基于高光谱遥感技术估算土壤重金属含量的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于高光谱遥感技术估算土壤重金属含量的方法，实施步骤如下：1）获取待监测区域的土壤样品，在实验室自然风干与研磨处理后，分别测定土壤样品光谱反射率及土壤铬、钴、铜和砷四种重金属元素含量；2）对原始光谱数据进行Savitzky－Golay平滑滤波和光谱重采样后，利用不同的光谱变换方法，将反射率数据与重金属元素数据进行相关性分析，获得各重金属元素建模波段；3）利用不同的建模方法对反射率数据与重金属含量进行回归方程拟合，构建出高光谱估算模型，并依据建模决定系数、验证决定系数、均方根误差和相对分析误差四个评价指标对每种重金属元素下的模型进行评价，得到每种重金属元素最佳的估算模型。到每种重金属元素最佳的估算模型。到每种重金属元素最佳的估算模型。

【技术实现步骤摘要】
基于高光谱遥感技术估算土壤重金属含量的方法


[0001]本专利技术涉及高光谱遥感技术估算土壤重金属含量领域，具体涉及一种利用不同的建模方法对反射率数据与重金属含量进行回归方程拟合并构建出高光谱估算模型的研究方法。

技术介绍

[0002]土壤是由矿物质、有机质、水分、空气等多种物质组成的复杂的自然综合体，不仅是大自然给予人类的宝贵又有限的自然资源，同时也是人类生存环境的重要载体，因此土壤的健康对于地球上生物的生存具有重要的意义。然而，随着工业 的发展和农业生产的现代化，大量废弃污染物通过各种媒介进入到土壤环境，使 得土壤受到不同程度的污染，其中重金属是最为重要的污染物质之一。重金属是指密度或比重大于５.0g/cm
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的金属，比如汞、镉、铅、铬、砷、铜、钴等元素。重金属元素进入到土壤当中，难以被土壤中的生物降解，并且超过自然条件下含量的临界值即会在土壤中发生累积，其不仅会造成农作物减产，质量下降，并且会通过食物链对人体和动植物产生危害，土壤重金属污染已经成为中国最主要的土壤环境污染问题之一。
[0003]防治土壤重金属污染本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于高光谱遥感技术估算土壤重金属含量的方法，其特征在于步骤如下：1）获取待监测区域的土壤样品，在实验室自然风干与研磨处理后，分别测定土壤样品光谱反射率及土壤铬、钴、铜和砷四种重金属元素含量；2）对步骤1）获得的土壤样品光谱反射率及土壤铬、钴、铜和砷四种重金属元素含量的原始光谱数据进行Savitzky－Golay平滑滤波和光谱重采样后，利用不同的光谱变换方法，将反射率数据与重金属元素数据进行相关性分析，获得各重金属元素建模波段；3）利用不同的建模方法对步骤1）获得的反射率数据与重金属含量进行回归方程拟合，构建出高光谱估算模型，并依据建模决定系数、验证决定系数、均方根误差和相对分析误差四个评价指标对每种重金属元素下的模型进行评价，得到每种重金属元素最佳的估算模型，在此基础上，对四种土壤重金属元素最佳估算模型和最佳光谱变换方式进行概况分析。2.根据权利要求1所述的基于高光谱遥感技术估算土壤重金属含量的方法，其特征在于：所述步骤1）中获取待监测区域的土壤样品，在实验室自然风干与研磨处理，分别测定土壤样品光谱反射率及土壤铬、钴、铜和砷四种重金属元素含量的详细步骤包括：A1）在ArcGIS10.3软件中采用网格随机抽样法确定采样点位置，并于室内结合待估算区域高分二号与北京一号高分辨率遥感影像、高程数据及土壤类型数据，采集土壤样本点，土壤采集过程中，取样质量为1kg，并且采集0
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20cm的表层土壤，采集完成后立即用大号自封袋密封保存好，贴入样本编号，并依据Trimble Juno SB手持GPS进行定位并记录其坐标与土样周围地物类型的情况，之后放在实验室室内进行自然风干，并在表面盖上塑料防护罩，防止扬尘对土样进行污染，风干完成后，剔除砂砾、石块、植物根系及蚯蚓残渣，用玛瑙研钵研磨处理，将土壤样本分成两份，分别过100目筛和200目筛，进行后续的处理；A2）土壤光谱数据采用美国Analytical Spectral Device公司生产的FieldSpec3光谱仪进行测量，首先，需要将仪器提前开启进行预热准备，时间为30分钟；其次，准备好三脚架，将1000W的卤光灯作为光源，并采用60度的光源照射角度与25度的视场角；最后，将过100目筛的土壤样品放置于光谱反射率极低的外表包有黑色背景材料的盛样皿中，且盛样皿距离光谱探头15cm，并利用40cm
