一種礦區復墾場地有毒有害元素室內光譜分層測量方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光學技術與資源環境領域，具體涉及一種利用室內高光譜數據、化學 計量學與計算機統計方法對礦區復呈場地有毒有害元素含量作快速分層測定的方法。
【背景技術】
[0002] 由于礦區復呈場地充填物料來源廣泛，大多數是由煤巧石、粉煤灰、生活垃圾構 成。因此，在進行礦區充填復呈時，充填物料會將大量污染物帶入場地，進而通過食物鏈危 害人體安全。礦區復呈±壤是人工±壤，±壤剖面的構成包括表±、也±、底±和充填物料 層等，與正常±壤剖面的構成不同。正常±壤在表下的有毒有害元素含量相對較小，而 礦區復呈±壤由于其組成的特殊性（由前述充填物料構成)，表±^下的填充層（20?60cm) 的有毒有害元素有可能較高，從而構成潛在的生態風險。
[0003] 傳統的污染±壤的有毒有害元素監測方法一般W物理、化學和生物的方法為主。 化學分析方法和物理分析方法雖然可W獲得監測對象瞬時的污染信息，但需要破壞性的取 樣，且監測范圍有限、耗資較多，費時費力；生物監測方法可W監測污染對象的長期生態效 應，但由于其自身特性，需要調查的結果必須具有較高的精度和準確度，該一要求在常規的 實驗操作中很難達到且不具有大面積推廣特性。現有的利用野外實測±壤光譜數據進行± 壤有毒有害元素估測的辦法由于受野外光照、溫度、濕度等干擾，精度往往較低，并且利用 野外便攜式光譜儀進行±壤高光譜數據采集范圍也僅限于表±(20cmW內），很難針對±壤 不同分層的有毒有害元素進行測算。然而，有毒有害元素在±壤中能夠進行垂向和橫向遷 移，加之我國礦區復呈±壤大部分都用于糧食種植。因此，W往的通過采集野外光譜數據后 進行數據反演從而估算±壤有毒有害元素的方法難W適用于礦區復呈±壤中有毒有害元 素的監測。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種礦區復呈±壤有毒有害元素室內光譜分層測量方法， 該方法不僅能夠實現礦區復呈±壤的大面積快速測樣，而且由于其分層檢測特性，可W對 不同深度的礦區復呈±壤有毒有害元素進行室內快速測算，從而達到動態、快速、大尺度、 分層測算±壤有毒有害元素的效果，為糧食生態安全評估提供有效數據。
[0005] 本發明的目的是通過W下技術方案實現的；一種礦區復呈場地±壤有毒有害元素 室內光譜分層測量方法，包括W下步驟： (1) 礦區復呈場地±壤建模樣品采集；復呈場地±壤建模樣品可W根據其復呈工藝、 充填材料的不同劃分為多個±層，例如針對采煤塌陷地煤礦區充填復呈場地可W劃分為 0?20cm、20?40cm、40?60cm、60?80畑1、> 80cm五個±層；依據混合±樣和特殊±樣的米集原 貝1J，分層取樣，確定建模樣品的采樣單元、樣點數和采樣剖面，采用四分法取±，經風干、研 磨、過篩后分層裝樣； (2) 建模高光譜數據采集：設置高光譜儀的波長范圍，于暗室中利用高光譜儀分層采集 ±壤高光譜數據； (3) 建模樣品光譜數據預處理；對采集的原始光譜數據進行背景去除、去噪聲、斷點修 正、平滑處理、標準正態變量變換、光譜微分技術W及連續統去除處理； (4) 建模樣品有毒有害元素參考值測定：按照標準分析方法分層測定建模±壤樣品中 有毒有害元素含量； (5) 有毒有害元素脅迫敏感光譜波段選擇；將測定的建模樣品有毒有害元素參考值與 進行預處理和特征變化后的高光譜數據進行相關性分析，選取相關性最大的礦區復呈場地 ±壤有毒有害元素脅迫敏感波段； (6) 模型的建立；對于提取的特征參數，為了避免特征參數自身的相關性，采用主成分 分析方法篩選出最優光譜特征參數； (7) 模型穩定性和預測能力評價：通過決定系數R2和皮爾遜相關系數P分別評價模型 的穩定性W及模型的預測能力，根據實際生產中的誤差要求，對模型進行校正； (8) 模型應用：按照步驟（2)和（3)采集高光譜數據并進行預處理，用經驗證的校正模 型對礦區復呈場地±壤有毒有害元素進行定量分層檢測。
[0006] 優選的，所述步驟（2)中波長范圍為350?2500皿。
[0007] 優選的，所述步驟（5)中相關性分析采用單波段統計分析或多元統計分析。所述 的單波段統計分析為原始光譜單波段分析、連續統去除后單波段分析和標準正態變量變換 后單波段分析中的一種。所述的多元統計分析為多元線性回歸、偏最小二乘回歸、最小二 乘-支持向量機回歸及人工神經網絡方法中的一種或幾種。
[0008] 本發明的工作原理： 本發明涉及到模型建立、使用及維護，另外，還涉及到軟硬件設施，包括高光譜儀、樣品 池、化學計量學軟件、光譜分析軟件、數據統計軟件、計算機等。反射光譜特征是地物的基本 特征之一，利用高光譜數據、化學計量學與地圖制圖學分層測定礦區復呈±壤有毒有害元 素含量。
[0009] 本發明首先采集并制備礦區復呈場地±壤建模樣品，然后再將建模樣品進行高光 譜數據采集得到一系列原始數據，再通過建模樣品高光譜數據的四種預處理得到一系列由 原始數據轉換過來的四種處理數據；同時將建模樣品通過傳統的化學實驗方法得到一系列 參考值；再將該參考值與上述四種處理數據做相關性分析，分別得到了附圖3、附圖4、附圖 5和附圖6;然后從該四副關系圖中作出有毒有害元素脅迫敏感光譜波段選擇，選擇具有顯 著相關的礦區復呈場地有毒有害元素脅迫敏感波段作為相關因子來建立模型，并對模型的 穩定性、預測能力做出評價，最后實施模型的應用與驗證。
[0010] 本發明的有益效果是：與W物理、化學和生物方法為主的傳統方法來測定礦區復 呈場地±壤有毒有害元素相比，本發明具有節約成本、省時、快速、動態的優勢；與一般的利 用野外實測±壤光譜數據進行±壤有毒有害元素估測的辦法相比較具有精度更高、監測更 具有針對性的優勢，能夠測定不同分層的礦區復呈場地±壤的有毒有害元素。通過該技術， 可W高效、動態、具有針對性的測算礦區復呈場地±壤有毒有害元素，為±壤污染治理、糧 食安全保障提供有效數據。
【附圖說明】