山区非法冶炼重金属遥感监测技术方法研究_苏闯.pdf

摘要：非法冶炼重金属由于工艺设施简陋、没有污染防治设施，会严重污染环境和危害人民群众身体健康。目前对于非法冶炼重金属窝点，主要靠群众举报发现。结合卫星遥感和无人机技术，构建了一种基于地表温度差异的非法冶炼重金属点位的提取方法。基于多源热红外遥感数据，通过地表温度时间序列和时序分析方法，实现了热异常点的精准提取；结合非法冶炼重金属隐匿山林的特点，利用热异常点分布频次以及高分辨率土地利用数据进行疑似非法冶炼重金属点位的快速提取；并通过无人机全景技术进行疑似点位核查，最终提取非法冶炼重金属点位 5 个，证明本方法能够实现非法冶炼重金属点位的有效识别，对于非法冶炼重金属监测具有重要意义。关键词：热红外遥感；热异常点；土地利用；非法冶炼重金属Abstract：Illegal smelting of heavy metals will seriously pollute the environment and endanger peoples health due topoor technological facilities and no pollution prevention and control facilities.At present，illegal smelting heavy metaldens are mainly found through reports from the masses.This paper fully combines satellite remote sensing and UAVtechnology to construct a extraction method for illegal smelting heavy metal points based on surface temperaturedifferences.Based on multi-source thermal infrared remote sensing data，accurate extraction of thermal anomalies isachieved through surface temperature time series and time series analysis methods.Combined with the characteristics ofillegal smelting of heavy metals in hidden forests，the frequency of thermal anomalies and high-resolution land use dataare used to carry out the rapid extraction of suspected illegal smelting heavy metal points；and the suspected pointverification through drone panoramic technology，and finally 5 illegal smelting heavy metal points are extracted，whichproves that this method can realize the effective identification of illegal smelting heavy metal points，and it is of greatsignificance for monitoring of heavy metal illegal smelting.Key words：thermal infrared remote sensing；thermal anomalies；land use；heavy metals illegal smelting中图分类号：X87文献标识码：A文章编号：16741021（2023）050080-061引言重金属污染是影响人民群众身体健康的突出环境问题之一，我国历来重视重金属污染问题的监控与防治，制定了一系列法规政策。2011 年，我国颁布首个重金属污染防治专项规划重金属污染综合防治“十二五”规划，力求控制重金属污染。“十三五”时期，重金属污染防控取得积极成效，但一些地区重金属污染问题仍然突出，威胁人民群众的身体健康。