【摘要】：土壤不僅供給植物生長必需的營養(yǎng)元素,同時也為一些動物及微生物提供生存環(huán)境。因此,土壤不僅是地理環(huán)境統(tǒng)一體的組成要素,也是一個地區(qū)生態(tài)環(huán)境的重要組成部分�！笆澄镦湣崩碚搶ⅰ耙匀藶楸尽钡恼卧瓌t,“民以食為天”的坊間俗成最終都演繹至土壤。以土壤為對象的研究包括方方面面,最為人類關(guān)心的莫過于土壤中各種元素,包括對人類有益或是有害的。近年來隨著經(jīng)濟化、城鎮(zhèn)化的迅速發(fā)展,由人類活動造成的土壤重金屬污染對人類身體健康構(gòu)成嚴重威脅。珠三角土壤重金屬鎘污染治理迫在眉睫,土壤鐵元素作為亞熱帶地區(qū)代表性土壤元素,不僅能夠影響重金屬鎘對氨基酸、蛋白質(zhì)及各種對應酶的合成,作為土壤鎘污染修復原料,其含量多少也會使植物產(chǎn)生不良性狀。因此本文整理分析了近20年土壤重金屬反演研究,探索了快速獲取實時土壤鐵含量的反演方法。因為點位信息難以表達研究區(qū)域面域信息,因此最后利用不同的插值方法對珠三角土壤鐵進行插值驗證,繪制了研究區(qū)土壤鐵的空間分布圖。傳統(tǒng)土壤元素的測定是野外采樣結(jié)合實驗室測量需耗費巨大的人力物力及財力,完成周期長,具有較強的破壞性,且投入產(chǎn)出比較低,無法滿足當下人類追求的實時快速精準的要求。高光譜遙感具有波段范圍廣,信息連續(xù)性強,無破壞性,分析速度快等特性。該技術(shù)的出現(xiàn),為快速精準的獲取實驗結(jié)果提供了可能。文章主要分為三部分,第一部分主要是資料的收集分析。通過對近二十年光譜反演土壤重金屬的研究整理分析,發(fā)現(xiàn)研究一般采用間接反演的方式;與土壤重金屬相關(guān)性較好的土壤元素主要為有機質(zhì)和土壤鐵·,光譜的處理對于反演模型精度具有顯著的影響,多數(shù)研究認為一階微分效果最好,但仍有研究不支持這一結(jié)論,實際研究中仍需具體情況具體對待。第二、三部分主要是研究性分析。第二部分利用珠三角水稻土采樣點對土壤鐵含量快速光譜反演模型進行了探索。數(shù)據(jù)處理包括對原始反射光譜平滑去噪處理,依據(jù)Rank-KS劃分法將原始光譜分為預測集及驗證集,預測集經(jīng)光譜預處理提取特征波段作為多元線性,偏最小二乘,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及支持向量機反演方法的輸入?yún)?shù)。結(jié)果表明,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的模型為最佳模型,光譜經(jīng)微分處理后與土壤鐵相關(guān)性顯著提高,珠三角土壤鐵的特征光譜波段主要集中404、574、784、854以及1204 nm波段附近,其中又以854nm最為顯著。第三部分根據(jù)珠三角土壤鐵的實測值對整個珠三角研究區(qū)進行插值,驗證各種插值方法的插值效果,分析土壤鐵含量的空間分布特征。驗證方法選擇交叉驗證及獨立樣本驗證。結(jié)果插值效果較好的為反距離加權(quán),普通克里格,徑向基插值及簡單克里格。插值結(jié)果表明,研究區(qū)內(nèi)土壤鐵含量由珠三角入口向四周逐漸降低。通過計算不同局部變異系數(shù)(CV)范圍的均值相對誤差(RMSE),發(fā)現(xiàn)當CV大于0.07時,任何插值方法效果都很差,但在0.04～0.07范圍內(nèi),徑向基插值法能夠突出局部變異特征。
【圖文】：

２邋土壤重金屬光譜反演概論逡逑利用反射高光譜反演土壤重金屬含量的主要手段包括直接反演和間接反演兩種方逡逑式，基本流程見圖２－１。利用高光譜影像能夠?qū)崿F(xiàn)土壤重金屬的定量反演，鑒于高光譜逡逑影像獲取費用較高，所以研究者多選擇土壤光譜數(shù)據(jù)［５２］�；诟吖庾V遙感的有機質(zhì)，土逡逑壤碳，含水率等土壤組分的反演手段已經(jīng)成熟［５３］。與土壤成分反演類似，土壤重金屬含逡逑量的直接反演包括反射光譜預處理、分析預處理光譜與土壤重金屬含量之間的相關(guān)性，逡逑提取特征光譜波段構(gòu)建反演模型、根據(jù)模型評價標準選擇最優(yōu)的反演模型，最后利用最逡逑佳反演模型預測研究區(qū)土壤重金屬含量。通過土壤重金屬含量與高光譜數(shù)據(jù)之間的相關(guān)逡逑性建立的反演模型為直接反演，該方法主要應用于污染嚴重或重金屬含量較高的特定區(qū)逡逑域［５４］，如煤礦［５５］，冶煉廠％］等，不具有普適性。逡逑－８－逡逑

圖２－３不同土壤重金屬元素反演方法統(tǒng)計逡逑Ｆｉｇ．邋２－３邋Ｓｕｍｍａｒｙ邋ｏｆ邋ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ邋ｍｅｔｈｏｄｓ邋ｏｆ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｓｏｉｌ邋ｈｅａｖｙ邋ｍｅｔａｌｓ逡逑觀察分析表２－２，，圖２－２及圖２－３可知，偏最小二乘是目前普遍采用的反演方法，為逡逑追求更高的反演精度，近年來基于機器語言的反演方法逐漸進入該領(lǐng)域，具體包括以逡逑最小二乘為基礎(chǔ)的偏最小二乘支持向量機［５６］、偏最小二乘遺傳算法［６５＼序列最小優(yōu)化逡逑持向量機［８７］、隨機森林及超限學習機［９（）］等。逡逑具體研究中，Ｓｏｎｉａ等認為偏最小二乘能夠較好的預測鉛和鋅的污染水平，鉻的精逡逑次之［６Ｇ］。Ｍｏｒｅｓ等基于土壤可見－近紅外和中紅外反射光譜，建立偏最小二乘回歸，實現(xiàn)了對河灘土壤中砷、鎘、銅、鉛和鋅元素污染水平的定量監(jiān)測，其回歸系數(shù)逡逑別為０．９２、０．７６、０．８５、０．８８和０．７７［９１］。葉元元對土壤重金屬砷和鉛建立了多種定量逡逑－１２－逡逑
【學位授予單位】：山西農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：S153.6;X144

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本文編號：2678274