锰铀污染土壤反射光谱特征及其含量反演研究

摘要

本文以农田紫色土为研究对象，参照土壤环境质量标准和相关文献后对土壤重金属分级分类。对未受污染的土样添加金属锰、铀，待螯合数月后采样。通过地物波谱仪PSR-2500获取土样反射光谱，并通过平滑、微分变换等方法转换光谱。利用Pearson法，计算土壤光谱与锰、铀含量间的相关系数及光谱特征参数。选取土壤光谱的特征波段与土壤特征参数作为解释变量进行光谱建模反演，最后构建土壤光谱库。主要研究成果如下：　　（1）土壤光谱曲线形状轮廓分析，光谱特征相似且曲线近似平行，反射率的升降区间，峰值、谷底出现的位置类似；大致分为 8 条线段和若干个谷、峰组成。受锰污染（浓度1400-10200mg/kg）土壤光谱特征如下。土样反射率介于之5%-40%之间；在400-900nm 波段，土壤的反射率随着锰浓度升高而降低，当浓度达到 4800mg/kg 的反射率最低，浓度继续提高后，反射率回升。受铀污染（浓度25-800mg/kg）土壤光谱特征如下。土样反射率介于之 5%-35%之间；在 400-900nm 波段，土壤的反射率随着铀浓度提高而降低，当铀浓度约275mg/kg时土样光谱反射率最低；在900-2500nm区间内，未受污染的土样反射率最高，受铀污染后，反射率随着浓度的增加逐渐降低，当铀含量增加到375mg/kg时土样的反射率最低。　　（2）光谱经 FD 变换，锰污染下的特征波段集中在 420-610nm、660-960nm、1032-1421nm、2147-2230nm；铀污染下的特征波段多位于440-830nm和红外波段。光谱经 SD 变换，锰污染下的特征波段分布在全波段；铀污染下的特征波段分布在350-420nm、1408nm、2130nm 附近。光谱经 LOG 变换，锰污染下的特征波段在380-980nm、1635-2360nm、2530nm 周围；铀污染下的特征波段多在 330-400nm、510-2535nm。锰污染下通过p=0.05检验的光谱特征参数是土壤吸收谷宽度、深度、面积、蓝边峰值；铀污染下通过p=0.05检验的参数是吸收谷深度、位置和面积。　　（3）运用多元线性回归分析、神经网络模型建立土壤光谱与土壤锰、铀元素含量间关系模型。结果表明：光谱二阶微分变换后使用神经网络法反演锰元素含量最佳， R2为0.966，RMSE为0.488。一阶微分变换后使用神经网络法反演铀元素含量最佳， R2为0.956，RMSE为0.142。　　（4）建立实验土壤光谱库，其中包含了不同浓度锰、铀污染下土壤的光谱曲线。　　论文成果能够扩宽矿区土壤锰、铀含量监测渠道，并提供理论支持。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景与意义

1.1.1研究对象

1.1.2土壤污染现状及监测方法

1.2国内外研究现状

1.2.1高光谱遥感发展及其研究现状

1.2.2矿区土壤高光谱研究现状

1.3.1研究目标

1.3.2研究内容

1.3.3关键点及创新之处

1.4论文技术路线

1.5本章小结

2研究方法

2.1数据获取

2.1.1土壤样品制备

2.1.2土壤性质及本底值测定与分级

2.1.3土壤反射光谱采集

2.2光谱预处理及变换

2.2.1平滑处理

2.2.2光谱变换

2.3本章小结

3土壤反射光谱特征分析及波段选择

3.1土壤反射光谱特征

3.1.1重金属锰污染下的光谱分析

3.1.2重金属铀污染下的光谱分析

3.2基于去包络线的特征分析

3.2.1锰元素影响下的土壤光谱特征分析

3.2.2铀元素影响下的土壤光谱特征分析

3.3土壤反射光谱与金属含量相关性分析

3.3.1相关性分析理论基础

3.3.2光谱反射率与土壤重金属元素污染下的相关性分析

3.3.3光谱微分变换与土壤重金属元素污染下的相关性分析

3.3.4光谱的倒数对数变换与土壤重金属元素污染下的相关性分析

3.3.5光谱特征参数与土壤重金属元素污染下的相关性分析

3.4本章小结

4土壤重金属反演模型构建与光谱库建立

4.1反演模型构建理论基础

4.1.1多元逐步回归分析

4.1.2神经网络回归建模

4.1.3模型检验

4.2土壤锰含量反演模型构建分析

4.2.1基于多元逐步回归的高光谱土壤锰金属含量反演模型的构建

4.2.2基于神经网络的高光谱土壤锰含量回归模型的构建

4.2.3模型对比

4.3土壤铀含量反演模型的构建分析

4.3.1基于多元逐步回归的高光谱土壤铀金属含量反演模型的构建

4.3.2基于神经网络的高光谱土壤铀含量回归模型的构建

4.3.3模型对比

4.4土壤光谱库建立

4.4.1国内外主要波谱库

4.4.2土壤光谱数据库建立

4.5本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及研究成果