“十四五”时期，重金属污染防控以持续改善生态环境质量为核心，以防控重金属环境风险为目标，以重金属污染物减排为抓手，注重减污降碳协同增效，深入开展重点行业重金属污染综合治理，有效防控重金属污染。2022 年 3 月，生态环境部发布 关于进一步加强重金属污染防控的意见，要求坚持精准、科学、依法治污，深入有效监测管控重金属污染，切实维护生态环境安全和人民群众健康。有色金属冶炼业是重金属污染主要来源之一，而非法冶炼重金属往往缺少完备的污染防治措施，会对周围环境造成更为严重的污染；此外，非法冶炼重金属往往在夜间作案且地点较为隐秘，人工监测难以及时准确发现，且监测范围有限，目前主要依靠收稿日期：2022-11-10；修订日期：2023-05-12。作者简介：苏闯，男，1966 年生，高级工程师，硕士，主要研究方向为固体废物环境管理。*通讯作者：张静，女，1982 年生，工程师，硕士，主要研究方向为固体废物和化学品环境管理，E-mail：。基金项目：广东省固体废物和化学品环境中心固体废物堆存场遥感监测项目一期（440001-2021-40446）。山区非法冶炼重金属遥感监测技术方法研究苏闯1张静1李营2（1.广东省固体废物和化学品环境中心，广东广州 510308；2.生态环境部卫星环境应用中心，北京 100094）*80环境保护与循环经济群众举报的方式。遥感具有大范围、长时序的技术优点，能够主动监测识别大范围内的疑似非法冶炼重金属行为，为整治非法冶炼重金属行为提供技术支撑，对监测非法冶炼重金属具有重要意义。针对国内外非法冶炼重金属现状与问题，本文通过融合卫星及无人机遥感技术，建立卫星反演无人机验证的监测技术体系，实现疑似非法冶炼重金属的遥感监测。2研究现状目前，国内外面向遥感监测非法冶炼重金属的相关研究相对较少，主要集中在土壤重金属含量遥感反演。在重金属遥感反演的数据方面，最早是使用多光谱数据进行反演1-3，利用土壤重金属在遥感多光谱影像特定光谱范围所反映出来的吸收与反射特性进行重金属含量的反演4。但由于多光谱遥感影像波段较少，信息量有限，反演模型精度难以满足要求，限制了多光谱重金属遥感反演的发展5。随着高光谱数据的发展，高光谱具有更高的光谱分辨率，对于重金属这种微弱信息有着识别和定量探测的优势，因而被逐渐广泛应用于土壤重金属含量的遥感反演6-8。其次，遥感反演重金属的类型主要有 Cu，Pb，Zn，Cd，Co，Ni，Fe，Mn 及 Cr 等，主要应用于矿区、冶炼厂等区域9-11。在重金属含量遥感反演方法上，根据土壤重金属含量与反射率之间的关系，构建土壤重金属含量与特定光谱波段反射率之间的统计分析模型，从而推演研究区范围内重金属含量分布范围12。其中应用较多的方法有多元线性回归（MLR）13、偏最小二乘回归（PLS）14、支持向量机（SVM）15、BP神经网络模型16等。目前对重金属遥感监测方面的研究主要集中在对矿山等明确点位的重金属含量反演，对非法冶炼重金属区域研究较少。非法冶炼重金属是生态环境领域的新问题，目前，主要采用地表热异常反演来进行监测。Zhou等通过 Landsat 8 热红外数据监测铁和钢工厂内部热场的时空变化17。Ma 等利用 Landsat 8，VIIRSNightfire 等数据提取了工业热源的区域18。何俊霞等基于 NPPVIIRS 卫星热异常点数据，利用改进的固定阈值法识别提取热异常点，研究了江苏沿江地区的工业热源热异常点区位分布及其变化规律19。目前国内外对监测非法冶炼重金属的研究相对较少，尚属探索性阶段，因此急需研究一种非法冶炼重金属遥感监测手段。3方法构建3.1技术流程非法冶炼重金属行为常在夜间作案，且多发生于山林隐蔽处，作案地点温度显著高于周边，且其作案时间为 16 个月。因此，采用多源热红外影像反演地表温度，通过温差分析识别地表热异常点，并综合土地利用数据进行分析，可初步提取非法冶炼重金属点位。最后结合无人机影像信息，进行精确的定位核实，从而实现对非法冶炼行为的有效监控。图 1 为提取非法冶炼重金属点位技术流程。图1技术流程32方法构建3.2.1地表温度反演算法目前热红外地表温度反演算法主要包括单通道算法20、SW 算法21（劈窗算法）、高光谱反演算法22、多时相算法23以及多角度算法24等。其中SW 算法是目前应用最广泛的地表温度反演方法25。SW 算法是基于波长为 11 m 和 12 m 的 2 个波段之间的大气吸收差异，通过对这 2 个热红外通道观测值进行不同组合来消除大气的影响，校正大气效应与地表比辐射率。