德兴铜矿矿山重金属污染修复效果高光谱遥感评价.pdf
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1、第 卷第 期自 然 资 源 遥 感.年 月 .:./.引用格式:王嘉芃徐建国沈家晓等.德兴铜矿矿山重金属污染修复效果高光谱遥感评价.自然资源遥感():.(.():.)德兴铜矿矿山重金属污染修复效果高光谱遥感评价王嘉芃 徐建国 沈家晓 张登荣(.杭州师范大学遥感与地球科学研究院杭州 .浙江省城市湿地与区域变化研究重点实验室杭州 .宁波市宇科国土勘测规划设计有限公司宁波)摘要:合理快速评价矿山重金属污染修复的效果对于矿山生态恢复与重建治理工作具有重要意义 以德兴铜矿为例根据野外实测植被光谱分析矿区内主要植被的典型光谱特征 根据实验室化验的植被叶片内重金属含量分析其重金属含量与光谱特征参数红边位置的
2、关系 利用 年和 年 景 高光谱卫星数据计算矿区植被的红边位置推断矿区植被富集重金属的情况进而评价矿山重金属污染修复的效果 研究结果表明在典型复垦区 号、号尾矿库四周重金属污染修复取得了较好的效果 与 年相比 年重金属污染修复整体上取得了一定的成效大部分区域被修复但仍有部分新增污染区需采取修复措施 该方法可快速、合理、大范围地评价矿区重金属污染修复的效果关键词:光谱特征 红边位置 重金属污染修复 高光谱 德兴铜矿中图法分类号:文献标志码:文章编号:()收稿日期:修订日期:基金项目:国家重点研发计划项目“典型资源环境要素识别提取与定量遥感技术”(编号:)资助第一作者:王嘉芃()女硕士工程师研究方
3、向为遥感生态监测、环境调查评估:.通信作者:张登荣()男博士教授研究方向为地质遥感、开发应用:.引言矿产资源的大规模开采导致矿山生态环境问题日益突出尤其是矿山废弃物中含有大量的重金属元素会严重污染矿区及周边区域的土壤、水质直接或间接危害人体健康 近年来许多国家和企业已逐渐意识到矿山生态环境保护的重要性并开展恢复治理工作 其中矿山重金属污染修复成效是评判矿区生态环境保护与恢复好坏的重要标准之一 因此寻找一种合理快速高效的矿区重金属污染修复效果的评价方法十分必要矿山重金属污染会影响矿山地物组分从而影响地物的光谱特征 高光谱遥感技术具有近似连续的地物光谱信息和强大的地物覆盖识别能力因此成为遥感评价矿
4、山重金属污染修复效果的首选技术方法 国内外众多学者研究了植被光谱特征变异与重金属含量的关系大量研究结果均表明吸收重金属后的植被光谱较正常植被的光谱会发生明显变化且重金属含量与表征植被光谱特征的参数存在一定的相关关系 红边位置被越来越多地作为定量表征与植物生理相关的特征光谱与其变异性的特定参量 等利用红边位置估算了森林叶面积指数 姚付启等利用红边参数研究了植被叶绿素含量高光谱估算模型 佘宝等利用红边位置提取了油菜的种植面积 等利用冠层高光谱的红边位置表征植被对有机物“菲”的反应 张佳伟等利用不同红边位置算法估测玉米叶绿素含量 因此可以将红边位置作为表征吸收重金属后的植被光谱特征变异参数利用植被红
5、边位置变化反映矿山重金属含量进而评估矿山重金属污染修复的效果德兴铜矿自 世纪 年代初就开始生态修复的试验研究 年正式晋升为国家级“绿色矿山”矿区生态修复取得了很大成效 为了探究利用高光谱遥感技术评价矿山重金属污染修复效果的方法以德兴铜矿为研究区根据野外实测植被光谱和实验室化验的植被叶片内重金属含量分析其重金属含量与光谱特征参数红边位置的关系 以此为基础利用 高光谱卫星数据计算矿区植被的红边位置推断矿区植被富集重金属的情况进而评价矿区重金属污染的生态修复效果第 期王嘉芃等:德兴铜矿矿山重金属污染修复效果高光谱遥感评价 研究区概况及数据源.研究区概况德兴铜矿(图)位于我国江西省东北部德兴市境内是一
6、座世界级大型斑岩铜矿 受到矿山开采活动的影响矿区内重金属污染严重 自 世纪 年代开始德兴铜矿加强了绿化、尾矿库和废石场的生态复垦和植物修复工作 如今已成功在纯尾砂上种植了水蜡烛和无叶节节草等植物使尾砂无覆土植被恢复成为可能并成功筛选出一批适合在废石场生长的植被 随后植被复垦覆盖至露天采区边坡、酸性废石堆等地 并且进行了一系列“治水”工程 根据地理国情普查的土地利用数据研究区内的植被以乔木林为主植被类型以常绿阔叶林、常绿针叶林和针阔混交林为主()年谷歌影像()土地利用数据图 研究区位置.数据源及其预处理.野外实测植被光谱数据野外实测光谱数据为 年 月 日实测的德兴铜矿矿区的茅草、盐肤木的光谱数据
