一种低浓度石油烃污染土壤近红外光谱诊断指标提取方法技术

本发明专利技术涉及石油烃污染土壤光谱特征提取领域，具体涉及一种低浓度石油烃污染土壤近红外光谱诊断指标提取方法。该方案包括采集待测土壤样品及其同类型类似理化性质的未受石油烃污染的参照土壤样品；利用高光谱仪采集待测土壤样品和参照土壤样品的光谱信息，须包含短波红外谱段，计算差值光谱；经快速傅立叶变换滤波后，截取石油烃特征谱带，并以首末端连接线为基线，进行基线扣除，绘制反射率光谱曲线并计算其积分面积，提取吸收谷位置及深度。该方案将光谱差减法引入土壤石油烃污染近红外反射光谱检测领域，通过石油烃光谱诊断指标构建，可解决低浓度石油烃污染土壤近红外检测时，因样品光谱响应能力差、易受土壤基体干扰等造成的错判漏判问题。等造成的错判漏判问题。等造成的错判漏判问题。

【技术实现步骤摘要】
一种低浓度石油烃污染土壤近红外光谱诊断指标提取方法


[0001]本专利技术涉及石油烃污染土壤近红外检测
，更具体地，涉及一种低浓度石油烃污染土壤近红外光谱诊断指标提取方法。

技术介绍

[0002]近年来，近红外(780
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2526nm)反射光谱技术正被越来越多地应用于土壤石油烃污染检测，且具有非接触、无损、无污染及快速等优势。石油烃是一种主要由C、H元素组成的复杂的多组分混合物。C
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H键振动在近红外谱段具有光谱吸收特征。已有研究表明，土壤中石油烃含量超过一定限值时，其反射光谱曲线在C
‑
H键振动基频的合频(2310nm附近)和第一倍频(1730nm附近)出现“凹型”吸收谷。基于这一特征已发展出了系列土壤石油烃检测方法。
[0003]然而，由于受石油烃污染土壤的反射光谱主要由基体成分主导，现有技术存在以下不足：(1)一般只有当土壤中石油烃含量较高(10000
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60000mg/kg以上，不同类型土壤检出限不同)时，反射光谱在2310nm、1730nm附近才会出现“吸收谷”现象；(2)土壤基体中硫酸盐、氢氧化铝、碳酸盐、亚氯酸盐等组分，在2310nm或1730nm附近也存在光谱吸收特征；(3)土壤基体组分及环境的差异性，会导致石油烃吸收谷位置漂移，即样品光谱吸收特征不稳定。上述不足均会造成利用现有检测方法的检出结果存在大量漏判、错判。

