重金屬在植物組織中累積，一方面妨礙作物生長，另一方面通過食物鏈進入人體，危害人類健康。在糧食作物中，從多種複雜的重金屬汙染中及早診斷出具體的汙染類別，可以及時發現和制止汙染行為。針對具體汙染採取有效措施，可以為農田的汙染治理現代化提供輔助決策，保證糧食安全。
高光譜遙感可以高效快速地獲取大面積實時影像，為重金屬汙染診斷提供了可能性。是否可能以及如何從高光譜影像上有效地診斷出具體的汙染類別，實現大面積監測，近年來成為研究熱點。
目 的
針對鎘和鉛2種重金屬脅迫，從高光譜影像數據入手，探究了植被高光譜數據在診斷水稻葉片重金屬汙染方面的可行性，旨在為從植被葉片高光譜數據診斷重金屬汙染提供理論依據。
方 法
試驗研究對象是在我國對水稻汙染最嚴重的2種重金屬鎘（Cd）和鉛（Pb），對其各設立3個梯度，具體脅迫濃度見表1。
將2種重金屬脅迫的任意濃度進行交叉組合，加上空白對照組，共16組樣本（表2）。
數據採集儀器使用德國Cubert公司生產的UHD185，它的採集光譜為450~950nm，採樣間隔4nm，光譜解析度為8nm，通道數為125。
在水稻的分櫱期到抽穗期，選擇無雲或者少雲的晴朗天氣，10：00—14：00進行光譜採集。共進行8次數據採集，採集設備和場地見圖1，從8次數據採集中選擇6次質量較好的數據作為後續研究的最終數據。數據採集過程貫穿水稻的分櫱期和抽穗期。
圖1 儀器和試驗現場
經過雙因素方差分析篩選出特徵波段，比較支持向量機（SVM）和BP神經網絡在診斷能力上的強弱。
結 果
當僅考慮水稻有無受到其中1種重金屬脅迫時，SVM診斷結果顯示，在對光譜二階微分預處理下，對Cd和Pb脅迫的診斷效果最好，分別達86%和85%；BP神經網絡診斷結果顯示，在對光譜一階微分預處理情況下對Cd的診斷效果最好，達87%，平滑和一階微分組合處理情況下，對Pb脅迫診斷效果最好，達91%。
當綜合考慮特徵波段個數和整體診斷精度2個因素時，二階微分預處理的情況下，Cd脅迫診斷效果最好，共挑選出6個特徵波段，第一、二、三梯度的Cd脅迫的診斷精度分別為75%、90%、96%（圖2）；不區分梯度，僅診斷Cd脅迫的有無時，診斷精度達86%，4個診斷參數整體精度都超過了83%，診斷效果較好；與Cd不同，Pb脅迫診斷最好的情況是二階微分預處理，該預處理情況下挑出對Pb脅迫敏感的10個特徵波段，受Pb脅迫的診斷精度達85%，3個梯度的診斷效果分別為83%、85%、88%。具體診斷精度參照表3。
圖2 基於SVM二階微分處理無、低、中、高Cd脅迫診斷結果
整體診斷水平上，SVM的診斷效果要優於BP神經網絡，以二階微分處理診斷Cd脅迫為例，BP神經網絡對Cd脅迫的診斷精度為88%，對第一、二、三梯度脅迫的診斷精度分別為69%、75%、75%（圖3），而同等處理情況下SVM診斷精度分別達86%、75%、90%和96%，整體診斷效果明顯優於BP神經網絡。
圖3 基於BP神經網絡二階微分處理無、低、中、高Cd脅迫診斷結果
單一的均值歸一化和標準化處理，沒有篩選出可以區分Cd和Pb脅迫的特徵波段，說明單一的均值歸一化和標準化處理不能很好地提取不同脅迫的光譜信息，達不到有效診斷的效果。平滑處理以及平滑和微分的組合處理很難在診斷Cd和Pb 2種重金屬脅迫上達到很好的平衡，一種脅迫診斷效果很好時，往往另一種脅迫的診斷效果不是非常理想。當其他預處理與微分處理組合時，可以很好地提取特徵波段，說明微分處理可以很好地提取不同脅迫的光譜信息，有效地表徵光譜差異。
當使用BP神經網絡對1種重金屬脅迫1次訓練進行多級脅迫診斷時，不同處理或者處理組合的情況下，僅Cd的診斷效果超過了60%，分別是標準化和一階微分組合處理下的65.63%、二階微分處理下的69%以及平滑和一階微分組合處理下的63%，Pb僅在二階微分處理下達到了59%。如表4為二階微分處理下對Cd各梯度脅迫多級診斷的結果，表5詳細給出了各處理情況下的診斷精度。
當進行各個梯度的重金屬脅迫診斷時，基於SVM的診斷效果顯示，重金屬脅迫越嚴重，試驗數據的診斷精度越高，這可能是因為隨著脅迫程度的提高，重金屬在葉片中富集越嚴重，進而葉片的生理狀態變化越明顯。這種生理狀態的變化通過葉片的光譜信息反映出來。但是基於BP神經網絡的結果恰恰相反，這可能和BP神經網絡自身的局限性有關。
結 論
試驗得出以下結論：
①利用植被高光譜數據診斷土壤中的重金屬Cd和Pb脅迫是可行的。
②二階微分處理挑選出來的特徵波段數量合適、診斷效果好。
③以SVM為模型診斷精度整體優於BP神經網絡。
④該研究中，光譜數據的採集高度應固定在1.5 m。若要實際應用，必須增大數據採集的尺度，提高效率。
後續研究可以藉助無人機，以實際大田數據為基礎，採集多個尺度下的光譜數據，驗證植被高光譜數據在各個尺度上診斷重金屬汙染的精度變化。另一方面，該研究僅探究了水稻葉片對重金屬Cd和Pb脅迫的光譜響應，而在實際中，Cu、Zn、Ni等都會影響水稻的生長狀態和葉片的反射特徵。後續研究也可以嘗試設置多種重金屬的交叉汙染，進一步驗證葉片高光譜數據在葉片存在其他重金屬脅迫的噪音下，診斷Cd和Pb重金屬汙染的能力。