专利名称：围垦地土壤重金属污染综合评价图生成方法
技术领域：
本发明涉及一种环境监测相关技术，尤其是涉及一种围垦地土壌重金属污染综合评价图生成方法。
背景技术：
上海地区围垦地土壌为盐溃土土壌，是由江河搬运泥沙与海水顶托，以及海流、潮汐、波浪等因素共同作用下的盐溃淤泥所形成，呈条带状分布在沿海及河口沿江地段，在分布和形成上属于滨海盐土类型。此类型土壌碱性大，质地粘重，有机质含量不高，而盐分含量很高。由于海滩开发的特殊性，其空间分布主要受排污ロ、围垦、潮滩位置和土壌粘土含量的影响，不仅空间变异大，时间上的变化也快。滩涂湿地土壤受重金属污染十分严重，带 来了严重的生态风险。土壌重金属污染不仅影响农业的可持续发展而且会导致环境恶化、危害人体健康。近年来土壌重金属污染已日趋严重，尤其是在城市郊区的高投入的农田，因此进行围垦地土壌的重金属污染综合评价对当地的环境监管与治理具有极其重要的意义。围垦地土壌重金属的分布受到诸多因素的影响，作为区域变量，其变异性中的确定性部分不是常量，而是随空间分布的，因而地统计方法结合GIS技术在土壌重金属污染调查预测中有广泛的应用。借助地统计方法可实现基于采样点土壤样本的观测数据推测其周围未采样点土壤样本的相关特征，将不连续的点状数据形成连续的面状区域，以描述整个研究区域的土壌空间变异特征。在GIS的支持下，结合重金属的污染综合评价，可实现土壤重金属污染综合评价的可视化表达。现有的对土壤重金属含量的预测方法主要采用被称为最佳线性估值过程的泛克里格法(Universal Kriging,简称UK)。但在对具体插值模型的选择方面，缺乏对采样点土壌样本观察数据空间自相关性及向异性等空间特征的详细分祈，对大样本的插值过程缺乏整理和筛选，特别是对离群值的分析讨论及相关处理，使得预测结果的准确性大打折扣。因为土壤重金属空间变异特征分析或污染综合评价时常会伴随ー对矛盾一方面，离群值对样本统计量的估计会造成一定的影响，样本越小影响越大，它使空间变易參数更难确定，甚至连空间自相关性也观察不到，预测结果的可靠性和精度受到极大的影响；另一方面，离群值又是反应局部污染状况的重要信息，尤其在采样密度较低的情况下，由于对污染指标的预测从某种意义上讲就是为了对这些污染区域的预测，这些离群值的价值就等同于研究价值了。如何处理离群值，是保留离群值以确定污染区域，还是剔除离群值以此估测重金属含量的空间变异规律就成为更准确估测重金属污染状况必须面对的问题。经过对现有技术的检索发现，刘庆等在《安全与环境学报》(2007,7(2) =109-113)上发表“基于GIS的农田土壌重金属空间分布研究”该研究在数据预处理上采用对数变换，当数据符合正态分布能满足变异函数的计算就进行插值计算，没有详细分析采样点土壤样本观测数据的空间特征，特别是离群值的作用，这样在插值过程中特异值或离群值的影响比较显著，预测结果的精度也会受到影响。由于围垦土重金属污染受海水侵蚀、土地利用类型及人类活动的影响，其空间变异特征明显，特别是较强的向异性和各类离群值，直接影响重金属含量插值模型尺度及相关参数的选择，从而也与土壤重金属预测紧密相关。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够提高围垦地土壤重金属污染预测评价的精度和准确性的围垦地土壤重金属污染综合评价图生成方法。 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现一种围垦地土壤重金属污染综合评价图生成方法，该方法包括以下步骤I)获取待测围垦地的采样点土壤样本；2)对上述采样点土壤样本的重金属元素含量数值进行数据预处理，分别获得各重金属兀素的拟插值子样本；3)对拟插值子样本进行探索性空间数据分析处理，获得采样点土壤样本的各向异性参数、步长和步数；4)对采样点土壤样本重金属元素含量数值进行函数拟合，获得适用于重金属元素含量插值的理论半方差函数模型；5)利用包括局域离群值的采样点进行空间变异预测结果分布图的绘制；6)重金属污染综合评价图的生成首先计算各重金属元素的污染指数，然后计算多因子综合污染指数，根据分类标准生成重金属污染综合评价图。所述的步骤2)中的数据预处理具体为2. I)通过重金属元素含量数值的偏峰度计算及检验，考察其是否符合标准正态分布条件Htl，若符合标准正态分布条件Htl，则进行步骤3);否则，执行步骤2. 2)；2. 2)计算样本均值μ、标准差O ,去除区间(μ -I. 96 O，μ +1. 96 σ )以外的值后再次执行步骤2. I)，若符合标准正态分布条件Htl则进行步骤3)，否则执行步骤2. 3)；2. 3)对采样点土壤样本的数据进行对数变换，再次执行步骤2. 2)，重新计算变换后样本的μ和σ，若符合标准正态分布条件Htl则进行步骤3)，否则执行步骤2. 4)；2. 4)反复执行步骤2. 3)，若符合标准正态分布条件Htl则进行步骤3)，否则采用Box-Cox变换后再执行步骤2. 2)，若不符合标准正态分布条件H0,则停止计算，重新返回步骤I)，否则执行步骤3)。所述的符合标准正态分布条件Htl是指重金属元素含量数值的三阶矩gl和四阶矩g2满足如下式的条件时，表明数据为标准正态分布
权利要求