本文使用 SW 算法反演地表温度，公式为：几何校正、辐射校正、数据匹配GF1 多光谱无人机影像AVHRR/MODIS/Landsat 8地表温度反演热异常点初步提取热异常点频率热异常点确定土地利用类型点位核查划定非法治炼重金属区域81Ts=Ti+c1（Ti-Tj）+c2（Ti-Tj）2+c0+（c3-c4）（1-）+（c5+c6）式中，Ts为反演得到的陆地表面温度；Ti和 Tj分别为波段 i 与 j 的亮度温度；为波段 i 与 j 的平均地表比辐射率；为波段 i 与 j 的地表比辐射率之差。3.22热异常点提取热异常点提取的主要依据为重金属冶炼等热源在时间尺度上的时间连续性特征以及空间统计特征。基于 AVHRR（多光谱通道的扫描辐射仪）、MODIS（中分辨率成像光谱仪）、Landsat 卫星的热红外波段，利用温度反演算法反演区域地表温度，通过空间滤波和时间滤波方法初步提取热异常点。非法冶炼重金属行为一般发生在人迹罕至的山林中，而受到城市区域中工厂等热源的影响，初步提取的热异常点包括非法冶炼重金属点位以及城市工厂等人类活动导致的热异常点，因此需要通过结合土地利用数据进行综合判定。近年来随机森林分类算法以其分类精度高、抗噪性强、训练速度快等优点被广泛用于土地利用分类、植被提取以及各种分类场景中。本文基于 GF1（高分一号）影像，通过特征筛选进行分类特征波段选择，并使用随机森林分类算法对研究区进行土地利用分类；然后基于多源热红外遥感数据对区域热异常点像元进行高频次观测，对于出现频次较高的像元，结合土地利用数据进一步提取位于林地等区域的热异常点；最后根据高分辨率多光谱数据划定非法冶炼重金属区域。3.23无人机验证无人机具有操作简便、体积小、机动性强等优点，在茂林深处或类似区域的优势越发凸显。本文采用无人机全景技术，针对疑似点位进行核查。飞行时应实时监测无人机飞行高度、速度等飞行状态，以确保飞行作业安全，同时，基于空三加密处理生产的无人机数字正射影像图（Digital Orthophoto Map，DOM），结合影像特征判读和人工解译方法，最终确定非法冶炼重金属点位。4研究区与数据41研究区本文选取某省北部山区进行研究，该区域近年来存在非法冶炼重金属的报道，其遥感影像示意图如图 2 所示。该区域地势西北高东南低，以山地分布较多，属亚热带季风气候，一年内夏天最长，春、秋、冬季较短，南北差异明显。年平均气温在 18922 之间，雨水资源丰富，平均年降水量 1 63142 1493 mm，年平均降水日（降水量01 mm 日数）为 160173 d。图 2研究区42遥感数据遥感数据包括 ModerateresolutionImagingSpectroradiometer（MODIS）、AdvancedVeryHighResolution Radiometer（AVHRR）、Landsat 8 以及 GF1影像，时间为 2022 年 16 月，数据具体参数见表1。AVHRR，MODIS 和 Landsat 8 用于地表温度反演，GF1 数据作为土地利用类型的判别依据。所有数据均经过几何校正、辐射校正、正射校正、数据匹配等预处理。82环境保护与循环经济表 1热红外数据及其用途m5监测结果51地表温度反演结果使用 SW 算法对研究区 2022 年 16 月的地表温度进行反演，16 月研究区地表温度总体呈现上升趋势，且温度高值多分布于人类活动较多的区域，这是受城市内工厂、机动车、居民生活人工热源等因素的影响。林地总体温度偏低，局部点位会出现温度高值，疑似重金属冶炼点位，需要进行重点监测。通过对研究区 2022 年 16 月的地表温度进行时空分析，将与周围区域温度差异较大且在较长时序上保持温度高值的区域初步确定为热异常点。52土地利用判别结果基于高分系列多光谱数据，利用随机森林分类算法将研究区分为林地、草地、农田、建筑和水体 5类。其中，林地占比最高，其次是建筑和农田。城市主要分布在水域附近地势平坦的区域，城市周围分布有大量林地，间有少量草地。非法冶炼重金属多发生在山林隐蔽处，因此林地是重点监测区域。建筑、农田等其他人类活动较多的区域在划定非法冶炼重金属时应予以剔除。53疑似非法冶炼重金属结果通过地表温度时间序列数据和时序分析方法计算叠加得到异常点分布频次图，热异常点分布频次较高的区域主要分布在城区等人类活动较多的区域，这部分热异常点主要为工业热源等；除此之外，小部分的热异常点稀疏分布在人迹罕至的林地，分布散乱且无规律。