利用可见光近红外光谱技术的土壤铅含量测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用可见光近红外光谱技术的土壤铅含量测量方法，本发明利用光谱数据实现尾矿区域土壤铅含量的定量估算，该测定无需与样本直接接触，是完全的无损测量，而且操作过程和土壤铅含量的计算方法简单；本发明提出的方法基于支持向量机，测定方法的计算机程序运行时间少于10分钟，与传统叶绿素含量检测方法需要至少1小时的繁琐检测操作过程相比，测定速度大大加快；本发明提出的土壤铅含量估算方法对环境无任何污染。
【专利说明】利用可见光近红外光谱技术的±壤铅含量测量方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及光谱数据的处理和±壤检测领域，具体涉及一种利用可见光近红外光 谱技术的±壤铅含量测量方法。
【背景技术】
[0002] ±壤重金属污染会导致农业产量的下降，并且进入食物链，会危害人的健康。铅 (Pb)是对人类生活最危险的金属之一。人们已经发现，铅污染影响种子萌发，并且对植物 生长及代谢产生广泛的不利影响。一旦进入叶片，铅元素会通过阻断气孔或扰乱代谢路径， 引起植物不良的生理效应。此外，过量的铅浓度降低叶绿素的浓度，降低农作物的产量。因 而，准确、及时地测量±壤中的铅含量对于环境保护和公众健康具有重要的意义。
[0003] 申请号为201310111675. 9的发明公开了 ICP法测量±壤中铅元素含量方法，该方 法采用ICP等离子原子发射光谱法测量±壤样品中铅的含量，该方法先对±壤中含铅样品 加入一定量的氨氣酸溶液后W及高浓度的硝酸和高浓度硫酸，然后进行微波消解；在聚消 解罐中进行高温消解，然后利用ICP-AES光谱仪对铅的含量进行测量，测量时针对实验需 要合理选择实验参数，从而更方便快速准确的对±壤样品中铅含量进行测量。
[0004] 申请号为201010207505. 7的发明公开了±壤中铅、铜两种重金属全量的测定方 法，所述测定法包括W下步骤；A)称取研磨后并用0. 149mm尼龙筛筛选后的均匀±壤样 品0. 3000g，平铺于容量为50ml聚四氣己帰烧杯的底部曲向烧杯内加入5ml HN03(优级 纯），lml HF(优级纯），lml肥104(优级纯），再将聚四氣己帰烧杯放入不镑钢金属罐中，旋 紧盖子后放置于烘箱中等。
[0005] 上述方法测试步骤多、操作复杂、试剂用量大、检测周期长，误差大。
[0006] 因此有必要研究一种可W快速、准确地测量±壤中铅含量的方法，为±壤环境监 测和生态环境治理提供技术支撑。
[0007] 可见光近红外光谱技术是指利用可见光和近红外光谱波段包含的细致丰富的光 谱特征描述，主要根据物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成和相对含量的方法。
[000引 目前，针对于尾矿区域中±壤铅含量的可见光近红外快速测定未见报道。可见光 近红外光谱分析技术在±壤铅含量估算有着广阔的应用前景。
【发明内容】
[0009] 为解决上述问题，本发明提供了一种利用可见光近红外光谱技术的±壤铅含量测 量方法。
[0010] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0011] 利用可见光近红外光谱技术的±壤铅含量测量方法，包括如下步骤：
[0012] S1、根据矿区开采情况及地表植物覆盖情况，将整个矿区分为10个小区，每个小 区按梅花布点法，随机采集6个±壤样品，共采集±壤样本60个，采集±壤表层样本，每个 样点的±壤装入不同的样本盒中，并在样品袋外填写样品标签；
[0013] S2、通过光谱仪获得步骤SI所得样品的可见光近红外反射率光谱，测量时间为 10 ;30-12 ;00,在室外自然光照条件下，选用8°视场角探头，探头到±壤样本表面距离为 1. 35m，测量范围为Im2,在测量每个样品之前，测量暗电流和光谱仪参照白板每个±壤样本 连续获取10条测量光谱；
[0014] S3、将每个采样点测量的±壤的10条光谱使用均一化平滑处理后，取其平均值作 为±壤的光谱曲线，实测的±壤光谱采用350-1230nm的反射率光谱，剔除其余光谱波段， 对±壤光谱进行小波降噪的操作，增强±壤铅、有机质等物质吸收特征的光谱波段，得到小 波降噪之后的±壤光谱；