7、 使用 便携式地物光谱仪对研究区内的主要植物(茅草、盐肤木)叶片进行光谱采集测量波段范围 光谱分辨率优于 视场角为 实际测量时间为当天:测量植物叶片光谱前先将光谱仪预热并进行白板校正 测量时天空晴朗基本无云标准光纤探头距离植物叶片.左右垂直叶片测量采样范围约 每个采样点重复采样 次以其平均值为该采样点植物叶片的光谱反射率 另外在远离矿区的无重金属污染区域采集正常植被光谱数据作为背景值.野外采集植物叶片重金属化验数据重金属化验数据为 年 月 日采集的茅草叶片重金属含量数据 野外采集了研究区内典型修复区 号、号尾矿库及远离矿区的茅草叶片样本分别用自来水和去离子水冲洗干净沥干水后在 杀青 在 的电热
8、干燥箱中烘干至恒重 研磨后过 目尼龙筛网混匀后准确称取.样品用干灰化法盐酸溶解提取 其中 和 的含量采用火焰原子吸收分光光度法测定 和 的含量采用石墨炉法测定得到茅草叶片样本中各重金属含量化验数据(表)表 不同尾矿库茅草叶片的重金属含量.()采样点 号尾矿库.号尾矿库.背景值.高光谱遥感数据高光谱卫星遥感数据为 年 月 日和 年 月 日的 景 数据 本次研究采用的 数据为 级产品空间分辨率为 个波段光谱区间在 光谱分辨率优于 在进行信息提取之前需对 高光谱数据进行预处理主要包括辐射定标、条纹去除、几何纠正及大气校正 辐射定标采用 使用手册指定的定标系数将影像的 值转化自 然 资 源 遥 感 年
9、为绝对辐射亮度值 检查每个波段数据质量时发现第 波段条纹严重采用低通滤波方法去除条纹抑制噪声 将 景 数据与已校正的 数据进行配准保证几何纠正的精度在半个像元以内 利用 发布的 高光谱图像大气纠正算法()进行大气校正 经过预处理后 年的 数据如图()所示图中十字位置的大气校正后植被波谱曲线如图()所示()影像 ()植被波谱曲线 图 影像预处理后效果.研究方法依据前人相关研究选定红边位置作为表征植被光谱特征变异的参量利用红边位置变化分析矿区植被重金属含量进而反映矿区重金属污染修复的效果 首先利用矿区植被野外实测的光谱数据分析其光谱特征计算实测点红边位置分析红边位置与叶片重金属含量的关系佐证可以利
10、用红边位置反映矿山重金属污染修复效果 然后利用 景不同时相的 高光谱遥感数据计算研究区植被红边位置分析不同红边位置计算方法的适用性并确定表征正常情况的红边位置阈值 最后比较 景影像间红边位置变化依据重金属含量与红边位置变化关系分别推断 景影像中矿区重金属污染修复的效果 总体技术路线如图 所示 植被红边位置计算方法对结果有较大影响 目前红边位置的计算方法主要分为 类:一类是基于导数光谱如最大一阶导数法、拉格朗日法和线性外推法等另一类则基于曲线拟合如四点插值法、倒高斯模型法和多项式拟合法等 薛利红等认为最大一阶导数法与叶绿素含量的关系存在不连续性拉格朗日法和倒高斯模型法在一定程度上存在对高叶绿素含
11、量的饱和现象 张永贺等的研究表明五次多项式拟合法提取红边位置估算叶绿素含量的精度最高但是算法过于复杂四点内插法估算精度次之但计算简便 等研究利用拉格朗日法、四点插值法、多项式拟合和倒高斯模型 种方法从 影像中提取红谷位置和红边位置结果表明四点插值法是提取 影像中这 个参数的最佳方法 因此本文采用四点插值法选用中心波长值为.以及.的 个波段提取 数据中植被的红边位置图 总体技术路线.第 期王嘉芃等:德兴铜矿矿山重金属污染修复效果高光谱遥感评价 具体过程如下:首先利用归一化植被指数()剔除矿区的水体公式为:()/()()式中 和 分别为波长为 和 处的反射率值 然后利用绿光波段()反射率不小于红光
12、波段()反射率(即/)的原则剔除矿区陆地非植被像元 最后利用四点插值法计算剩余植被像元的红边位置 结果与分析.野外实测植被光谱数据特征分析图 中 号和 号尾矿库内茅草及盐肤木 种植物的地面光谱均出现不同程度的“蓝移”现象波谱变异特征明显:叶绿素强反射峰反射增强红谷吸收减弱 附近的反射率上升的斜率减小红边出现 的“蓝移”现象该特征在图 茅草的表现中尤为显著这是植物重金属含量过高的典型变异特征 利用四点插值法可知 号和 号尾矿库茅草的红边位置分别是 和 背景值的红边位置为 号尾矿库茅草红边位置蓝移 号尾矿库茅草红边位置蓝移 同理 号和 号尾矿库盐肤木的红边位置分别是 和 背景值的红边位置为 号尾矿
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