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基于 HRS 和 GIS 的城市污染土壤监测与管理 ——一个系统框架1 蒙莉娜，李志建，郑新奇 中国地质大学（北京）土地科学技术学院，北京(100083) Email: menglina14031@163.com 摘 要：随着工业化进程的加快，城市土壤污染逐渐成为城市生态环境发展的瓶颈之一。传 统的污染土壤监测办法主要是定点采样，化学分析方法。该方法工作量大，无法实时更新监 测结果。高光谱遥感（HRS）具有光谱分辨率高，波段连续性强的特点，能获得多光谱传感 器无法获得的精细的光谱信息，可以客观精确定量地反映土壤污染现状。地理信息系统（GIS） 具有强大的空间数据分析能力及可视化能力，可以直观地反应污染土壤污染的空间分布特 性。选择有代表性的城市场地，运用网格法进行土壤采样，并通过实验室化学分析得出城市 土壤的重金属等污染物质含量，运用地物光谱仪在实验室设定条件下测定土壤反射光谱，应 用偏最小二乘法（PLS）建立高光谱遥感影像定量反演模型，预测城市土壤中各种污染物的 含量，并在遥感影像中直观表示。基于 GIS平台开发城市污染土壤管理系统，可为城市公共 管理提供决策支持。结果表明，HRS 技术能提供大量的、连续性的光谱信息；PLS 模型为大 尺度城市土壤污染快速评价与监测提供了可能性；并通过结合 GIS技术可实现城市污染土壤 的动态监测与管理，为城市公共管理提供决策支持。 关键词：高光谱遥感，地理信息系统，偏最小二乘法，土壤污染 中文分类号：X833 1. 引言 随着快速工业化的推进，工业生产过程中产生的大量“三废”（废气、废水和废渣）没 有经过有效处理就直接排放，对环境系统产生了极大的危害。工业化引起的城市土壤污染具 有隐蔽性、累积性、迁移性及污染源多样性等特点。作为人类活动主要承载场所，城市场地 的污染土壤对公众健康及环境安全产生了极大的危害[1] 。因工业活动而产生的大气污染、水 体污染是目前学术界的研究热点内容之一，运用高光谱遥感技术监测大气污染和水体污染的 [2] 理论基础和技术手段都比较成熟。徐祥德等 利用MODIS 和TOMS 卫星遥感资料，分析提 出北京城市中污染过程与南部周边城市群落排放源显著相关。李旭文等[3]利用遥感并结合地 面水化学检测同步对照分析，对太湖蓝藻数量进行估算，以叶绿素a 为主要评定指标，计算 出叶绿素a 的均值为0.073mg/L，验证太湖水体质量已进入富营养化阶段。 高光谱遥感是在电磁波的紫外、可见光、近红外和中红外区域，对每个空间像元形成几 十个或几百个窄波段（波谱分辨率≤10nm）并进行连续的光谱覆盖，其特点是光谱分辨率 高，波段连续性强，能获得多光谱传感器无法获得的精细的光谱信息[4] 。高光谱城市污染土 壤识别是基于城市土壤中污染物质的指纹效应，通过污染物高光谱数据的重建光谱与实测标 准光谱的定量对比分析，实现利用宏观手段（遥感技术）对微观地物（如污染物质等）进行 直接识别。 目前，利用植物受胁迫程度作为土壤污染的一个评价指标，通过提前受胁迫植物的光谱 [5 6] 特征评价矿山污染得到成功运用 - 。研究结果表明，在相同的植被覆盖上，受胁迫植物“红 边”位移程度识别污染土壤。城市污染土壤植被覆盖相对稀少，大部分污染工业土壤多为裸 1 基金项目：北京市科技计划软科学研究课题（编号：Z07020600370712 ）；国家科技支撑项目资助课题 （2006BAB15803 ）；中国地质大学（北京）人才基金资助项目（51900912300 ） - 1 - 露土壤，利用植被受胁迫程度作为指标评价城市土壤污染不适用。 土壤中重金属等污染物的含量取决于土壤的交换能力，而土壤的交换能力是由土壤的有 机质含量及粘土含量决定的[7] 。实验室研究表明土壤的特性，如有机质含量和粘土含量等， 可以通过测定土壤在可见光-近红外波段光谱反射特征，建立光谱定量模型，分析土壤光谱