[0015] S4、用研磨机将步骤S1所得的样品粉碎，采用石墨炉原子吸收佑B/T17141-1997) 测定铅含量；
[0016] S5、采用支持向量机建立可见光近红外光谱与±壤铅含量参考值之间的校正模 型；
[0017] S6、采集常见的±壤样品，按照步骤S2和S3采集并预处理其中可见光红外光谱， 根据步骤S5建立的校正模型对其铅元素含量进行估算，得到估算值；同时按照步骤S4测定 其铅元素含量的参考值；比较该±壤样品重金属元素含量的参考值和估算值，并根据实际 生产中的误差要求，对校正模型进行反复优化；
[0018] S7、首先获取±壤的光谱，然后把未知样品±壤的光谱经过预处理后，把光谱参数 输入到校正模型即可估算未知样本的±壤铅含量。
[0019] 其中，所述步骤S1中±壤表层样本的深度为0-20cm。
[0020] 其中，所述步骤S1中采样点选取的标准是保证每个采样点±壤在Hyperion高光 谱卫星影像的一个纯净像元内（30米X 30米）。
[0021] 其中，所述步骤S2中±壤光谱测量采用ASD FieldSpec3地物光谱仪，测量波谱范 围为350-2500nm。光谱仪使用前需要用白板校零。
[0022] 其中，所述步骤S5中建立可见光近红外光谱与±壤铅含量参考值之间的校正模 型评价指标是相关系数R 2和均方误差MSE，计算公式如下：
【权利要求】
1. 利用可见光近红外光谱技术的土壤铅含量测量方法，其特征在于，包括如下步骤： 51、 根据矿区开采情况及地表植物覆盖情况，将整个矿区分为10个小区，每个小区按 梅花布点法，随机采集6个土壤样品，共采集土壤样本60个，采集土壤表层样本，每个样点 的土壤装入不同的样本盒中，并在样品袋外填写样品标签； 52、 通过光谱仪获得步骤Sl所得样品的可见光近红外反射率光谱，测量时间为 10:30-12:00,在室外自然光照条件下，选用8°视场角探头，探头到土壤样本表面距离为 I. 35m，测量范围为lm2,在测量每个样品之前，测量暗电流和光谱仪参照白板每个土壤样本 连续获取10条测量光谱； 53、 将每个采样点测量的土壤的10条光谱使用均一化平滑处理后，取其平均值作为土 壤的光谱曲线，实测的土壤光谱采用350-1230nm的反射率光谱，剔除其余光谱波段，对土 壤光谱进行小波降噪的操作，增强土壤铅、有机质等物质吸收特征的光谱波段，得到小波降 噪之后的土壤光谱； 54、 用研磨机将步骤Sl所得的样品粉碎，采用石墨炉原子吸收测定铅含量； 55、 采用支持向量机建立可见光近红外光谱与土壤铅含量参考值之间的校正模型； 56、 采集常见的土壤样品，按照步骤S2和S3采集并预处理其中可见光红外光谱，根据 步骤S5建立的校正模型对其铅元素含量进行估算，得到估算值；同时按照步骤S4测定其铅 元素含量的参考值；比较该土壤样品重金属元素含量的参考值和估算值，并根据实际生产 中的误差要求，对校正模型进行反复优化； 57、 首先获取土壤的光谱，然后把未知样品土壤的光谱经过预处理后，把光谱参数输入 到校正模型即可估算未知样本的土壤铅含量。
2. 根据权利要求1所述的利用可见光近红外光谱技术的土壤铅含量测量方法，其特征 在于，所述步骤Sl中土壤表层样本的深度为0-20cm。
3. 根据权利要求1所述的利用可见光近红外光谱技术的土壤铅含量测量方法，其特征 在于，所述步骤Sl中采样点选取的标准是保证每个采样点土壤在Hyperion高光谱卫星影 像的一个纯净像元内。
4. 根据权利要求1所述的利用可见光近红外光谱技术的土壤铅含量测量方法，其特 征在于，所述步骤S2中土壤光谱测量采用ASDFieldSpeC3地物光谱仪，测量波谱范围为 350-2500nm。光谱仪使用前需要用白板校零。
5. 根据权利要求1所述的利用可见光近红外光谱技术的土壤铅含量测量方法，其特征 在于，所述步骤S5中建立可见光近红外光谱与土壤铅含量参考值之间的校正模型评价指 标是相关系数R2和均方误差MSE，计算公式如下：
均值。
【文档编号】G01N21/359GK104502288SQ201410740558
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】吕杰 申请人:西安科技大学