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40cm的白板进行定标，获取绝对反射率；准备工作结束后，依次测量每个土壤样本的光谱，各土壤样本获取十条光谱曲线，以消除测量过程中的不稳定性，此外，每测5个土壤样本，利用白板进行定标处理；测量结束后，利用ViewSpec Pro光谱处理软件查看各样本光谱并剔除异常光谱曲线，并对各土壤样本计算得到光谱反射率平均值，同时将其作为原始光谱反射率值；A3）测定土壤重金属含量，将过200目筛的土壤样本装入自封袋中，并依次准确称取0.0400g样品放置于PTFE内胆中，加入1.5ｍl氢氟酸、0.5ml硝酸后，将内胆密封，并放置于涂有PTFE涂层的防腐高效溶样罐套内，于烘箱中150
°
C加热12小时；冷却后取出PTFE内胆，开盖，加入0.25m高氯酸，于150
°
C电热板上，蒸至近干之后，加入2ml高纯水和1ml硝酸，再次密封，并将内胆置于防腐高效溶样罐套内，于150
°
C烘箱中回溶12小时；冷却后，取出PTFE内胆，将溶液转移到40ml一次性痰杯中，用高纯水稀释至40ml后摇匀；之后，倒取10ml于一次性注射器中，并通过孔径为0.45m的聚醚砜水系滤头将其注射到10ml离心管中，再次摇匀并写上标号后，采用X－SerieII电感耦合等离子体质谱仪测定钒、铬、钴、镍、铜、锌、砷、镉和铅共9种重金属元素含量，其中每个样本在测量时共测量两次，选取平均值作为最终的测量结果；测量结束后，需要对其计算以得到最终的土壤重金属含量结果，根据
得到土壤重金属含量，其中是土壤样本重金属含量值，是土壤样本测量值，是空白检验样本平均值，是定容重量，是土壤样品称取重量。3.根据权利要求1所述的基于高光谱遥感技术估算土壤重金属含量的方法，其特征在于：所述步骤2）中对原始光谱数据进行Savitzky－Golay平滑滤波和光谱重采样后，利用不同的光谱变换方法，将反射率数据与重金属元素数据进行相关性分析，获得各重金属元素建模波段的详细步骤包括：B1）使用Savitzky－Golay平滑滤波方法处理光谱数据，Savitzky－Golay平滑滤波方法是由第一作者Savitzky于1964年提出的一种滤波方法，该方法是一种在时域内基于多项式，通过移动窗口，利用最小二乘法进行最佳拟合的方法；这是一种直接处理来自时间域内数据平滑问题的方法，与先在频域内定义特性再转到时间域的滤波器不同，计算机在滤波过程中仅是充当一个平滑噪音起伏的滤波器并尽量保证原始数据不失真；因此，相对于其他类似的平均方法而言，Savitzky－Golay滤波法能够保留相对极大值、极小值和宽度等分布特征；B2）进行光谱重采样，由于FieldSpec3光谱仪在输出光谱结果时，是以1nm为间隔进行重采样，去除首尾噪音波段，共有2001个波段，这使得土壤光谱曲线相邻波段之间信息总存在重合，使得最终整个光谱数据存在冗余；因此，为了消除冗余，采用10nm为间隔进行光谱重采样，即每10个波段进行算术平均，并以第一个波段值作为计算后的波段值，如对400
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409nm进行算术平均，计算结果为新的400nm波段的光谱值；通过光谱重采样处理，不仅能够降低冗余，所得曲线更加平滑，而且维持了SG滤波后初始光谱之间的特征；B3）进行多元散射校正，多元散射校正是一种多变量散射校正技术，其能有效地消除样品间散射影响所导致的基线平移和偏移现象从而提高光谱的信噪比；原理是通过数学方法将光谱中的组分吸收信息与光谱散射信息进行分离，通过校正光谱的散射从而得到较为理想的光谱曲线；具体计算过程如下，首先建立一个待测样品的“理...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小梅，季建万，沙晋明，吴龙滨，王金亮，包忠聪，沙昱，
申请(专利权)人：福建师范大学，
类型：发明
国别省市：