蘇闖 張靜 * 李營

（1.廣東省固體廢物和化學(xué)品環(huán)境中心，廣東 廣州 510308；2.生態(tài)環(huán)境部衛(wèi)星環(huán)境應(yīng)用中心，北京 100094）

1 引言

重金屬污染是影響人民群眾身體健康的突出環(huán)境問題之一，我國歷來重視重金屬污染問題的監(jiān)控與防治，制定了一系列法規(guī)政策。2011 年，我國頒布首個(gè)重金屬污染防治專項(xiàng)規(guī)劃——《重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃》，力求控制重金屬污染?！笆濉睍r(shí)期，重金屬污染防控取得積極成效，但一些地區(qū)重金屬污染問題仍然突出，威脅人民群眾的身體健康?！笆奈濉睍r(shí)期，重金屬污染防控以持續(xù)改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量為核心，以防控重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)，以重金屬污染物減排為抓手，注重減污降碳協(xié)同增效，深入開展重點(diǎn)行業(yè)重金屬污染綜合治理，有效防控重金屬污染。2022 年3 月，生態(tài)環(huán)境部發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)重金屬污染防控的意見》，要求堅(jiān)持精準(zhǔn)、科學(xué)、依法治污，深入有效監(jiān)測管控重金屬污染，切實(shí)維護(hù)生態(tài)環(huán)境安全和人民群眾健康。

有色金屬冶煉業(yè)是重金屬污染主要來源之一，而非法冶煉重金屬往往缺少完備的污染防治措施，會(huì)對周圍環(huán)境造成更為嚴(yán)重的污染；此外，非法冶煉重金屬往往在夜間作案且地點(diǎn)較為隱秘，人工監(jiān)測難以及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)，且監(jiān)測范圍有限，目前主要依靠群眾舉報(bào)的方式。遙感具有大范圍、長時(shí)序的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，能夠主動(dòng)監(jiān)測識別大范圍內(nèi)的疑似非法冶煉重金屬行為，為整治非法冶煉重金屬行為提供技術(shù)支撐，對監(jiān)測非法冶煉重金屬具有重要意義。

針對國內(nèi)外非法冶煉重金屬現(xiàn)狀與問題，本文通過融合衛(wèi)星及無人機(jī)遙感技術(shù)，建立衛(wèi)星反演—無人機(jī)驗(yàn)證的監(jiān)測技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)疑似非法冶煉重金屬的遙感監(jiān)測。

2 研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外面向遙感監(jiān)測非法冶煉重金屬的相關(guān)研究相對較少，主要集中在土壤重金屬含量遙感反演。在重金屬遙感反演的數(shù)據(jù)方面，最早是使用多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行反演［1-3］，利用土壤重金屬在遙感多光譜影像特定光譜范圍所反映出來的吸收與反射特性進(jìn)行重金屬含量的反演［4］。但由于多光譜遙感影像波段較少，信息量有限，反演模型精度難以滿足要求，限制了多光譜重金屬遙感反演的發(fā)展［5］。隨著高光譜數(shù)據(jù)的發(fā)展，高光譜具有更高的光譜分辨率，對于重金屬這種微弱信息有著識別和定量探測的優(yōu)勢，因而被逐漸廣泛應(yīng)用于土壤重金屬含量的遙感反演［6-8］。其次，遙感反演重金屬的類型主要有Cu，Pb，Zn，Cd，Co，Ni，F(xiàn)e，Mn 及Cr 等，主要應(yīng)用于礦區(qū)、冶煉廠等區(qū)域［9-11］。在重金屬含量遙感反演方法上，根據(jù)土壤重金屬含量與反射率之間的關(guān)系，構(gòu)建土壤重金屬含量與特定光譜波段反射率之間的統(tǒng)計(jì)分析模型，從而推演研究區(qū)范圍內(nèi)重金屬含量分布范圍［12］。其中應(yīng)用較多的方法有多元線性回歸（MLR）［13］、偏最小二乘回歸（PLS）［14］、支持向量機(jī)（SVM）［15］、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［16］等。目前對重金屬遙感監(jiān)測方面的研究主要集中在對礦山等明確點(diǎn)位的重金屬含量反演，對非法冶煉重金屬區(qū)域研究較少。

