一种关闭矿山复垦场地重金属元素室内光谱分层测量方法与流程

1.本发明涉及光学技术与资源环境技术领域，具体的涉及一种关闭矿山复垦场地重金属元素室内光谱分层测量方法。


背景技术：

2.由矿区复垦场地充填物料来源广泛，大多数是由煤矸石、粉煤灰、生活垃圾构成，在进行矿区充填复垦时将大量污染物带入场地，进而通过食物链危害人体安全。由于矿区复垦土壤是人工土壤，土壤剖面构成包括表土、心土、底土和充填物料层等，与正常土壤剖面构成不同。正常土壤在表土以下的有毒有害元素含量相对较小，而矿区复垦土壤由于其组成的特殊性(由前述充填物料构成)，表土以下的填充层(20-60cm)的有毒有害元素有可能较高，构成潜在生态风险。
3.传统的污染土壤有毒有害元素监测方法一般以物理、化学和生物的方法为主。化学分析方法和物理分析方法虽然可以获得监测对象瞬时的污染信息，但需要破坏性的取样，监测范围有限且耗资较多费时费力；生物监测方法可以监测污染对象的长期生态效应，但由于其自身特性，需要调查结果必须具有较高的精度和准确度，这一要求在常规的实验操作中很难达到且不具有大面积推广特性。此外，现有的利用野外实测土壤光谱数据进行土壤有毒有害元素估测的办法由于受野外光照、温度、湿度等干扰，精度往往较低，此外，利用野外便携式光谱仪进行土壤高光谱数据采集也仅限于表土(20cm以内)，很难针对土壤不同分层的有毒有害元素进行测算，且由于矿区复垦场地面积较大，不能以网格化的取样方式对矿区复垦场地面进行多点取样并将检测到重金属含量的信息以分布图的形式展现出来，从而不便于人们对矿区复垦场地的利用，故而，亟需一种可有效且快速对土壤中重金属的进行检测以及对重金属的位置以及含量进行全方位展示的方法。


