高光谱遥感技术在多元环境中检测微塑料污染的创新方法及其环境应用

本研究针对微塑料(MP)污染监测难题，创新性地采用近红外(NIR)和短波红外(SWIR)高光谱遥感技术，通过构建228种基质-塑料-浓度组合的光谱库，开发基于主成分分析(PCA)的波段方程，成功在休斯顿垃圾填埋场实现聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)等塑料的精准识别。该研究为陆地微塑料污染的大尺度监测提供了可扩展的技术方案，对环境污染治理具有重要实践意义。

　　

微塑料污染已成为全球性环境危机，其在土壤中的累积浓度可达海洋环境的20倍，严重威胁生态系统和人类健康。传统检测方法依赖现场光谱仪采样，难以实现大范围监测；而现有遥感技术对亚像元级微塑料识别存在局限。针对这一挑战，Zachary Holt等研究者创新性地将实验室光谱分析与航空高光谱成像相结合，在《Environmental Pollution》发表了突破性研究成果。

研究团队采用ASD FSP 350-2500P光谱仪分析了6种塑料（PE、PET、PLA、PP、PVC、SBR）与土壤、混凝土等基质的228种组合的8240条光谱数据，通过PCA算法开发多波段检测方程，并利用AVIRIS-NG航空影像（5.1m分辨率）在休斯顿垃圾填埋场进行验证。关键技术包括：连续统去除预处理增强特征、基于加载向量角度的关键波长筛选、加权斜率组合算法构建塑料指数，以及QUAC大气校正等遥感处理流程。

【3.1 基质与微塑料表征】
通过粒径分析和矿物学检测，证实制备的微塑料粒径主要分布在100-400μm。纯塑料光谱在1200、1700和2300nm处呈现特征吸收峰，与C-H键振动相关，但PVC因C-Cl键的NIR不敏感性而信号较弱。

【3.2 混合光谱特征】
研究发现0.15%低浓度塑料在土壤中即可产生可检测光谱变化，而植被基质因粉末包埋效应导致15%以下浓度难以识别。光谱角分析显示，5%浓度是多数基质中可靠检测的临界值。

【3.3 波段方程开发】
PP指数展现出最强普适性，可交叉检测PE、PET等多种塑料，在0.15%水样中仍保持高灵敏度；而PLA和PVC指数因依赖特定指纹区而适用性有限。

【3.4 塑料污染制图】
AVIRIS-NG影像验证显示，PE/PP/PET指数成功识别出太阳能板（EVA材料）、塑料屋顶（TPO）和土工膜（HDPE）等宏观塑料，并发现垃圾填埋场内部微塑料热点区域。对比实验表明，传统NDPI和RBD指数存在误判风险，而本研究的多特征加权算法显著提升检测可靠性。

该研究构建了首个涵盖多元环境基质的塑料光谱数据库，证实高光谱遥感可突破"像素大小限制"实现亚像元级微塑料检测。特别值得注意的是，PP指数作为广谱指示剂的应用价值，以及土壤基质中0.5%浓度检测限的突破，为陆地塑料污染监测提供了革命性工具。尽管在水体和植被环境检测中存在局限，但研究成果为制定靶向修复策略提供了关键技术支撑，推动环境监测从"点状采样"向"面状扫描"的范式转变。