非法冶炼重金属点位具有隐匿于山林的分布特点，因此结合热异常点分布频次以及土地利用数据可以快速定位疑似非法冶炼重金属点位，并通过高分辨率多光谱数据精确划定疑似非法冶炼重金属区域。如图 3 所示，共识别 6 个疑似非法冶炼重金属点位。疑似非法冶炼重金属点位图 3非法冶炼重金属点位空间分布54无人机验证针对疑似非法冶炼重金属点位，采用无人机进行飞行验证（见图 4），图 4a，4b 为小型企业厂房，其在夜间可能存在生产行为，由于研究人员无法进入，难以核实其是否存在非法冶炼重金属行为；图 4c，4d显示林地附近空旷场地存在焚烧痕迹，但由于缺少相应的检测，将其判定为疑似非法冶炼重金属点位。通过无人机验证，共判定非法冶炼重金属点位 5 个。综上，通过无人机验证可以看出，本文构建的非法冶炼重金属遥感监测方法，能够发现疑似的非法冶炼重金属行为。数据通道编号波长用途AVHRRAVHRR-410.511.3地表温度AVHRR-511.512.5地表温度B40.770.89土地利用MODIS3110.78011.280地表温度3211.77011.280地表温度Landsat 8TIRS110.6011.19地表温度TIRS211.5012.51地表温度GF1B10.450.52土地利用B20.520.59土地利用B30.630.69土地利用83abcd图 4非法冶炼重金属无人机遥感验证6结论与讨论61结论针对非法冶炼重金属遥感监测问题，本文提出了一种基于热红外遥感数据的非法冶炼重金属遥感监测方法。通过地表温度反演算法和时序分析方法，进行了热异常点的精准提取；结合非法冶炼重金属隐匿山林的分布特点，通过热异常点分布频次以及高分辨率土地利用数据，实现了疑似非法冶炼重金属点位的快速定位，并且通过无人机实景技术进行点位核查，最终提取疑似非法冶炼重金属点位 5 个，证明了本方法能够实现非法冶炼重金属点位的快速有效监测。62讨论卫星遥感提取疑似非法冶炼重金属点位技术方法可精确、有效提取地面存在温度异常的区域，同时结合土地利用类型、热异常点出现频次以及无人机现场勘查结果，进一步提高非法冶炼重金属监测的精度。然而，由于非法冶炼重金属点位地面信息的缺失，难以单纯从卫星、无人机影像上判断点位是否存在非法冶炼重金属行为；同时，受到研究区域天气影响，监测频率有所降低，一定程度上影响了遥感监测方法的精度。针对目前非法冶炼重金属点位判别困难问题，后续研究中将开展现场调查，提升对非法冶炼重金属行为的认知，完善遥感技术提取疑似非法冶炼重金属点位的判断依据，进一步优化技术方法；同时，为充分利用卫星遥感速度快、范围大以及无人机分辨率高的优势，下一步将建立卫星无人机快速反应机制，即卫星大范围提取疑似区域作为无人机飞行任务，再基于无人机影像提取疑似问题点位，从而提升非法冶炼重金属点位排查效率及能力。参考文献1 Kemper T，Sommer S.Estimate of heavy metal contaminationin soils after a mining accident using reflectance spectroscopyJ.Environmental ScienceTechnology，2002，36（12）：27422 王腾军，方珂，杨耘随机森林回归模型用于土壤重金属含84环境保护与循环经济量多光谱遥感反演 J 测绘通报，2021（11）：92953 JeonghwaL，JaehyungY，LeiW，etal.HeavyMetalContamination Index Using Spectral Variables for WhitePrecipitates Induced by Acid Mine Drainage：A Case StudyofSoroCreek，SouthKorea J .Ieee Transactions on Geoscienceand Remote Sensing，2019，57（7）：4870-48884 沈文娟，蒋超群，侍昊土壤重金属污染遥感监测研究进展J 遥感信息，2014（6）：1121175 韩玲，刘志恒，宁昱铭，等矿区土壤重金属污染遥感反演研究进展 J 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