利用可見光近紅外光譜技術的土壤鉛含量測量方法
2023-06-01 17:56:11
利用可見光近紅外光譜技術的土壤鉛含量測量方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用可見光近紅外光譜技術的土壤鉛含量測量方法，本發明利用光譜數據實現尾礦區域土壤鉛含量的定量估算，該測定無需與樣本直接接觸，是完全的無損測量，而且操作過程和土壤鉛含量的計算方法簡單；本發明提出的方法基於支持向量機，測定方法的電腦程式運行時間少於10分鐘，與傳統葉綠素含量檢測方法需要至少1小時的繁瑣檢測操作過程相比，測定速度大大加快；本發明提出的土壤鉛含量估算方法對環境無任何汙染。
【專利說明】利用可見光近紅外光譜技術的±壤鉛含量測量方法
【技術領域】：
[0001] 本發明涉及光譜數據的處理和±壤檢測領域，具體涉及一種利用可見光近紅外光 譜技術的±壤鉛含量測量方法。
【背景技術】
[0002] ±壤重金屬汙染會導致農業產量的下降，並且進入食物鏈，會危害人的健康。鉛 (Pb)是對人類生活最危險的金屬之一。人們已經發現，鉛汙染影響種子萌發，並且對植物 生長及代謝產生廣泛的不利影響。一旦進入葉片，鉛元素會通過阻斷氣孔或擾亂代謝路徑， 引起植物不良的生理效應。此外，過量的鉛濃度降低葉綠素的濃度，降低農作物的產量。因 而，準確、及時地測量±壤中的鉛含量對於環境保護和公眾健康具有重要的意義。
[0003] 申請號為201310111675. 9的發明公開了 ICP法測量±壤中鉛元素含量方法，該方 法採用ICP等離子原子發射光譜法測量±壤樣品中鉛的含量，該方法先對±壤中含鉛樣品 加入一定量的氨氣酸溶液後W及高濃度的硝酸和高濃度硫酸，然後進行微波消解；在聚消 解罐中進行高溫消解，然後利用ICP-AES光譜儀對鉛的含量進行測量，測量時針對實驗需 要合理選擇實驗參數，從而更方便快速準確的對±壤樣品中鉛含量進行測量。
[0004] 申請號為201010207505. 7的發明公開了±壤中鉛、銅兩種重金屬全量的測定方 法，所述測定法包括W下步驟；A)稱取研磨後並用0. 149mm尼龍篩篩選後的均勻±壤樣 品0. 3000g，平鋪於容量為50ml聚四氣己帰燒杯的底部曲向燒杯內加入5ml HN03(優級 純），lml HF(優級純），lml肥104(優級純），再將聚四氣己帰燒杯放入不鎊鋼金屬罐中，旋 緊蓋子後放置於烘箱中等。
[0005] 上述方法測試步驟多、操作複雜、試劑用量大、檢測周期長，誤差大。
[0006] 因此有必要研究一種可W快速、準確地測量±壤中鉛含量的方法，為±壤環境監 測和生態環境治理提供技術支撐。
[0007] 可見光近紅外光譜技術是指利用可見光和近紅外光譜波段包含的細緻豐富的光 譜特徵描述，主要根據物質的光譜來鑑別物質及確定它的化學組成和相對含量的方法。
[000引 目前，針對於尾礦區域中±壤鉛含量的可見光近紅外快速測定未見報導。可見光 近紅外光譜分析技術在±壤鉛含量估算有著廣闊的應用前景。
【發明內容】
[0009] 為解決上述問題，本發明提供了一種利用可見光近紅外光譜技術的±壤鉛含量測 量方法。
[0010] 為實現上述目的，本發明採取的技術方案為：
[0011] 利用可見光近紅外光譜技術的±壤鉛含量測量方法，包括如下步驟：
[0012] S1、根據礦區開採情況及地表植物覆蓋情況，將整個礦區分為10個小區，每個小 區按梅花布點法，隨機採集6個±壤樣品，共採集±壤樣本60個，採集±壤表層樣本，每個 樣點的±壤裝入不同的樣本盒中，並在樣品袋外填寫樣品標籤；
[0013] S2、通過光譜儀獲得步驟SI所得樣品的可見光近紅外反射率光譜，測量時間為 10 ;30-12 ;00,在室外自然光照條件下，選用8°視場角探頭，探頭到±壤樣本表面距離為 1. 35m，測量範圍為Im2,在測量每個樣品之前，測量暗電流和光譜儀參照白板每個±壤樣本 連續獲取10條測量光譜；
[0014] S3、將每個採樣點測量的±壤的10條光譜使用均一化平滑處理後，取其平均值作 為±壤的光譜曲線，實測的±壤光譜採用350-1230nm的反射率光譜，剔除其餘光譜波段， 對±壤光譜進行小波降噪的操作，增強±壤鉛、有機質等物質吸收特徵的光譜波段，得到小 波降噪之後的±壤光譜；
