發(fā)布時間：2020-06-07 02:00

【摘要】：土壤是人類賴以生存、發(fā)展和文明的基礎,不僅是地球的重要自然資源之一,還是整個生態(tài)系統(tǒng)的生命線。煤炭資源的大規(guī)模開發(fā),會對土壤造成嚴重的重金屬污染,進而引起土壤退化、水體污染和植被受損等一系列環(huán)境問題,甚至威脅到人類的生命安全,而反過來又會制約社會經(jīng)濟的發(fā)展。所以,對土壤重金屬污染做到快速、實時監(jiān)測和預警,是當前礦區(qū)環(huán)境保護工作的急迫任務。由于傳統(tǒng)的野外土壤采集和室內(nèi)化學分析工作費時費力,不適合對土壤重金屬污染進行大面積、快速監(jiān)測。遙感技術特別是高光譜遙感技術的發(fā)展,為實現(xiàn)對土壤重金屬污染的大面積、實時監(jiān)測和預警提供了新的途徑。 針對煤炭資源開發(fā)利用過程中引發(fā)的環(huán)境污染問題,本研究以新疆準東煤田五彩灣露天礦區(qū)為靶區(qū),以土壤環(huán)境作為切入點,揭示礦區(qū)土壤重金屬(Hg、As、Cu、Ni、 Cr、Pb和Zn)污染的規(guī)律和識別重金屬污染的來源,探討利用高光譜遙感技術實現(xiàn)對礦區(qū)土壤重金屬含量定量估算的可行性,并嘗試模擬星載多光譜傳感器預測土壤重金屬含量。本研究主要得出以下結(jié)論： (1)土壤重金屬元素空間分布特征分析表明：7種重金屬元素的空間自相關性低；在空間分布趨勢上各元素間存在著明顯差異,但大體上南部靠近沙漠地帶比北部卡拉麥里山區(qū)含量低,中部(礦區(qū)及周邊)含量高；重金屬在礦區(qū)的分布變化大,具有很強的隨機性,受到人類活動的影響非常強烈。 (2)土壤重金屬污染評價顯示：Hg有78%的樣點受到不同程度污染,其中極強度污染的樣點數(shù)占到了10%,表層土壤Hg污染最嚴重：As的所有樣點都被輕、中度污染；Pb和Cr有約10%樣點被輕微污染；Zn在有一個樣點受到輕微污染；Cu和Ni未受到污染。重金屬污染來源主要為粉塵、污水、煤堆和矸石、煙塵等。 (3)礦區(qū)土壤的可見光-近紅外(、VNIR,350～2500nm)反射率光譜與熱紅外(TIR,8-13μm)發(fā)射率光譜特征存在明顯區(qū)別,主要受水分、有機質(zhì)、鐵氧化物、粘土礦物和土壤質(zhì)地等影響。由于有機質(zhì)、鐵氧化物和粘土礦物等具有富集重金屬的能力,這就從機理上解釋了利用遙感技術反演土壤重金屬含量的原理。VNIR反射率光譜和TIR發(fā)射率光譜與土壤重金屬含量的相關性都比較低,通過不同形式的光譜變換后,相關性有明顯提高。 (4)通過多元逐步回歸(SMLR)分析,土壤原始光譜及其不同變換形式與7種重金屬含量建模精度均不高；而采用最佳變換形式的VNIR-TIR組合光譜,對于SMLR和偏最小二乘回歸(PLSR)兩種方法的建模效果均有所提高,從預測決定系數(shù)和均方根誤差看：對于Ni來說采用SMLR方法建模效果好,而Hg、As、Cu、Cr、Pb和Zn6種元素均為PLSR方法較優(yōu)。可見,通過對原始光譜進行變換處理、選擇最佳變換形式進行VNIR和TIR光譜組合、嘗試不同的建模方法,都可能提高對土壤重金屬含量的預測精度。 (5)用支持向量機(SVM)分類方法對Hg的污染等級進行分類,基于VNIR-TIR組合光譜進行分類研究,結(jié)果表明：已污染土壤可以達到100%正確分類,無污染土壤分類精度為90.91%；輕中度污染土壤可以全部正確識別,而強污染土壤有可能被輕視,無污染土壤也可能被誤判為已污染�？梢�,利用VNIR和TIR兩種高光譜的組合,實現(xiàn)對土壤重金屬污染等級的劃分是可行的。 (6)通過對OLI-TIRS和ASTER星載多光譜傳感器波段模擬進行土壤重金屬含量預測,效果欠佳,而在實際應用時還會存在諸多因素的影響,很難實現(xiàn)對土壤重金屬含量的定量估算,應該尋求其他更高光譜分辨率的遙感數(shù)據(jù)。 本研究從方法上探討了對土壤重金屬含量的高光譜遙感監(jiān)測技術,為今后土壤重金屬污染大面積、低成本、實時監(jiān)測及預警提供技術方法,為礦區(qū)環(huán)境管理和保護工作提供決策建議,并促進高光譜遙感技術的發(fā)展和應用。
【圖文】：

阜康市、吉木薩爾縣、奇臺縣、木壘縣、烏魯木齊市均為一級公路或高等級公路，，外部交通條件方便順暢，如圖2.1所示。ncr ir \「'v 4) ^"一"1I—區(qū) I 1 N L ； b>~ILJ L .圖2.1五彩灣礦區(qū)交通位置圖20

區(qū)南部的古爾班通古特沙漠分布著荒漠風沙土 ；卡拉麥里山山前地帶與南部沙漠交錯帶分布著鹽堿土（結(jié)殼鹽土、荒漠堿土)。圖2.2為準東區(qū)域土壤類型分布圖，各類土壤23
【學位授予單位】：新疆大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：X87;X53

【參考文獻】

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本文編號：2700645