[發(fā)明專利]一種土壤鎘元素含量的高光譜遙感定量反演方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202210024419.5
• 申請(qǐng)日: 2022-01-11
• 公開（公告）號(hào): CN114357891A
• 公開（公告）日: 2022-04-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 黃照強(qiáng);王明威;倪斌;張亞龍;朱富曉;江淼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)冶金地質(zhì)總局礦產(chǎn)資源研究院
• 主分類號(hào): G06F30/27
• 分類號(hào): G06F30/27;G06N3/00;G06N3/04;G06N3/08;G01N27/626;G06F111/06
• 代理公司: 北京八月瓜知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11543
• 代理人: 張志良

本發(fā)明涉及一種反射光譜在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是涉及一種土壤鎘元素含量的高光譜遙感定量反演方法。通過(guò)采集研究區(qū)土壤樣品并測(cè)定鎘元素含量，并獲取其反射光譜，采用一階微分進(jìn)行光譜變換，使用影像光譜的波長(zhǎng)范圍，通過(guò)隨機(jī)變異和Kennard?Stone算法挑選訓(xùn)練和測(cè)試樣本，使用灰狼優(yōu)化算法優(yōu)獲取最優(yōu)波段組合，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立鎘元素含量定量反演模型并基于化學(xué)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)CASI/SASI航空高光譜遙感影像，對(duì)研究區(qū)土壤鎘元素含量進(jìn)行定量反演。本發(fā)明將地面與影像光譜有機(jī)融合，快捷、無(wú)損獲取大范圍研究區(qū)土壤鎘元素含量，具有較高的預(yù)測(cè)精度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種反射光譜在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是涉及一種土壤鎘元素含量的高光譜遙感定量反演方法。

背景技術(shù)

2019年，鎘及鎘化合物被列入有毒有害水污染物。環(huán)境中的鎘元素主要來(lái)源于地殼和工業(yè)污染，植物食品由于其對(duì)鎘元素的吸收性，極易吸收來(lái)自冶金、冶煉、陶瓷、電鍍工業(yè)及化學(xué)工業(yè)等排除的“三廢”。研究表示，鎘元素通過(guò)廢水、廢棄物排入環(huán)境，含鎘工業(yè)廢棄擴(kuò)散并自然沉降，蓄積于工廠周圍的土壤中，鉛鋅礦的選礦廢水和有關(guān)工業(yè)廢水排入地面水或滲入地下水，再通過(guò)灌溉、種植等途徑污染農(nóng)作物。隨著綠色工業(yè)革命理念的提出，鎘元素?cái)U(kuò)散到環(huán)境造成污染環(huán)境這一問(wèn)題成為亟需解決的問(wèn)題之一。此外，國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)已將鎘歸類為人類致癌物，也將對(duì)人類造成嚴(yán)重的健康損害。研究表明，在過(guò)去30年中，環(huán)境中鎘元素來(lái)源、水平和分布的相關(guān)研究數(shù)量不斷增長(zhǎng)。因此，如何定量分析研究區(qū)土壤鎘元素含量對(duì)相關(guān)技術(shù)方法的進(jìn)一步研究有著重要意義，同時(shí)也可以為研究鎘元素的分布提供技術(shù)支撐。

傳統(tǒng)土壤鎘污染監(jiān)測(cè)主要采用野外定點(diǎn)采樣、室內(nèi)化學(xué)分析等準(zhǔn)確性強(qiáng)、測(cè)量精度高的人工手段，但這類方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且對(duì)環(huán)境具有一定的破壞性，通過(guò)對(duì)部分采樣點(diǎn)和剖面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，難以獲取大面積、空間上連續(xù)的污染分布信息。地面光譜儀可實(shí)地采集土壤鎘元素光譜特征，但作業(yè)面積相對(duì)有限。高光譜遙感因其光譜分辨率高、波段多且連續(xù)等特點(diǎn)，可以獲取精細(xì)的地物光譜信息，為鎘元素監(jiān)測(cè)提供了新的途徑。近年來(lái)，微量元素半定量-定量反演及區(qū)域性含量分布反演評(píng)價(jià)已展現(xiàn)出良好的應(yīng)用價(jià)值。隨著國(guó)內(nèi)外一系列高光譜遙感衛(wèi)星的發(fā)射，涌現(xiàn)了一系列土壤鎘元素含量定量反演方法。然而，衛(wèi)星影像光譜信息易出現(xiàn)失真，信息提取的精度相對(duì)較低，難以直接與實(shí)際土壤鎘元素含量的特征分布相匹配。此外，較高的光譜分辨率使得影像包含了一定的冗余信息，有必要對(duì)樣本進(jìn)行降維，在去除冗余特征的同時(shí)進(jìn)一步提升反演精度。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外鎘元素含量與光譜反射率之間的關(guān)系研究尚處于起步階段，尤其是大范圍研究區(qū)土壤鎘元素及其反射光譜相關(guān)研究仍在探尋之中。鑒于土壤鎘元素對(duì)環(huán)境污染防治及其本身生產(chǎn)價(jià)值等重要戰(zhàn)略性地位，目前土壤鎘元素地球化學(xué)分析手段及探測(cè)設(shè)備存在精度、成本的局限性，難以對(duì)大范圍研究區(qū)鎘元素分布狀況進(jìn)行分析。非常有必要研究出一種快捷、無(wú)損獲取大范圍研究區(qū)土壤鎘元素含量的高光譜遙感定量反演方法。

鑒于此，特提出本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種土壤鎘元素含量的高光譜遙感定量反演方法，將地面與影像光譜有機(jī)融合，是一種快捷、無(wú)損獲取大范圍研究區(qū)土壤鎘元素含量的高光譜遙感定量反演方法，具有較高的預(yù)測(cè)精度。

一種土壤鎘元素含量的高光譜遙感定量反演方法，包括以下步驟：

（1）采集研究區(qū)土壤樣品；

（2）采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀測(cè)試樣品的土壤鎘元素含量；

（3）使用地物光譜儀獲取樣品反射光譜；

（4）對(duì)反射光譜進(jìn)行平滑處理，使用一階微分技術(shù)進(jìn)行光譜變換控制基線效應(yīng)；

（5）使用影像光譜的波長(zhǎng)范圍，通過(guò)隨機(jī)變異和Kennard-Stone算法挑選訓(xùn)練和測(cè)試樣本；

（6）采用灰狼優(yōu)化算法進(jìn)行波段選擇獲取最優(yōu)波長(zhǎng)組合，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建土壤鎘元素定量反演模型；

（7）運(yùn)于CASI/SASI航空高光譜遙感影像，對(duì)研究區(qū)土壤鎘元素含量進(jìn)行定量反演。