[发明专利]基于无人机高光谱反演土壤中重金属污染监测方法

权利要求书

1.一种基于无人机高光谱反演土壤中重金属污染监测方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，现场采样：在研究区以平均分布原则随机选取采样点，在每个采样点采集多个样本；

第二步，对样本进行预处理：对样本进行风干，去除土壤中贝壳、杂草、树根等有机质后，研磨至过2mm筛；

第三步，采集样本的重金属含量：使用X射线荧光分析仪采集样本的重金属污染源的主要研究元素的含量；

第四步，采集样本的实验室高光谱反射率：将研磨好的土壤置于直径6cm高1cm的玻璃皿中，利用地物光谱仪进行重复测量，取平均得到样本在350～2500nm的光谱信息，获得光谱反射率数据；

第五步，数据处理：对从地球光谱仪获取的原始光谱反射率数据分别进行倒数、对数、一阶微分、二阶微分变换,进行去噪处理，小波分析；

第六步，建模：使用偏最小二乘回归算法分别将已经测得的主要研究元素的含量分别与实验室高光谱原始反射率数据、倒数变换后的原始光谱反射率数据、对数变换后的原始光谱反射率数据、一阶微分变换后的原始光谱反射率数据以及二阶微分变换变换后的原始光谱反射率数据进行相关性分析，建立待测金属含量与实验室高光谱曲线的反演模型，对模型进行验证优化：使用留一法作为验证优化方法，如共n个样本，则进行n次回归分析，每次使用n-1个样本作为训练样本，剩下的1个作为检验样本，取n次分析得到的R2(拟合系数)和RMSE(均方根误差)的平均值和作为模型检验标准，以最大，最小为优化目标对模型的预测能力和鲁棒性进行检验和优化，获得最优的变换方法；

第七步，大面积反演重金属含量：使用搭载高光谱成像光谱仪的无人机采集的研究区高光谱反射率数据作为待测数据，将采集到的待测数据通过最优的变换方法进行数据变换后，利用反演土壤重金属含量的高光谱估算模型计算待测研究区的重金属含量，得到大面积重金属含量图像，并对其中含量突出区域进行提取；

第八步，多时相分析：在一个重金属防治周期或当地污染源排放周期后再次在研究区以平均分布原则随机选取采样点，在每个采样点采集多个样本，重复步骤第二步至第七步，得到最优的反演模型，对研究区进行无人机高光谱信息采集，同时进行反演获得本次待测研究区的重金属含量，将本次待测研究区的重金属含量与第八步获取的待测研究区的重金属含量进行对比。

2.根据权利要求1所述的一种基于无人机高光谱反演土壤中重金属污染监测方法，其特征在于去噪处理采取九点加权平均法进行去噪处理，计算公式如下：

R'_i＝0.04R_i-4+0.08R_i-3+0.12R_i-2+0.16R_i-1+0.20R_i

+0.16R_i+1+0.12R_i+2+0.08R_i+3+0.04R_i+4

3.根据权利要求1所述的一种基于无人机高光谱反演土壤中重金属污染监测方法，其特征在于X射线荧光光谱法(XRF)对样本进行分析时，需要将研磨好的土壤样品装入专用塑料容器中，用薄膜封装；装样后放入仪器配套架构中，薄膜一侧对准X射线发射窗口，每个样本测5次，每次旋转90°，多次数据取平均值；X射线荧光分析仪采集样本的多种元素含量，选取Pb、Zn、Cu、Cr、Ni作为主要研究元素。

4.根据权利要求1所述的一种基于无人机高光谱反演土壤中重金属污染监测方法，其特征在于在地物光谱仪采集样本的实验室高光谱反射率数据时，需要暗室中进行，使用卤素灯(全谱段辐射源)模拟太阳灯光，控制入射角45°，光谱仪探头与样本距离15cm，每个样本测4次，每次旋转90°，四次数据取平均值；进行白板定标后，仪器自动除白板去暗流获得样本高光谱反射率信息。

5.根据权利要求1所述的一种基于无人机高光谱反演土壤中重金属污染监测方法，其特征在于根据采样点面积、地势、土壤组成和受污染程度选择包括蛇形、梅花桩式、对角线式、棋盘式等不同的采样方式。

6.根据权利要求1所述的一种基于无人机高光谱反演土壤中重金属污染监测方法，其特征在于突出区域根据研究区的属性如农田、养殖区、工业区、林牧区等，依照国家环境土壤质量标准文件GB15618-2009选取阈值，以判定当地土壤是否超标以及超标面积等参量。

7.根据权利要求1所述的一种基于无人机高光谱反演土壤中重金属污染监测方法，其特征在于使用搭载高光谱成像光谱仪的无人机为六旋翼无人机。