1.一种围垦地土壤重金属污染综合评价图生成方法，其特征在于，该方法包括以下步骤 1)获取待测围垦地的采样点土壤样本； 2)对上述采样点土壤样本的重金属元素含量数值进行数据预处理，分别获得各重金属元素的拟插值子样本； 3)对拟插值子样本进行探索性空间数据分析处理，获得采样点土壤样本的各向异性参数、步长和步数； 4)对采样点土壤样本重金属元素含量数值进行函数拟合，获得适用于重金属元素含量插值的理论半方差函数模型； 5)利用包括局域离群值的采样点进行空间变异预测结果分布图的绘制； 6)重金属污染综合评价图的生成首先计算各重金属元素的污染指数，然后计算多因子综合污染指数，根据分类标准生成重金属污染综合评价图。
2.根据权利要求I所述的一种围垦地土壤重金属污染综合评价图生成方法，其特征在于，所述的步骤2)中的数据预处理具体为 2. I)通过重金属元素含量数值的偏峰度计算及检验，考察其是否符合标准正态分布条件Htl,若符合标准正态分布条件Htl,则进行步骤3);否则，执行步骤2. 2)； 2.2)计算样本均值y、标准差O ,去除区间(y -I. 96 O，y +1. 96 o )以外的值后再次执行步骤2. I)，若符合标准正态分布条件Htl则进行步骤3)，否则执行步骤2. 3)； 2.3)对采样点土壤样本的数据进行对数变换，再次执行步骤2. 2)，重新计算变换后样本的ii和O，若符合标准正态分布条件H0则进行步骤3)，否则执行步骤2. 4)； 2.4)反复执行步骤2. 3)，若符合标准正态分布条件H0则进行步骤3)，否则采用Box-Cox变换后再执行步骤2. 2)，若不符合标准正态分布条件H0,则停止计算，重新返回步骤I)，否则执行步骤3)。
3.根据权利要求2所述的一种围垦地土壤重金属污染综合评价图生成方法，其特征在于，所述的符合标准正态分布条件Htl是指重金属元素含量数值的三阶矩gl和四阶矩g2满足如下式的条件时，表明数据为标准正态分布
4.根据权利要求2所述的一种围垦地土壤重金属污染综合评价图生成方法，其特征在于，所述的Box-Cox变换是指
5.根据权利要求I所述的一种围垦地土壤重金属污染综合评价图生成方法，其特征在于，所述的步骤3)中的探索性空间数据分析处理是指 . 3.I)计算拟插值子样本不同步长，即土壤样本点之间的距离下的半变异函数
6.根据权利要求5所述的一种围垦地土壤重金属污染综合评价图生成方法，其特征在于，所述的局域离群值是指采用给定步长1，将所有点对距离h的集合分为n组，当半方差值高于ii m+2. 33 O m,其中y m和o m分别为第m步时半方差值样本的均值和标准差，m =1,2,…，n，则记为离群半方差，并记录相应的点对；当n组离群半方差的相应点对中的一个点与5个以上离群半方差有关且这类点的个数小于总样本数的5%，那么这些点就被认为是局域离群值。
7.根据权利要求I所述的一种围垦地土壤重金属污染综合评价图生成方法，其特征在于，所述的步骤4)具体包括 . 4.I)选择半方差函数模型中的一种，基于最小块金效应原则分别计算分析不同步长所对应的基台值与块金值，通过绘制基台值-步长曲线和块金效应-步长曲线，将基台值平稳区间内的块金效应达到最小值时的步长作为插值的参数； . 4.2)针对半方差函数模型，选取插值获得的均方根误差最接近于0和均方根标准预测误差最接近于I的模型，由此获得最优的重金属元素含量空间插值模型，所述均方根误差为
8.根据权利要求7所述的一种围垦地土壤重金属污染综合评价图生成方法，其特征在于，所述的半方差函数模型包括圆形模型、球状模型、四球模型、五球模型、指数模型和高斯模型。
9.根据权利要求I所述的一种围垦地土壤重金属污染综合评价图生成方法，其特征在于，所述的步骤5)具体包括以下步骤根据重金属元素含量数值插值模型和包括离群值的采样点土壤样本对采样点土壤样本重金属元素含量数值进行克里格插值，获得土壤重金属含量的空间变异分布图，同时随机选取10%该采样点土壤样本中的重金属元素进行交叉验证，即通过插值模型计算其预测值，获得随机校验均方根误差和随机校验均方根标准预测误差。
10.根据权利要求I所述的一种围垦地土壤重金属污染综合评价图生成方法，其特征在于，所述的步骤6)具体包括以下步骤. 6. I)计算各重金属元素的污染指数A = XySi,式中，Pi为土壤中第i种金属的污染指数；Xi为土壤中第i种金属的实测浓度；Si为土壤中第i种金属的评价标准；. 6. 2)计算综合污染指数法进行区域重金属污染的综合评价
全文摘要
本发明涉及一种围垦地土壤重金属污染综合评价图生成方法，该方法包括以下步骤获取待测围垦地的采样点土壤样本；对土壤中重金属元素含量数值进行数据预处理，分别获得各重金属元素的拟插值子样本；对拟插值子样本进行探索性空间数据分析处理，获得采样点土壤样本的各向异性参数、步长和步数；对采样点土壤样本重金属元素含量数值进行函数拟合，获得适用于重金属元素含量插值的理论半方差函数模型；利用包括离群值的采样点进行空间变异预测结果分布图的绘制；对土壤重金属污染进行综合评价，依据相关标准生成土壤重金属污染综合评价图。与现有技术相比，本发明具有能够提高围垦地土壤重金属污染预测评价的精度和准确性等优点。
文档编号G01N33/24GK102636632SQ20121012495
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月25日 优先权日2012年4月25日
发明者张庆龙, 徐敬敬, 申广荣, 钱振华, 黄秀梅 申请人:上海交通大学