非法冶煉重金屬是生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的新問題，目前，主要采用地表熱異常反演來進(jìn)行監(jiān)測。Zhou等通過Landsat 8 熱紅外數(shù)據(jù)監(jiān)測鐵和鋼工廠內(nèi)部熱場的時(shí)空變化［17］。Ma 等利用Landsat 8，VIIRS Nightfire 等數(shù)據(jù)提取了工業(yè)熱源的區(qū)域［18］。何俊霞等基于NPP－VIIRS 衛(wèi)星熱異常點(diǎn)數(shù)據(jù)，利用改進(jìn)的固定閾值法識別提取熱異常點(diǎn)，研究了江蘇沿江地區(qū)的工業(yè)熱源熱異常點(diǎn)區(qū)位分布及其變化規(guī)律［19］。目前國內(nèi)外對監(jiān)測非法冶煉重金屬的研究相對較少，尚屬探索性階段，因此急需研究一種非法冶煉重金屬遙感監(jiān)測手段。

3 方法構(gòu)建

3.1 技術(shù)流程

非法冶煉重金屬行為常在夜間作案，且多發(fā)生于山林隱蔽處，作案地點(diǎn)溫度顯著高于周邊，且其作案時(shí)間為1～6 個(gè)月。因此，采用多源熱紅外影像反演地表溫度，通過溫差分析識別地表熱異常點(diǎn)，并綜合土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可初步提取非法冶煉重金屬點(diǎn)位。最后結(jié)合無人機(jī)影像信息，進(jìn)行精確的定位核實(shí)，從而實(shí)現(xiàn)對非法冶煉行為的有效監(jiān)控。圖1 為提取非法冶煉重金屬點(diǎn)位技術(shù)流程。

圖1 技術(shù)流程

3.2 方法構(gòu)建

3.2.1 地表溫度反演算法

目前熱紅外地表溫度反演算法主要包括單通道算法［20］、SW 算法［21］（劈窗算法）、高光譜反演算法［22］、多時(shí)相算法［23］以及多角度算法［24］等。其中SW 算法是目前應(yīng)用最廣泛的地表溫度反演方法［25］。SW 算法是基于波長為11 μm 和12 μm 的2 個(gè)波段之間的大氣吸收差異，通過對這2 個(gè)熱紅外通道觀測值進(jìn)行不同組合來消除大氣的影響，校正大氣效應(yīng)與地表比輻射率。本文使用SW 算法反演地表溫度，公式為：

式中，Ts為反演得到的陸地表面溫度；Ti和Tj分別為波段i 與j 的亮度溫度；ε 為波段i 與j 的平均地表比輻射率；△ε 為波段i 與j 的地表比輻射率之差。

3.2.2 熱異常點(diǎn)提取

熱異常點(diǎn)提取的主要依據(jù)為重金屬冶煉等熱源在時(shí)間尺度上的時(shí)間連續(xù)性特征以及空間統(tǒng)計(jì)特征?；贏VHRR（多光譜通道的掃描輻射儀）、MODIS（中分辨率成像光譜儀）、Landsat 衛(wèi)星的熱紅外波段，利用溫度反演算法反演區(qū)域地表溫度，通過空間濾波和時(shí)間濾波方法初步提取熱異常點(diǎn)。非法冶煉重金屬行為一般發(fā)生在人跡罕至的山林中，而受到城市區(qū)域中工廠等熱源的影響，初步提取的熱異常點(diǎn)包括非法冶煉重金屬點(diǎn)位以及城市工廠等人類活動(dòng)導(dǎo)致的熱異常點(diǎn)，因此需要通過結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判定。

近年來隨機(jī)森林分類算法以其分類精度高、抗噪性強(qiáng)、訓(xùn)練速度快等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于土地利用分類、植被提取以及各種分類場景中。本文基于GF1（高分一號）影像，通過特征篩選進(jìn)行分類特征波段選擇，并使用隨機(jī)森林分類算法對研究區(qū)進(jìn)行土地利用分類；然后基于多源熱紅外遙感數(shù)據(jù)對區(qū)域熱異常點(diǎn)像元進(jìn)行高頻次觀測，對于出現(xiàn)頻次較高的像元，結(jié)合土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)一步提取位于林地等區(qū)域的熱異常點(diǎn)；最后根據(jù)高分辨率多光譜數(shù)據(jù)劃定非法冶煉重金屬區(qū)域。

