[发明专利]一种矿区复垦场地有毒有害元素室内光谱分层测量方法

说明书

技术领域

本发明属于光学技术与资源环境领域，具体涉及一种利用室内高光谱数据、化学计量学与计算机统计方法对矿区复垦场地有毒有害元素含量作快速分层测定的方法。

背景技术

由于矿区复垦场地充填物料来源广泛，大多数是由煤矸石、粉煤灰、生活垃圾构成。因此，在进行矿区充填复垦时，充填物料会将大量污染物带入场地，进而通过食物链危害人体安全。矿区复垦土壤是人工土壤，土壤剖面的构成包括表土、心土、底土和充填物料层等，与正常土壤剖面的构成不同。正常土壤在表土以下的有毒有害元素含量相对较小，而矿区复垦土壤由于其组成的特殊性（由前述充填物料构成），表土以下的填充层（20~60cm）的有毒有害元素有可能较高，从而构成潜在的生态风险。

传统的污染土壤的有毒有害元素监测方法一般以物理、化学和生物的方法为主。化学分析方法和物理分析方法虽然可以获得监测对象瞬时的污染信息，但需要破坏性的取样，且监测范围有限、耗资较多，费时费力；生物监测方法可以监测污染对象的长期生态效应，但由于其自身特性，需要调查的结果必须具有较高的精度和准确度，这一要求在常规的实验操作中很难达到且不具有大面积推广特性。现有的利用野外实测土壤光谱数据进行土壤有毒有害元素估测的办法由于受野外光照、温度、湿度等干扰，精度往往较低，并且利用野外便携式光谱仪进行土壤高光谱数据采集范围也仅限于表土（20cm以内），很难针对土壤不同分层的有毒有害元素进行测算。然而，有毒有害元素在土壤中能够进行垂向和横向迁移，加之我国矿区复垦土壤大部分都用于粮食种植。因此，以往的通过采集野外光谱数据后进行数据反演从而估算土壤有毒有害元素的方法难以适用于矿区复垦土壤中有毒有害元素的监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种矿区复垦土壤有毒有害元素室内光谱分层测量方法，该方法不仅能够实现矿区复垦土壤的大面积快速测样，而且由于其分层检测特性，可以对不同深度的矿区复垦土壤有毒有害元素进行室内快速测算，从而达到动态、快速、大尺度、分层测算土壤有毒有害元素的效果，为粮食生态安全评估提供有效数据。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种矿区复垦场地土壤有毒有害元素室内光谱分层测量方法，包括以下步骤：

    （1）矿区复垦场地土壤建模样品采集：复垦场地土壤建模样品可以根据其复垦工艺、充填材料的不同划分为多个土层，例如针对采煤塌陷地煤矿区充填复垦场地可以划分为0~20cm、20~40cm、40~60cm、60~80cm、≥80cm五个土层；依据混合土样和特殊土样的采集原则，分层取样，确定建模样品的采样单元、样点数和采样剖面，采用四分法取土，经风干、研磨、过筛后分层装样；

（2）建模高光谱数据采集：设置高光谱仪的波长范围，于暗室中利用高光谱仪分层采集土壤高光谱数据；

（3）建模样品光谱数据预处理：对采集的原始光谱数据进行背景去除、去噪声、断点修正、平滑处理、标准正态变量变换、光谱微分技术以及连续统去除处理；

（4）建模样品有毒有害元素参考值测定：按照标准分析方法分层测定建模土壤样品中有毒有害元素含量；

（5）有毒有害元素胁迫敏感光谱波段选择：将测定的建模样品有毒有害元素参考值与进行预处理和特征变化后的高光谱数据进行相关性分析，选取相关性最大的矿区复垦场地土壤有毒有害元素胁迫敏感波段；

（6）模型的建立：对于提取的特征参数，为了避免特征参数自身的相关性，采用主成分分析方法筛选出最优光谱特征参数；

（7）模型稳定性和预测能力评价：通过决定系数R²和皮尔逊相关系数p分别评价模型的稳定性以及模型的预测能力，根据实际生产中的误差要求，对模型进行校正；

（8）模型应用：按照步骤（2）和（3）采集高光谱数据并进行预处理，用经验证的校正模型对矿区复垦场地土壤有毒有害元素进行定量分层检测。

优选的，所述步骤（2）中波长范围为350~2500nm。

优选的，所述步骤（5）中相关性分析采用单波段统计分析或多元统计分析。所述的单波段统计分析为原始光谱单波段分析、连续统去除后单波段分析和标准正态变量变换后单波段分析中的一种。所述的多元统计分析为多元线性回归、偏最小二乘回归、最小二乘-支持向量机回归及人工神经网络方法中的一种或几种。

本发明的工作原理：