[發明專利]基于高光譜遙感技術估算土壤重金屬含量的方法

在審

• 申請號: 202111309905.3
• 申請日: 2021-11-07
• 公開（公告）號: CN114018833A
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 李小梅;季建萬;沙晉明;吳龍濱;王金亮;包忠聰;沙昱
• 申請（專利權）人: 福建師范大學
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25;G01N21/31;G01N21/55;G06F17/18;G06K9/62
• 代理公司: 福州智理專利代理有限公司 35208
• 代理人: 王義星

1.一種基于高光譜遙感技術估算土壤重金屬含量的方法，其特征在于步驟如下：

1）獲取待監測區域的土壤樣品，在實驗室自然風干與研磨處理后，分別測定土壤樣品光譜反射率及土壤鉻、鈷、銅和砷四種重金屬元素含量；

2）對步驟1）獲得的土壤樣品光譜反射率及土壤鉻、鈷、銅和砷四種重金屬元素含量的原始光譜數據進行Savitzky－Golay平滑濾波和光譜重采樣后，利用不同的光譜變換方法，將反射率數據與重金屬元素數據進行相關性分析，獲得各重金屬元素建模波段；

3）利用不同的建模方法對步驟1）獲得的反射率數據與重金屬含量進行回歸方程擬合，構建出高光譜估算模型，并依據建模決定系數、驗證決定系數、均方根誤差和相對分析誤差四個評價指標對每種重金屬元素下的模型進行評價，得到每種重金屬元素最佳的估算模型，在此基礎上，對四種土壤重金屬元素最佳估算模型和最佳光譜變換方式進行概況分析。

2.根據權利要求1所述的基于高光譜遙感技術估算土壤重金屬含量的方法，其特征在于：所述步驟1）中獲取待監測區域的土壤樣品，在實驗室自然風干與研磨處理，分別測定土壤樣品光譜反射率及土壤鉻、鈷、銅和砷四種重金屬元素含量的詳細步驟包括：

A1）在ArcGIS10.3軟件中采用網格隨機抽樣法確定采樣點位置，并于室內結合待估算區域高分二號與北京一號高分辨率遙感影像、高程數據及土壤類型數據，采集土壤樣本點，土壤采集過程中，取樣質量為1kg，并且采集0-20cm的表層土壤，采集完成后立即用大號自封袋密封保存好，貼入樣本編號，并依據Trimble Juno SB手持GPS進行定位并記錄其坐標與土樣周圍地物類型的情況，之后放在實驗室室內進行自然風干，并在表面蓋上塑料防護罩，防止揚塵對土樣進行污染，風干完成后，剔除砂礫、石塊、植物根系及蚯蚓殘渣，用瑪瑙研缽研磨處理，將土壤樣本分成兩份，分別過100目篩和200目篩，進行后續的處理；

A2）土壤光譜數據采用美國Analytical Spectral Device公司生產的FieldSpec3光譜儀進行測量，首先，需要將儀器提前開啟進行預熱準備，時間為30分鐘；其次，準備好三腳架，將1000W的鹵光燈作為光源，并采用60度的光源照射角度與25度的視場角；最后，將過100目篩的土壤樣品放置于光譜反射率極低的外表包有黑色背景材料的盛樣皿中，且盛樣皿距離光譜探頭15cm，并利用40cm ×40cm的白板進行定標，獲取絕對反射率；準備工作結束后，依次測量每個土壤樣本的光譜，各土壤樣本獲取十條光譜曲線，以消除測量過程中的不穩定性，此外，每測5個土壤樣本，利用白板進行定標處理；測量結束后，利用ViewSpecPro光譜處理軟件查看各樣本光譜并剔除異常光譜曲線，并對各土壤樣本計算得到光譜反射率平均值，同時將其作為原始光譜反射率值；

A3）測定土壤重金屬含量，將過200目篩的土壤樣本裝入自封袋中，并依次準確稱取0.0400g樣品放置于PTFE內膽中，加入1.5ｍl氫氟酸、0.5ml硝酸后，將內膽密封，并放置于涂有PTFE涂層的防腐高效溶樣罐套內，于烘箱中150°C加熱12小時；冷卻后取出PTFE內膽，開蓋，加入0.25m高氯酸，于150°C電熱板上，蒸至近干之后，加入2ml高純水和1ml硝酸，再次密封，并將內膽置于防腐高效溶樣罐套內，于150°C烘箱中回溶12小時；冷卻后，取出PTFE內膽，將溶液轉移到40ml一次性痰杯中，用高純水稀釋至40ml后搖勻；之后，倒取10ml于一次性注射器中，并通過孔徑為0.45m的聚醚砜水系濾頭將其注射到10ml離心管中，再次搖勻并寫上標號后，采用X－SerieII電感耦合等離子體質譜儀測定釩、鉻、鈷、鎳、銅、鋅、砷、鎘和鉛共9種重金屬元素含量，其中每個樣本在測量時共測量兩次，選取平均值作為最終的測量結果；測量結束后，需要對其計算以得到最終的土壤重金屬含量結果，根據得到土壤重金屬含量，其中是土壤樣本重金屬含量值，是土壤樣本測量值，是空白檢驗樣本平均值，是定容重量，是土壤樣品稱取重量。