3.2.3 無人機(jī)驗(yàn)證

無人機(jī)具有操作簡便、體積小、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在茂林深處或類似區(qū)域的優(yōu)勢越發(fā)凸顯。本文采用無人機(jī)全景技術(shù)，針對疑似點(diǎn)位進(jìn)行核查。飛行時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測無人機(jī)飛行高度、速度等飛行狀態(tài)，以確保飛行作業(yè)安全，同時(shí)，基于空三加密處理生產(chǎn)的無人機(jī)數(shù)字正射影像圖（Digital Orthophoto Map，DOM），結(jié)合影像特征判讀和人工解譯方法，最終確定非法冶煉重金屬點(diǎn)位。

4 研究區(qū)與數(shù)據(jù)

4.1 研究區(qū)

本文選取某省北部山區(qū)進(jìn)行研究，該區(qū)域近年來存在非法冶煉重金屬的報(bào)道，其遙感影像示意圖如圖2 所示。該區(qū)域地勢西北高東南低，以山地分布較多，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，一年內(nèi)夏天最長，春、秋、冬季較短，南北差異明顯。年平均氣溫在18.9～22 ℃之間，雨水資源豐富，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 日數(shù)）為160～173 d。

圖2 研究區(qū)

4.2 遙感數(shù)據(jù)

遙感數(shù)據(jù)包括Moderate－resolution Imaging Spectroradiometer（MODIS）、Advanced Very High Resolution Radiometer（AVHRR）、Landsat 8 以及GF1影像，時(shí)間為2022 年1—6 月，數(shù)據(jù)具體參數(shù)見表1。AVHRR，MODIS 和Landsat 8 用于地表溫度反演，GF1 數(shù)據(jù)作為土地利用類型的判別依據(jù)。所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過幾何校正、輻射校正、正射校正、數(shù)據(jù)匹配等預(yù)處理。

表1 熱紅外數(shù)據(jù)及其用途μm

5 監(jiān)測結(jié)果

5.1 地表溫度反演結(jié)果

使用SW 算法對研究區(qū)2022 年1—6 月的地表溫度進(jìn)行反演，1—6 月研究區(qū)地表溫度總體呈現(xiàn)上升趨勢，且溫度高值多分布于人類活動(dòng)較多的區(qū)域，這是受城市內(nèi)工廠、機(jī)動(dòng)車、居民生活人工熱源等因素的影響。林地總體溫度偏低，局部點(diǎn)位會(huì)出現(xiàn)溫度高值，疑似重金屬冶煉點(diǎn)位，需要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。通過對研究區(qū)2022 年1—6 月的地表溫度進(jìn)行時(shí)空分析，將與周圍區(qū)域溫度差異較大且在較長時(shí)序上保持溫度高值的區(qū)域初步確定為熱異常點(diǎn)。

5.2 土地利用判別結(jié)果

基于高分系列多光譜數(shù)據(jù)，利用隨機(jī)森林分類算法將研究區(qū)分為林地、草地、農(nóng)田、建筑和水體5類。其中，林地占比最高，其次是建筑和農(nóng)田。城市主要分布在水域附近地勢平坦的區(qū)域，城市周圍分布有大量林地，間有少量草地。非法冶煉重金屬多發(fā)生在山林隱蔽處，因此林地是重點(diǎn)監(jiān)測區(qū)域。建筑、農(nóng)田等其他人類活動(dòng)較多的區(qū)域在劃定非法冶煉重金屬時(shí)應(yīng)予以剔除。

5.3 疑似非法冶煉重金屬結(jié)果

通過地表溫度時(shí)間序列數(shù)據(jù)和時(shí)序分析方法計(jì)算疊加得到異常點(diǎn)分布頻次圖，熱異常點(diǎn)分布頻次較高的區(qū)域主要分布在城區(qū)等人類活動(dòng)較多的區(qū)域，這部分熱異常點(diǎn)主要為工業(yè)熱源等；除此之外，小部分的熱異常點(diǎn)稀疏分布在人跡罕至的林地，分布散亂且無規(guī)律。