技术实现思路

[0004]鉴于上述问题，本专利技术提出了一种低浓度石油烃污染土壤近红外光谱诊断指标提取方法，将光谱差减法引入石油烃污染土壤近红外检测
，通过差值光谱计算、差值光谱预处理、石油烃特征谱带截取、ΔR
‑
λ光谱曲线绘制、特征参数计算、诊断指标筛选与提取等操作，有利于降低石油烃检出限值、减少基体中其他特定组分引起的误判，并避免吸收谷漂移造成的漏判问题，可大幅提高石油烃污染土壤近红外检测技术的适用性和鲁棒性。
[0005]根据本专利技术实施例第一方面，提供一种低浓度石油烃污染土壤近红外光谱诊断指标提取方法。
[0006]在一个或多个实施例中，优选地，所述一种低浓度石油烃污染土壤近红外光谱诊断指标提取方法包括：
[0007]采集待测土壤样品及其参照土壤样品的近红外(含短波红外)光谱，计算差值光谱；
[0008]对差值光谱进行快速傅里叶变换滤波，设置半峰宽的一半为滤波窗口；
[0009]根据待测土壤样品与参照土壤样品中特定组分的差异性，有针对性的选择并截取石油烃特征谱带；
[0010]对截取的石油烃特征谱带进行基线扣除，绘制反射率差值(ΔR)
‑
波长(λ)光谱曲线；
[0011]计算光谱曲线积分面积、吸收谷位置及其深度、面积等特征参数；
[0012]构建适用于目视判读与机器识别、宽严并济的低浓度石油烃污染土壤近红外光谱诊断指标体系，确定筛选原则。
[0013]在一个或多个实施例中，优选地，所述采集待测土壤样品及其参照土壤样品的近红外(含短波红外)光谱，计算差值光谱，具体包括：
[0014]采集确定待测土壤样品；
[0015]同步采集同地区理化性质相似的未受石油烃污染的土壤，作为参照土壤样品；
[0016]优选参照土壤样品时，应重点避免其与待测土壤样品中干草枯枝、塑料碎屑等含量的差异性；
[0017]利用高光谱仪采集待测土壤样品和参照土壤样品的光谱信息(须包含短波红外谱段)，前者为样品光谱，后者为参照光谱；
[0018]将样品光谱扣减参照光谱，获得差值光谱。
[0019]在一个或多个实施例中，优选地，所述对差值光谱进行快速傅里叶变换滤波，设置半峰宽的一半为滤波窗口，具体包括：
[0020]采用快速傅里叶变换滤波方法对差值光谱进行处理，同步实现消除高频噪声和波形变换；
[0021]设置石油烃特征峰半峰宽的一半作为滤波窗口，一般为5
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20nm。
[0022]在一个或多个实施例中，优选地，所述根据待测土壤样品与参照土壤样品中特定组分的差异性，有针对性的选择并截取石油烃特征谱带，具体包括：
[0023]当待测土壤样品与参照土壤样品中硫酸盐的组分含量差异明显时，优先选择并截取C
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H振动基频的合频区(一般在2290
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2370nm附近)，作为石油烃特征谱带；
[0024]当待测土壤样品与参照土壤样品中的氢氧化铝、碳酸盐、亚氯酸盐的组分含量差异明显时，优先选择并截取C
‑
H振动的第一倍频区(一般在1700
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1780nm附近)，作为石油烃特征谱带；
[0025]当待测土壤样品与参照土壤样品中的硫酸盐、氢氧化铝、碳酸盐、亚氯酸盐的组分含量无明显差异时，可选择并截取C
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H振动基频的合频区或第一倍频区，或同时截取C
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H振动基频的合频区和第一倍频区，作为石油烃特征谱带。
[0026]在一个或多个实施例中，优选地，所述对截取的石油烃特征谱带进行基线扣除，绘制反射率差值(ΔR)
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波长(λ)光谱曲线，具体包括：
[0027]以截取的石油烃特征谱带的首末端连接线作为基线，进行基线扣除；
[0028]以波长(λ)为横坐标、反射率差值(ΔR)为纵坐标，绘制ΔR
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λ光谱曲线图。
[0029]在一个或多个实施例中，优选地，所述计算光谱曲线积分面积、吸收谷位置及其深度、面积等特征参数，具体包括：
[0030]计算ΔR
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λ光谱曲线的积分面积，即其与基线间的围合面积；
[0031]通过高斯拟合，识别吸收谷位置并计算其深度、面积等参数。
[0032]在一个或多个实施例中，优选地，所述构建适用于目视判读与机器识别、宽严并济的低浓度石油烃污染土壤近红外光谱诊断指标体系，明确筛选原则，具体包括：
[0033]低等要求指标：目视上ΔR
