duì)的高精度。其他的遙感光譜學(xué)分析，如微波，能夠用于探測(cè)土壤水分、質(zhì)地等，但是空間分辨率相對(duì)較低；實(shí)驗(yàn)室地物光譜儀的測(cè)量可測(cè)得較高精度的土壤光譜，但是將實(shí)驗(yàn)室里建立的模型推廣應(yīng)用于其他遙感數(shù)據(jù)，必須消除環(huán)境、水分、質(zhì)地、類型等對(duì)土壤光譜的影響，目前還沒有報(bào)道相關(guān)的研究成果。嘗試多源數(shù)據(jù)整合的方法，充分發(fā)揮各種數(shù)據(jù)源的綜合優(yōu)勢(shì)，將有助于提高土壤重金屬監(jiān)測(cè)的精度。

（２）土壤重金屬高光譜監(jiān)測(cè)算法的改進(jìn)

目前利用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)土壤組成與反射光譜間關(guān)系的常用統(tǒng)計(jì)分析方法有多元逐步回歸分析、主成分分析和偏最小二乘回歸（PLSR）分析。神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法、小波分析、遺傳算法等應(yīng)用不多見。盡管有研究表明，土壤屬性與光譜之間存在著非常顯著的相關(guān)性，但是在綜合應(yīng)用各種遙感數(shù)據(jù)時(shí)，有必要采用非線性和非統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析和識(shí)別各種因素的非線性作用。現(xiàn)有的遙感方法用于監(jiān)測(cè)重金屬污染多關(guān)注光學(xué)數(shù)據(jù)分辨率的尺度轉(zhuǎn)換問題，很少有研究關(guān)注重金屬污染評(píng)價(jià)模型由野外到大區(qū)域尺度的轉(zhuǎn)換。

光譜學(xué)的反演研究雖取得了一定的成就，但是反演的數(shù)據(jù)多來(lái)自于實(shí)驗(yàn)室或者野外的試驗(yàn)，對(duì)于大區(qū)域尺度的研究不具備優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)有的研究手段，一方面表現(xiàn)出近表面遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)重金屬污染的優(yōu)勢(shì)，另一方面也預(yù)示著研究尺度的有限性決定監(jiān)測(cè)土壤重金屬污染結(jié)果的有效性。所以在數(shù)據(jù)獲取方式或者數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性以及模型方法改進(jìn)方面將呈現(xiàn)新的發(fā)展趨勢(shì)。許多研究提倡通過(guò)整合一些變量，如生物預(yù)測(cè)變量、物理土壤參數(shù)、化學(xué)測(cè)量等，評(píng)估重金屬污染類型、程度及其分布和影響。物理參數(shù)中，土壤磁化率的測(cè)量能快速且高效地區(qū)分重金屬污染，許多空間變化的控制因子使得土壤磁化率的測(cè)量變的可靠、有效、敏感，該方法快速、非破壞性的特性，能補(bǔ)充傳統(tǒng)化學(xué)分析的不足，并允許短時(shí)間廣域的測(cè)定。結(jié)合多源數(shù)據(jù)，精確地制圖并可視化顯示重金屬污染能夠更好地理解污染的狀況。就土壤定量化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)而言，土壤重金屬污染監(jiān)測(cè)逐步向精度更高的微觀探索技術(shù)和節(jié)約時(shí)間成本的中觀甚至宏觀監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展；遙感、GPS及其他科學(xué)手段能做到的僅是大面積、快速估算土壤重金屬含量，而非準(zhǔn)確值，因而監(jiān)測(cè)的進(jìn)一步精準(zhǔn)化是學(xué)者研究的熱點(diǎn)；可以用遙感技術(shù)對(duì)土壤重金屬監(jiān)測(cè)進(jìn)行實(shí)地定位或者分不同時(shí)相遙感影像動(dòng)態(tài)變化。