[發(fā)明專利]一種礦區(qū)復墾場地有毒有害元素室內(nèi)光譜分層測量方法

在審

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• 申請日: 2014-12-30
• 公開（公告）號: CN104596943A
• 公開（公告）日: 2015-05-06
• 發(fā)明（設計）人: 董霽紅;許吉仁;卞正富;程偉;于敏
• 申請（專利權(quán)）人: 中國礦業(yè)大學
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25
• 代理公司: 徐州市淮海專利事務所 32205
• 代理人: 華德明

技術領域

本發(fā)明屬于光學技術與資源環(huán)境領域，具體涉及一種利用室內(nèi)高光譜數(shù)據(jù)、化學計量學與計算機統(tǒng)計方法對礦區(qū)復墾場地有毒有害元素含量作快速分層測定的方法。

背景技術

由于礦區(qū)復墾場地充填物料來源廣泛，大多數(shù)是由煤矸石、粉煤灰、生活垃圾構(gòu)成。因此，在進行礦區(qū)充填復墾時，充填物料會將大量污染物帶入場地，進而通過食物鏈危害人體安全。礦區(qū)復墾土壤是人工土壤，土壤剖面的構(gòu)成包括表土、心土、底土和充填物料層等，與正常土壤剖面的構(gòu)成不同。正常土壤在表土以下的有毒有害元素含量相對較小，而礦區(qū)復墾土壤由于其組成的特殊性（由前述充填物料構(gòu)成），表土以下的填充層（20~60cm）的有毒有害元素有可能較高，從而構(gòu)成潛在的生態(tài)風險。

傳統(tǒng)的污染土壤的有毒有害元素監(jiān)測方法一般以物理、化學和生物的方法為主。化學分析方法和物理分析方法雖然可以獲得監(jiān)測對象瞬時的污染信息，但需要破壞性的取樣，且監(jiān)測范圍有限、耗資較多，費時費力；生物監(jiān)測方法可以監(jiān)測污染對象的長期生態(tài)效應，但由于其自身特性，需要調(diào)查的結(jié)果必須具有較高的精度和準確度，這一要求在常規(guī)的實驗操作中很難達到且不具有大面積推廣特性。現(xiàn)有的利用野外實測土壤光譜數(shù)據(jù)進行土壤有毒有害元素估測的辦法由于受野外光照、溫度、濕度等干擾，精度往往較低，并且利用野外便攜式光譜儀進行土壤高光譜數(shù)據(jù)采集范圍也僅限于表土（20cm以內(nèi)），很難針對土壤不同分層的有毒有害元素進行測算。然而，有毒有害元素在土壤中能夠進行垂向和橫向遷移，加之我國礦區(qū)復墾土壤大部分都用于糧食種植。因此，以往的通過采集野外光譜數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)反演從而估算土壤有毒有害元素的方法難以適用于礦區(qū)復墾土壤中有毒有害元素的監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種礦區(qū)復墾土壤有毒有害元素室內(nèi)光譜分層測量方法，該方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)礦區(qū)復墾土壤的大面積快速測樣，而且由于其分層檢測特性，可以對不同深度的礦區(qū)復墾土壤有毒有害元素進行室內(nèi)快速測算，從而達到動態(tài)、快速、大尺度、分層測算土壤有毒有害元素的效果，為糧食生態(tài)安全評估提供有效數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：一種礦區(qū)復墾場地土壤有毒有害元素室內(nèi)光譜分層測量方法，包括以下步驟：

????（1）礦區(qū)復墾場地土壤建模樣品采集：復墾場地土壤建模樣品可以根據(jù)其復墾工藝、充填材料的不同劃分為多個土層，例如針對采煤塌陷地煤礦區(qū)充填復墾場地可以劃分為0~20cm、20~40cm、40~60cm、60~80cm、≥80cm五個土層；依據(jù)混合土樣和特殊土樣的采集原則，分層取樣，確定建模樣品的采樣單元、樣點數(shù)和采樣剖面，采用四分法取土，經(jīng)風干、研磨、過篩后分層裝樣；

（2）建模高光譜數(shù)據(jù)采集：設置高光譜儀的波長范圍，于暗室中利用高光譜儀分層采集土壤高光譜數(shù)據(jù)；

（3）建模樣品光譜數(shù)據(jù)預處理：對采集的原始光譜數(shù)據(jù)進行背景去除、去噪聲、斷點修正、平滑處理、標準正態(tài)變量變換、光譜微分技術以及連續(xù)統(tǒng)去除處理；

（4）建模樣品有毒有害元素參考值測定：按照標準分析方法分層測定建模土壤樣品中有毒有害元素含量；

（5）有毒有害元素脅迫敏感光譜波段選擇：將測定的建模樣品有毒有害元素參考值與進行預處理和特征變化后的高光譜數(shù)據(jù)進行相關性分析，選取相關性最大的礦區(qū)復墾場地土壤有毒有害元素脅迫敏感波段；

（6）模型的建立：對于提取的特征參數(shù)，為了避免特征參數(shù)自身的相關性，采用主成分分析方法篩選出最優(yōu)光譜特征參數(shù)；

（7）模型穩(wěn)定性和預測能力評價：通過決定系數(shù)R²和皮爾遜相關系數(shù)p分別評價模型的穩(wěn)定性以及模型的預測能力，根據(jù)實際生產(chǎn)中的誤差要求，對模型進行校正；

（8）模型應用：按照步驟（2）和（3）采集高光譜數(shù)據(jù)并進行預處理，用經(jīng)驗證的校正模型對礦區(qū)復墾場地土壤有毒有害元素進行定量分層檢測。

優(yōu)選的，所述步驟（2）中波長范圍為350~2500nm。

優(yōu)選的，所述步驟（5）中相關性分析采用單波段統(tǒng)計分析或多元統(tǒng)計分析。所述的單波段統(tǒng)計分析為原始光譜單波段分析、連續(xù)統(tǒng)去除后單波段分析和標準正態(tài)變量變換后單波段分析中的一種。所述的多元統(tǒng)計分析為多元線性回歸、偏最小二乘回歸、最小二乘-支持向量機回歸及人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法中的一種或幾種。

本發(fā)明的工作原理：