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λ光谱曲线整体呈下凹形状，指标上表现为光谱曲线的积分面积为负值；
[0034]中等要求指标：目视上ΔR
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λ光谱曲线在2310nm(或1727nm)附近存在吸收谷，指标
上表现为高斯拟合的吸收谷位置满足前述特点，其中谷位偏移量宜设置为4nm；
[0035]高等要求指标：目视上ΔR
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λ光谱曲线呈不对称“W”型双吸收谷形状，在2310nm(或1727nm)和2348nm(或1763nm)附近均存在吸收谷，且前者深度或面积大于后者，指标上表现为高斯拟合的吸收谷位置及其深度或面积均满足前述特点，其中谷位偏移量仍宜设置为4nm。
[0036]低、中、高等要求指标选择，须根据检测目标、样品特征、光谱质量等情况综合确定；低等指标要求一般适用于土壤样品复杂、光谱检测条件未严格控制的场景，高等指标要求一般适用于土壤基体组分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低浓度石油烃污染土壤近红外光谱诊断指标提取方法，其特征在于，该方法包括：采集待测土壤样品及其参照土壤样品的近红外光谱，计算差值光谱，其中，所述近红外光谱包含短波红外；对所述差值光谱进行快速傅里叶变换滤波，设置半峰宽的一半为滤波窗口；根据待测土壤样品与参照土壤样品中特定组分的差异性，选择并截取石油烃特征谱带；对截取的石油烃特征谱带进行基线扣除，绘制反射率差值ΔR
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波长λ光谱曲线；计算光谱曲线的积分面积，并提取吸收谷位置、深度和面积；构建目视判读与机器识别共同适用的低浓度石油烃污染土壤近红外光谱诊断指标体系。2.如权利要求1所述的一种低浓度石油烃污染土壤近红外光谱诊断指标提取方法，其特征在于，所述采集待测土壤样品及其参照土壤样品的近红外光谱，计算差值光谱，其中，所述近红外光谱包含短波红外，具体包括：采集确定待测土壤样品；同步采集同地区理化性质相似的未受石油烃污染的土壤，作为参照土壤样品；选择参照土壤样品时避免其与待测土壤样品中干草枯枝、塑料碎屑含量的差异性；利用高光谱仪采集待测土壤样品和参照土壤样品的光谱信息，待测土壤样品为样品光谱，参照土壤样品为参照光谱，其中，所述近红外光谱包含短波红外；将样品光谱扣减参照光谱，获得差值光谱。3.如权利要求1所述的一种低浓度石油烃污染土壤近红外光谱诊断指标提取方法，其特征在于，所述对所述差值光谱进行快速傅里叶变换滤波，设置半峰宽的一半为滤波窗口，具体包括：采用快速傅里叶变换滤波方法对差值光谱进行处理，同步实现消除高频噪声和波形变换；设置石油烃特征峰半峰宽的一半作为滤波窗口。4.如权利要求1所述的一种低浓度石油烃污染土壤近红外光谱诊断指标提取方法，其特征在于，所述根据待测土壤样品与参照土壤样品中特定组分的差异性，选择并截取石油烃特征谱带，具体包括：当待测土壤样品与参照土壤样品中硫酸盐的组分含量差异明显时，优先选择并截取C
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H振动基频的合频区，作为石油烃特征谱带；当待测土壤样品与参照土壤样品中的氢氧化铝、碳酸盐、亚氯酸盐的组分含量差异明显时，优先选择并截取C
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H振动的第一倍频区，作为石油烃特征谱带；当待测土壤样品与参照土壤样品中的硫酸盐、氢氧化铝、碳酸盐、亚氯酸盐的组分含量无明显差异时，可选择并截取C
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H振动基频的合频区或第一倍频区，或同时截取C
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H振动基频的合频区和第一倍频区，作为石油烃特征谱带。5.如权利要求1所述的一种低浓度石油烃污染土壤近红外光谱诊断指标提取方法，其特征在于，所述对截取的石油烃特征谱带进行基线扣除，绘制反射率差值ΔR
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波长λ光谱曲线，具体包括：
以截取的石油烃特征谱带的首末端连接线作为基线，进行基线扣除；以波长λ为横坐标、反射率差值ΔR为纵坐标，绘制ΔR
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λ光谱曲线图。6.如权利要求1所述的一种低浓度石油烃污染土壤近红外光谱诊断指标提取方...

【专利技术属性】
技术研发人员：娄启佳，雷梅，熊文成，王玉，周睿，张雅琼，鞠铁男，张洋，万庆，
申请(专利权)人：生态环境部卫星环境应用中心京师天启北京科技有限公司中科山水北京科技信息有限公司，
类型：发明
国别省市：