非法冶煉重金屬點(diǎn)位具有隱匿于山林的分布特點(diǎn)，因此結(jié)合熱異常點(diǎn)分布頻次以及土地利用數(shù)據(jù)可以快速定位疑似非法冶煉重金屬點(diǎn)位，并通過高分辨率多光譜數(shù)據(jù)精確劃定疑似非法冶煉重金屬區(qū)域。如圖3 所示，共識別6 個(gè)疑似非法冶煉重金屬點(diǎn)位。

圖3 非法冶煉重金屬點(diǎn)位空間分布

5.4 無人機(jī)驗(yàn)證

針對疑似非法冶煉重金屬點(diǎn)位，采用無人機(jī)進(jìn)行飛行驗(yàn)證（見圖4），圖4a，4b 為小型企業(yè)廠房，其在夜間可能存在生產(chǎn)行為，由于研究人員無法進(jìn)入，難以核實(shí)其是否存在非法冶煉重金屬行為；圖4c，4d顯示林地附近空曠場地存在焚燒痕跡，但由于缺少相應(yīng)的檢測，將其判定為疑似非法冶煉重金屬點(diǎn)位。通過無人機(jī)驗(yàn)證，共判定非法冶煉重金屬點(diǎn)位5 個(gè)。綜上，通過無人機(jī)驗(yàn)證可以看出，本文構(gòu)建的非法冶煉重金屬遙感監(jiān)測方法，能夠發(fā)現(xiàn)疑似的非法冶煉重金屬行為。

6 結(jié)論與討論

6.1 結(jié)論

針對非法冶煉重金屬遙感監(jiān)測問題，本文提出了一種基于熱紅外遙感數(shù)據(jù)的非法冶煉重金屬遙感監(jiān)測方法。通過地表溫度反演算法和時(shí)序分析方法，進(jìn)行了熱異常點(diǎn)的精準(zhǔn)提?。唤Y(jié)合非法冶煉重金屬隱匿山林的分布特點(diǎn)，通過熱異常點(diǎn)分布頻次以及高分辨率土地利用數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了疑似非法冶煉重金屬點(diǎn)位的快速定位，并且通過無人機(jī)實(shí)景技術(shù)進(jìn)行點(diǎn)位核查，最終提取疑似非法冶煉重金屬點(diǎn)位5 個(gè)，證明了本方法能夠?qū)崿F(xiàn)非法冶煉重金屬點(diǎn)位的快速有效監(jiān)測。

6.2 討論

衛(wèi)星遙感提取疑似非法冶煉重金屬點(diǎn)位技術(shù)方法可精確、有效提取地面存在溫度異常的區(qū)域，同時(shí)結(jié)合土地利用類型、熱異常點(diǎn)出現(xiàn)頻次以及無人機(jī)現(xiàn)場勘查結(jié)果，進(jìn)一步提高非法冶煉重金屬監(jiān)測的精度。然而，由于非法冶煉重金屬點(diǎn)位地面信息的缺失，難以單純從衛(wèi)星、無人機(jī)影像上判斷點(diǎn)位是否存在非法冶煉重金屬行為；同時(shí)，受到研究區(qū)域天氣影響，監(jiān)測頻率有所降低，一定程度上影響了遙感監(jiān)測方法的精度。

針對目前非法冶煉重金屬點(diǎn)位判別困難問題，后續(xù)研究中將開展現(xiàn)場調(diào)查，提升對非法冶煉重金屬行為的認(rèn)知，完善遙感技術(shù)提取疑似非法冶煉重金屬點(diǎn)位的判斷依據(jù)，進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)方法；同時(shí)，為充分利用衛(wèi)星遙感速度快、范圍大以及無人機(jī)分辨率高的優(yōu)勢，下一步將建立衛(wèi)星—無人機(jī)快速反應(yīng)機(jī)制，即衛(wèi)星大范圍提取疑似區(qū)域作為無人機(jī)飛行任務(wù)，再基于無人機(jī)影像提取疑似問題點(diǎn)位，從而提升非法冶煉重金屬點(diǎn)位排查效率及能力。