基于上海市城市樣帶土壤光譜特征及重金屬反演研究.pdf

1、當(dāng)今重金屬污染是社會所關(guān)注的熱點問題之一。與自然土壤相比，城市土壤受人類活動的強烈影響，其土壤性質(zhì)產(chǎn)生一定改變，是重金屬污染的源和匯。城市土壤中重金屬元素已有不同程度積累，并通過大氣、水體或食物鏈威脅人類健康。上海作為特大型的國際大都市，社會經(jīng)濟始終保持著高速增長，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)布局、能源消耗、土地利用、城市環(huán)境的變化程度和速度十分罕見。城市化高速發(fā)展背景下城市土壤污染問題已引起社會的關(guān)注，對于城市土壤重金屬污染開展調(diào)查、評估和修復(fù)是保

2、障城市安全的重要內(nèi)容。但傳統(tǒng)的土壤重金屬檢測方法主要以化學(xué)或生物方法為主，測量精度高、準(zhǔn)確性強，但監(jiān)測范圍有限，只能獲取瞬間信息，費時費力，有較強的破壞性以及滯后性等不足之處。高光譜遙感具有光譜分辨率高、波段連續(xù)性強、光譜信息量大等特點。光譜數(shù)據(jù)具有較高的光譜分辨率同時獲取連續(xù)的地物光譜圖像，逐漸成為獲取土壤特性以及重金屬污染量化數(shù)據(jù)的有效手段，并呈現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。本文選擇上海城市樣帶作為研究區(qū)域，實驗分析測定土壤反射光譜及土壤重

3、金屬數(shù)據(jù)，分析研究城市土壤光譜曲線特征，通過相關(guān)分析確定反演土壤重金屬的敏感波段，通過多遠(yuǎn)線性回歸和偏最小二乘法建立基于最佳敏感波段的土壤重金屬反演的光譜模型。主要研究結(jié)論如下:
　　(1)重金屬數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明，上海城市土壤重金屬超過上海土壤重金屬背景值，土壤重金屬已經(jīng)有一定程度的積累。土壤重金屬具有明顯的空間分異特征，主要呈島狀與條帶狀相結(jié)合的分布特征。重金屬相關(guān)分析結(jié)果表明多數(shù)土壤樣品被兩種以上的重金屬所污染，土壤Zn、Pb

4、、Cu具有同源性。
　　(2)土壤光譜曲線反射率總體呈上升趨勢，屬于緩斜型，大部分光譜曲線形態(tài)基本一致，反射率變化呈正相關(guān)性。對光譜曲線特征進行分析比較可知，徐匯區(qū)受人為影響較大，光譜反射率曲線離散程度較大。閔行區(qū)光譜反射率曲線離散程度較小，而奉賢區(qū)光譜反射率曲線離散程度適中。對不同土地利用類型下的光譜特征進行分析，農(nóng)業(yè)用地、工業(yè)用地、居住用地、綠化用地中，居住用地光譜反射率曲線離散程度最大。相同土地利用類型下土壤光譜反射率曲線走

5、勢相同，反射率變化區(qū)間差異較小。光譜反射率在空間分布上整體呈條帶狀分布，由研究區(qū)中間區(qū)域向東西兩側(cè)遞減變化。
　　(3)對土壤重金屬與原始光譜的六種光譜變換數(shù)據(jù)進行了相關(guān)分析，Cu與平方根、一階變換數(shù)據(jù)與二階變換數(shù)據(jù)相關(guān)性較高。Cr與連續(xù)統(tǒng)去除、一階變換數(shù)據(jù)、二階變換數(shù)據(jù)的相關(guān)性較高。Mn與連續(xù)統(tǒng)去除、一階變換數(shù)據(jù)、二階變換數(shù)據(jù)的相關(guān)性較高。Pb與連續(xù)統(tǒng)去除、一階變換數(shù)據(jù)、二階變換數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)性較高。Zn與倒數(shù)、倒數(shù)的對數(shù)、一階變換

6、數(shù)據(jù)、二階變換數(shù)據(jù)相關(guān)性較高。相關(guān)性分析結(jié)果表明，一階變換數(shù)據(jù)與二階變換數(shù)據(jù)在很大程度上提高了光譜與重金屬之間相關(guān)性，將某些原始光譜數(shù)據(jù)的不明顯特征放大。利用一階變換數(shù)據(jù)與二階變換數(shù)據(jù)進行主成分分析以及建立重金屬含量估測模型是合理的。所以通過微分變換技術(shù)來了解光譜的敏感波段是必要的。
　　(4)通過主成分分析，提取11個主成分代表光譜一階數(shù)據(jù)變換的主導(dǎo)因素。提取14個主成分代表光譜二階數(shù)據(jù)變換的主導(dǎo)因素。提取的信息能真正反映事物特

7、征和規(guī)律的綜合指標(biāo)，簡化數(shù)據(jù)以及剔除重復(fù)的數(shù)據(jù)，所以在相對低維的空間中做數(shù)據(jù)的分析是必要的。
　　(5)多元線性回歸與偏最小二乘法進行模型的擬合，由R2以及均方根誤差對比分析得出:對于五種重金屬元素，除Mn外，Cu、Cr、Zn、Pb四種重會屬元素的模型預(yù)測效果較好的是偏最小二乘回歸模型。所以通過不同的方法建立適合的模型，可以提高模型的預(yù)測效果以及光譜數(shù)據(jù)對土壤重金屬的反演精度。經(jīng)過模型的建立以及參數(shù)的比較，偏最小二乘法擬合程度優(yōu)于