中國(guó)是世界上最大的能源生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)。礦產(chǎn)資源是國(guó)家安全與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基石，在社會(huì)發(fā)展、人民生產(chǎn)生活中占有舉足輕重的地位。礦產(chǎn)開采引起的環(huán)境問題一直是地球環(huán)境科學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn)。在礦區(qū)開采直至閉礦，一直伴隨著大量的生態(tài)破壞的問題，諸如水體污染、土地沙化、生物多樣性減少等，因此監(jiān)測(cè)和分析礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的各種典型信號(hào)和異常情況已成為環(huán)境保護(hù)、生態(tài)恢復(fù)等工作的重要基礎(chǔ)。

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)行線性或非線性組合，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)行提取；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)線性或非線性的運(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、多元線性回歸法等。其中，多元線性回歸法操作簡(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)多元線性回歸法的一定優(yōu)化，解決了多重線性問題，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，此類方法可以避免線性模型中的過(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)。

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審核編輯：符乾江