[0015] S4、用研磨機將步驟S1所得的樣品粉碎，採用石墨爐原子吸收佑B/T17141-1997) 測定鉛含量；
[0016] S5、採用支持向量機建立可見光近紅外光譜與±壤鉛含量參考值之間的校正模 型；
[0017] S6、採集常見的±壤樣品，按照步驟S2和S3採集並預處理其中可見光紅外光譜， 根據步驟S5建立的校正模型對其鉛元素含量進行估算，得到估算值；同時按照步驟S4測定 其鉛元素含量的參考值；比較該±壤樣品重金屬元素含量的參考值和估算值，並根據實際 生產中的誤差要求，對校正模型進行反覆優化；
[0018] S7、首先獲取±壤的光譜，然後把未知樣品±壤的光譜經過預處理後，把光譜參數 輸入到校正模型即可估算未知樣本的±壤鉛含量。
[0019] 其中，所述步驟S1中±壤表層樣本的深度為0-20cm。
[0020] 其中，所述步驟S1中採樣點選取的標準是保證每個採樣點±壤在Hyperion高光 譜衛星影像的一個純淨像元內（30米X 30米）。
[0021] 其中，所述步驟S2中±壤光譜測量採用ASD FieldSpec3地物光譜儀，測量波譜範 圍為350-2500nm。光譜儀使用前需要用白板校零。
[0022] 其中，所述步驟S5中建立可見光近紅外光譜與±壤鉛含量參考值之間的校正模 型評價指標是相關係數R 2和均方誤差MSE，計算公式如下：
【權利要求】
1. 利用可見光近紅外光譜技術的土壤鉛含量測量方法，其特徵在於，包括如下步驟： 51、 根據礦區開採情況及地表植物覆蓋情況，將整個礦區分為10個小區，每個小區按 梅花布點法，隨機採集6個土壤樣品，共採集土壤樣本60個，採集土壤表層樣本，每個樣點 的土壤裝入不同的樣本盒中，並在樣品袋外填寫樣品標籤； 52、 通過光譜儀獲得步驟Sl所得樣品的可見光近紅外反射率光譜，測量時間為 10:30-12:00,在室外自然光照條件下，選用8°視場角探頭，探頭到土壤樣本表面距離為 I. 35m，測量範圍為lm2,在測量每個樣品之前，測量暗電流和光譜儀參照白板每個土壤樣本 連續獲取10條測量光譜； 53、 將每個採樣點測量的土壤的10條光譜使用均一化平滑處理後，取其平均值作為土 壤的光譜曲線，實測的土壤光譜採用350-1230nm的反射率光譜，剔除其餘光譜波段，對土 壤光譜進行小波降噪的操作，增強土壤鉛、有機質等物質吸收特徵的光譜波段，得到小波降 噪之後的土壤光譜； 54、 用研磨機將步驟Sl所得的樣品粉碎，採用石墨爐原子吸收測定鉛含量； 55、 採用支持向量機建立可見光近紅外光譜與土壤鉛含量參考值之間的校正模型； 56、 採集常見的土壤樣品，按照步驟S2和S3採集並預處理其中可見光紅外光譜，根據 步驟S5建立的校正模型對其鉛元素含量進行估算，得到估算值；同時按照步驟S4測定其鉛 元素含量的參考值；比較該土壤樣品重金屬元素含量的參考值和估算值，並根據實際生產 中的誤差要求，對校正模型進行反覆優化； 57、 首先獲取土壤的光譜，然後把未知樣品土壤的光譜經過預處理後，把光譜參數輸入 到校正模型即可估算未知樣本的土壤鉛含量。
2. 根據權利要求1所述的利用可見光近紅外光譜技術的土壤鉛含量測量方法，其特徵 在於，所述步驟Sl中土壤表層樣本的深度為0-20cm。
3. 根據權利要求1所述的利用可見光近紅外光譜技術的土壤鉛含量測量方法，其特徵 在於，所述步驟Sl中採樣點選取的標準是保證每個採樣點土壤在Hyperion高光譜衛星影 像的一個純淨像元內。
4. 根據權利要求1所述的利用可見光近紅外光譜技術的土壤鉛含量測量方法，其特 徵在於，所述步驟S2中土壤光譜測量採用ASDFieldSpeC3地物光譜儀，測量波譜範圍為 350-2500nm。光譜儀使用前需要用白板校零。
5. 根據權利要求1所述的利用可見光近紅外光譜技術的土壤鉛含量測量方法，其特徵 在於，所述步驟S5中建立可見光近紅外光譜與土壤鉛含量參考值之間的校正模型評價指 標是相關係數R2和均方誤差MSE，計算公式如下：
均值。
【文檔編號】G01N21/359GK104502288SQ201410740558
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月26日 優先權日:2014年11月26日
【發明者】呂傑 申請人:西安科技大學