铜矿区植物光谱特征与信息提取——以德兴铜矿为例

摘要

本论文针对德兴铜矿区实际，采用了遥感生物地球化学方法，对矿区部分优势植物包括对盐肤木、狼尾蒿、臭蒿、香薷、芒萁等植物进行了深入探讨，研究了矿区酸性水污染区和尾矿库土壤—植物系统中重金属分布规律。利用小波分析方法进行了噪声方差估计，并通过仿真试验和理论分析确定了波谱中存在的噪声的类型，针对噪声类型提出了最佳空域相关去噪方法。结合光谱反射率、反射峰最大反射率及其位置、吸收谷位置、面积、深度、宽度、红边参数和植被指数等共计44个光谱特征参数，对研究区采集的五种植物的光谱特征进行了分析，并针对叶部重金属含量及其富集特征的逐步多元回归模型开展了研究。
　　研究结果表明：德兴矿区酸性水污染区和尾矿库土壤中元素总含量呈现尾矿库坝中〉坝顶，河床〉污染区〉废石场汇水水沟边的趋势。与土壤地球化学背景值相比，各采样点土壤中Cu含量远高于中国A层土壤及A层红壤背景值。Zn、Mn、Cd、Ni、Pb等的含量高于背景值，而Cr含量与背景值相近。对比中国土壤环境质量标准值，大多数土壤不满足国家标准二级标准要求，但几乎所有的土壤均满足三级标准要求。这些土壤基本能够满足农林业生产和植物正常生长的需要，但不能保障农业生产，维护人体健康。
　　在研究区采集的几种植物在重金属含量较高的土壤环境中生存，明显受到了土壤重金属含量影响。重金属大多富集于根部，部分植物在叶部富集。几种植物均表现出了对铜元素的不同程度的富集特性。香薷器官中重金属含量很高，有明显的富集铜的特征。
　　野外光谱噪声估计与降噪方法研究认为，利用第一尺度分解的小波高频系数估计噪声方差具有较高精度和稳定性，基于空域相关算法可以实现该噪声方差的估计。结果表明，野外波谱数据中存在的噪声主要集中在第一、二尺度，而噪声方差也随波长变化而变化。1400nm和1900nm附近水吸收波段噪声显著，野外波谱噪声属于除性复合噪声，采用对数变换结合小波变换可以令其白化，有利于噪声的去除。三类小波降噪方法中，空域相关去噪最适合于野外波谱数据处理，其次是模极大去噪，阈值去噪方法不适于野外波谱数据降噪。改进的自适应空域相关去噪法适用于波谱数据处理。该方法可以有效地去350nm~2500nm波段的噪声，其中包含1400nm附近水吸收波段的噪声。但1900nm附近噪声不能有效去除，原因可能在于光谱仪器系统的精度低。
　　光谱特征研究结果指出，盐肤木、狼尾蒿、臭蒿、香薷、芒萁等五种植物绝大部分光谱特征随环境变化显著，各光谱特征值与叶部重金属含量的线性相关性各不相同，存在的一个共同的规律是：重金属的效应表现为它改变了植物的水分含量、色素含量、叶部组织结构等，促进或阻碍水的吸收；部分重金属阻碍色素合成，而Zn等则能促进色素合成；部分重金属可以破坏叶部组织结构，使红外反射率升高。一种重金属效应在多处光谱特征有所反映。不同重金属如Pb、Zn等元素，在同一光谱特征上（比如在水吸收波段）都有不同程度的反映。重金属在植物体内往往与蛋白质结合，作为生物催化剂——酶的组成，参与了不同的生化过程，可能导致了以上规律的存在。但由于生物对必需重金属元素如Zn的需求也是有一定限度的。当生长基质中这种重金属含量增达到一定程度时，就会产生毒化效应。而这种毒化效应体现在某些生物机能上而非全面影响。对于生物非必需元素如Pb在产生毒化效应时，则将影响多种生物机能如水吸收、色素合成等正常进行，从而导致了多处光谱特征响应。但不同植物之间也存在一些差异，这可能与不同物种对重金属元素的吸收、富集、耐受能力不同有关。
　　叶部重金属含量及其富集特征的逐步多元回归模型研究结果认为，利用逐步回归法可以建立盐肤木、狼尾蒿、臭蒿、香薷、芒萁等五种植物的光谱特征与叶部化学物质之间的关系模型，从模型计算值与实测值比较结果来看，模型比较稳定，相对偏差大多在±10％以下。进入各元素逐步回归模型的光谱特征各不相同，进入同种元素各种植物逐步回归模型的光谱特征差异很大。研究中采用了一阶、二阶微分光谱对狼尾蒿、臭蒿、香薷三种一年生草本植物叶部重金属含量进行逐步回归建模。研究结果表明，除Pb、Mn较差外，微分光谱模型的估测效果均较好，相对偏差大多低于15%。一阶微分和二阶微分模型的估测精度有差异。采用一阶微分光谱模型计算叶部Cu、Ni的估测效果较好，而对于Cr、Mn、Pb、Cd、Zn，采用二阶微分光谱模型计算效果较好。研究中还采用了微分光谱对狼尾蒿、臭蒿、香薷三种一年生草本植物叶部重金属富集系数进行逐步回归建模，结果表明，微分光谱模型对Mn的富集系数估测结果较好；Cu、Cr、Ni、Pb、Cd、Zn其他相对偏差太大，估测价值不高，有待于进一步研究和探讨。

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Contents

引 言

1 文献综述

1.1矿区植物修复技术及其进展

1.2遥感生物地球化学及其发展简况

1.3遥感生物地球化学数据的获取与预处理

1.4植物叶片生化物质含量估测研究进展

1.5存在的问题及解决问题的方法

1.6本论文的研究思路、章节安排及论文工作量

2 数据采集

2.1研究区简介

2.2工作方法

2.3采样点布置

2.4植物物种选择

2.5光谱数据采集

2.6土壤、植物样品采样技术方法

2.7样品测试

3 土壤-植物系统中重金属分布规律

3.1植物对重金属的一般响应机制

3.2根际土壤重金属分布规律分析

3.3德兴矿区几种植物中重金属分布规律分析

3.4植物对土壤中重金属的富集作用分析

3.5植物对重金属的运移能力分析

3.6 本章小结

4 野外波谱噪声的检测与去噪

4.1小波分析简介

4.2小波的基本性质与小波基的选择

4.3小波降噪方法及其选择

4.4 波谱曲线中的噪声分布规律研究

4.5 波谱曲线的噪声去除方法研究

4.6微分光谱的小波实现

4.7本章小结

5 波谱特征提取及其解析

5.1绿色植物波谱特征及其生化意义

5.2反射波谱特征参数提取

5.3本章小结

6 叶部重金属元素含量及富集系数的光谱估测

6.1估测模型选择

6.2盐肤木中各元素的逐步回归分析

6.3狼尾蒿中各元素的逐步回归分析

6.4臭蒿中各元素的逐步回归分析

6.5香薷中各元素的逐步回归分析

6.6芒萁中各元素的逐步回归分析

6.7三种草本植物叶部重金属含量逐步回归分析

6.8叶部重金属富集特征的逐步回归分析

6.9本章小结

7 结论

7.1 主要研究成果

7.2主要创新点

7.3 问题、前景及展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的文章及参加的项目