[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

本發明公開了一種基于高光譜遙感技術估算土壤重金屬含量的方法，實施步驟如下：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。

技術領域

本發明涉及高光譜遙感技術估算土壤重金屬含量領域，具體涉及一種利用不同的建模方法對反射率數據與重金屬含量進行回歸方程擬合并構建出高光譜估算模型的研究方法。

背景技術

土壤是由礦物質、有機質、水分、空氣等多種物質組成的復雜的自然綜合體，不僅是大自然給予人類的寶貴又有限的自然資源，同時也是人類生存環境的重要載體，因此土壤的健康對于地球上生物的生存具有重要的意義。然而，隨著工業 的發展和農業生產的現代化，大量廢棄污染物通過各種媒介進入到土壤環境，使 得土壤受到不同程度的污染，其中重金屬是最為重要的污染物質之一。重金屬是指密度或比重大于５.0g/cm^３的金屬，比如汞、鎘、鉛、鉻、砷、銅、鈷等元素。重金屬元素進入到土壤當中，難以被土壤中的生物降解，并且超過自然條件下含量的臨界值即會在土壤中發生累積，其不僅會造成農作物減產，質量下降，并且會通過食物鏈對人體和動植物產生危害，土壤重金屬污染已經成為中國最主要的土壤環境污染問題之一。

防治土壤重金屬污染的核心問題在于如何快速準確地獲取重金屬含量的多少及其空間分布信息，傳統的土壤重金屬監測方法主要以野外采樣和室內化學分析為主，其具有測量精度高、準確性強等優點，但是同時也費時費力，并且難以對大范圍區域進行連續監測。高光譜遙感是指在可見光與紅外波段范圍內，獲得很多窄的且光譜連續的數據的技術，利用該技術可以獲取地物精細的光譜信息，且具有非破壞性、非接觸元素、大范圍快速監測等傳統方法無可比擬的優點，因此高光譜遙感技術自從誕生以來便得到了十分廣泛的應用，尤其是近幾年運用高光譜技術監測土壤重金屬含量，其原理是因為土壤成分的不同，反映在在光譜曲線上也會存在差異，而高光譜技術能夠對土壤在不同光譜波段上進行連續的測量，且光譜分辨率高，能夠探測到土壤成分間的細微信息。

在土壤重金屬元素模型估算過程中，土壤光譜曲線不可避免地存在測量誤差，從而對模型精度產生影響，且原始光譜數據所包含的信息量有限，因此為了充分挖掘出光譜信息，國內外學者們運用了多種光譜變換方法以期提高土壤重金屬元素的反演結果，目前常用的光譜變換方法主要以下幾類：①光譜重采樣：由于原始光譜數據光譜分辨率高，建模時為了消除數據冗余，需要對光譜進行重采樣處理。此外，因為土壤重金屬元素其光譜敏感段比較狹長，因此不需要極高的光譜分辨率；②微分變換：微分變換是光譜變換中常用的方法之一，經過微分變換能夠增強原始光譜中變化劇烈波段的光譜信息，而這些變化劇烈的波段極有可能是土壤重金屬元素的敏感波段，因此在實際研究中被眾多學者們采納，但同時也需注意并非所有土壤重金屬元素經過微分變換后能夠取得較好的結果；③倒數與對數及均方根變換：前人研究表明土壤原始光譜經過對數、倒數或者均方根變換后 能夠降低噪音引起的光譜誤差，并且能夠增強光譜之間的差異，從而能夠在一定程度上提高建模的精度；④多元散射校正與連續統去除：多元散射校正和連續統去除能夠降低土壤原始光譜中背景信息所造成的影響，增強土壤光譜中的吸收特征和反射特征；⑤光譜平滑濾波：由于原始光譜在測量時必定存在一定的誤差，使得最終的原始光譜曲線存在許多“毛刺”噪聲，因此對原始光譜數據進行濾波處理能夠顯著降低這些噪聲的信息，目前最常使用的濾波方法是Savitzky-Golay濾波方法，雖然這些方法能夠在一定程度上提高土壤重金屬元素反演結果，但是在前人研究中可以發現對于不同的研究區不同的土壤重金屬元素，光譜變換方法并沒有普適性；因此在實際操作過程中需要分析不同光譜變換方法與土壤重金屬元素之間的關系，以期能夠選擇出區域最合適的光譜變換方法。