技术实现要素：

4.1.要解决的技术问题
5.本发明的目的在于提供一种关闭矿山复垦场地重金属元素室内光谱分层测量方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.2.技术方案
7.为解决上述问题，本发明采取如下技术方案：
8.一种关闭矿山复垦场地重金属元素室内光谱分层测量方法，包括以下步骤：
9.s1、构建矿山复垦场地对重金属元素空间分布的分析模型，采用地理空间回归中的多元逐步回归模型分析土壤中的重金属，并采用最小二乘归模型分析土壤中的重金属含量；
10.s2、对矿山复垦场地进行gis网格化，并对每个网格化区域内多个深度的土壤同时进行采样；
11.s3、高光谱数据采集：于暗室中利用高光谱仪对s2中采集的样本进行分层采集并
得到土壤的高光谱数据；
12.s4、高光谱数据预处理：对采集的原始光谱数据进行背景去除、去噪声、断点修正、平滑处理、标准正态变量变换、光谱微分技术以及连续统去除等处理；
13.s5、参考值测定：按照标准分析方法分层测定建模土壤样品中有毒有害元素含量；
14.s6、将所获得的土壤中重金属检测的数据代入逐步回归和最小二乘归模型，并对土壤重金属含量以及地理信息进行分析，同时对矿山复垦场地中重金属元素的统计特征和空间变异性进行分析，再采用arcgis和gs 空间分析模块，绘制整个矿山复垦场地中重金属元素的总体含量分布图。
15.进一步地，所述s2中采集的土壤依据混合土样的采集、特殊土样的采集的原则，确定建模样品的采样单元、样点数以及采样剖面。
16.进一步地，所述s2中每个样点划分为0cm、20cm、40cm、界面层35-55cm、60cm或以下共五个土层。
17.进一步地，所述s2中采用四分法取土，并分层装样。
18.进一步地，记录所述s2中样品采集的时间、采集地点的gis网格信息。
19.3.有益效果
20.1、本发明和传统的以物理、化学和生物的方法为主测定矿区复垦土壤有毒有害元素相比，本发明更具有节约成本、省时、快速、动态的优势；且与一般的利用野外实测土壤光谱数据进行土壤有毒有害元素估测的办法相比较具有精度更高、监测更具有针对性的优势，能够测定不同分层的矿区复垦土壤的有毒有害元素；另外通过该技术，可以高效、动态、具有针对性的测算矿区复垦土壤有毒有害元素，为土壤污染治理、土壤的利用提供有效的数据。
21.2、本发明中采用自建的数学模型、计算机系统，利用采样点检测数据，结合外部获取的多目标地球化学调查和遥感数据，以多元逐步回归和最小二乘回归模型分析检测到的重金属元素的空间分布特征，并得到准确的重金属元素的空间分布特征结果，以此有利于人们对矿区复垦土壤的治理和利用。
22.3、本发明通过对矿山复垦场地的gis网格化，以及通过网格式的采样方法，克服现有采样点区域小、样本数量有限、数据格式不统一的不足。
附图说明
23.图1为本发明的工作流程图.
24.图2为矿区复垦土壤剖面与正常土壤剖面实物图；且图中a为粉煤灰充填复垦土壤剖面，b为煤矸石充填复垦土壤剖面，c为正常土壤剖面。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
26.实施例
27.一种关闭矿山复垦场地重金属元素室内光谱分层测量方法具体应用在矿区复垦土壤表土中镉含量的检测，具体包括以下步骤：
28.s1、构建矿山复垦场地对重金属元素空间分布的分析模型，采用地理空间回归中
的多元逐步回归模型分析土壤中的重金属，并采用最小二乘归模型分析土壤中的重金属含量；
29.s2、对矿山复垦场地进行gis网格化，并对每个网格化区域内多个深度的土壤同时进行采样；采集的土壤依据混合土样的采集、特殊土样的采集的原则，确定建模样品的采样单元、样点数以及采样剖面，所述s2中每个样点划分为0cm、20cm、40cm、界面层35-55cm、60cm或以下共五个土层；在本实施例中选取矿区复垦场地中20个样点的表层土壤(0-20cm)，将采集的土样混匀后用四分法缩分至约100g。缩分后的土样经自然风干，并除去土样中石子和动植物残体等异物，经玛瑙棒碾压通过2mm尼龙筛(除去2mm以上的砂砾)后混匀。再用玛瑙研钵将通过2mm尼龙筛的土样研磨至全部通过100目(孔径0.149mm)的尼龙筛，混匀后备用；记录上述样品采集的时间、采集地点的gis网格信息；
30.s3、高光谱数据采集：将s2中采集的样本分别放置于直径12cm、深118cm的盛样皿内，其次在暗室中通过高光谱仪对土壤样本进行分层采集并得到土壤的高光谱数据，且土壤在采集，采用光源是功率为1000w的卤素灯，距土壤样品表面100cm，天顶角30
°
，提供到与样本几乎平行的光线，用于减小粗糙度造成阴影的影响；采用8
°
视场角的传感器探头置于离样本表面15cm的垂直上方；测试之前先去除辐射强度中暗电流的影响，然后以白板进行定标；每个样本采集10条光谱曲线，算术平均后得到该土样的实际反射光谱数据，另外上述高光谱仪采用的是美国分析光谱设备(asd)公司生产的fieldspec 3型光谱仪(不仅限于本仪器)，可以获取350-2500nm波长范围内地物光谱曲线，在350-1000nm波长范围内光谱分辨率为3nm，采样间隔为1.4nm，在1000-2500nm波长范围内光谱分辨率为10nm，采样间隔为2nm；
31.s4、高光谱数据预处理：对采集的原始光谱数据进行背景去除、去噪声、断点修正、平滑处理、标准正态变量变换、光谱微分技术以及连续统去除等处理；
32.s5、参考值测定：按照标准分析方法分层测定建模土壤样品中有毒有害镉元素的含量，如表1所示：
33.表1为矿区复垦场地表层土壤的镉含量
[0034][0035]
s6、将所获得的土壤中重金属检测的数据代入逐步回归和最小二乘归模型，并对土壤重金属含量以及地理信息进行分析，同时对矿山复垦场地中重金属元素的统计特征和空间变异性进行分析，再采用arcgis和gs 空间分析模块，绘制整个矿山复垦场地中重金属元素的总体含量分布图。
[0036]
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求范围内。