一种基于高光谱遥感的土壤重金属铬污染阈值诊断方法

本发明涉及土壤重金属监测的，尤其是涉及一种基于高光谱遥感的土壤重金属铬污染阈值诊断方法。

背景技术：

1、传统的土壤重金属监测方法，需要精细的空间采样间隔和对样本高精度的化学分析，存在着耗时费力、周期长等缺点，无法满足大范围的环境污染信息监测需求。近年来，高光谱遥感技术因快速高效、无损无污染等特点被广泛应用在土壤重金属监测中，通过现场采样、化学分析、建模出图等过程获取研究区域的土壤重金属分布情况，为重金属污染溯源、环境质量监测、农业生产管理、生态治理修复等方面提供支持，也是政府部门开展土壤环境治理、粮食安全保障的重要前提。

2、但由于土壤重金属含量较低，光谱响应不明显，且电磁遥感信号获取过程中会受到外界及仪器自身的干扰而产生噪声，这些因素都会影响土壤光谱重金属特征的提取，进而影响土壤重金属含量反演结果。且目前基于高光谱遥感技术的土壤重金属监测方法需要反演后才能掌握研究区域的重金属分布情况，无法实现快速有效的土壤重金属监测。

技术实现思路

1、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的一种基于高光谱遥感的土壤重金属铬污染阈值诊断方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种基于高光谱遥感的土壤重金属铬污染阈值诊断方法，其特征在于，方法包括以下步骤：

4、s1、获取土壤样本；

5、s2、对土壤样本进行预处理，并配置铬化合物溶液，按照梯度添加至土壤样本，得到不同含量的土壤铬污染样本，获取土壤铬污染样本的光谱数据；

6、s3、进行经验模态分解，从光谱中分离出多个固有模态函数分量，计算每个分量的共轭光谱，基于固有模态函数分量和对应的共轭光谱构造解析光谱，得到固有模态函数分量的瞬时振幅和瞬时频率，形成瞬时振幅-波长曲线；

7、s4、分析不同含量的土壤铬污染样本对应的瞬时振幅-波长曲线，得到土壤重金属铬阈值，基于阈值和对应的固有模态函数分量的瞬时振幅-波长曲线对土壤重金属污染进行诊断。

8、进一步地，解析光谱为：

9、

10、其中，s(k)为固有模态函数分量，m(k)为共轭光谱，a(k)为解析光谱的瞬时振幅，a(k)与固有模态函数分量的瞬时振幅对应，为解析光谱的瞬时相位，与固有模态函数分量的瞬时相位对应。

11、进一步地，共轭光谱基于固有模态函数分量的希尔伯特变换得到。

12、进一步地，解析光谱的瞬时相位为：

13、

14、固有模态函数分量的瞬时频率为：

15、

16、其中，ω(k)为固有模态函数分量的瞬时频率。

17、进一步地，s4的分析瞬时振幅-波长曲线的具体过程为：

18、选择不同含量的土壤铬污染样本对应的固有模态函数分量对应的瞬时振幅-波长曲线，将曲线根据形状分为两类，若对于同一序号的固有模态函数分量，函数分量对应的两类曲线之间存在分界线，则将分界线处的土壤重金属含量n作为土壤重金属铬阈值，同时输出对应的固有模态函数分量的序号，其中，存在分界线表示分界线的一侧为一类形状的曲线，分界线的另一侧为另一类形状的曲线。

19、进一步地，曲线的形状分为呈凸起趋势，和呈凹下或单调上升趋势两类。

20、进一步地，进行经验模态分解，从光谱中分离出多个固有模态函数分量的具体步骤为：

21、a1、先将光谱x(k)作为原始信号；

22、a2、提取原始信号的所有局部最大值和最小值点，然后使用三次样条插值方法对最大值和最小值点进行拟合，形成最大包络线和最小包络线，然后计算原始信号与最大、最小包络线的均值之差得到新的信号，检查新的信号是否满足固有模态函数条件，若不满足，则重复a2，直至满足固有模态函数条件，最后得到满足条件的信号y1(k)，作为第一个固有模态函数分量imf1；

23、a3、然后计算剩余信号，将剩余信号作为新的原始信号，重复a2和a3，直至剩余信号为单调函数曲线。

24、进一步地，固有模态函数条件为：新的信号的最大、最小包络线的均值趋近于0，新的信号的极值点数量与过0点数量相差不超过1个。

25、进一步地，对土壤样本进行预处理具体为：将土壤样本放在阴凉处自然风干，研磨后过筛。

26、进一步地，在光学暗室通过地物光谱仪获取土壤铬污染样本的光谱数据。

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、本发明考虑到传统土壤重金属监测需要高密度土壤采样、化学分析等步骤，耗时费力、周期长，因此利用高光谱遥感技术，结合频率域变换方法，识别土壤重金属微小光谱差异，建立一种仅利用土壤样本光谱，就能够实现土壤重金属的污染阈值诊断。本发明具有数据获取简便快捷、成本小，操作周期短、效率高等优点，实现大范围土壤重金属污染的快速诊断，为土壤环境质量监测奠定基础。

技术特征：

1.一种基于高光谱遥感的土壤重金属铬污染阈值诊断方法，其特征在于，方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于高光谱遥感的土壤重金属铬污染阈值诊断方法，其特征在于，解析光谱为：

3.根据权利要求2所述的一种基于高光谱遥感的土壤重金属铬污染阈值诊断方法，其特征在于，共轭光谱基于固有模态函数分量的希尔伯特变换得到。

4.根据权利要求3所述的一种基于高光谱遥感的土壤重金属铬污染阈值诊断方法，其特征在于，解析光谱的瞬时相位为：

5.根据权利要求1所述的一种基于高光谱遥感的土壤重金属铬污染阈值诊断方法，其特征在于，s4的分析瞬时振幅-波长曲线的具体过程为：

6.根据权利要求5所述的一种基于高光谱遥感的土壤重金属铬污染阈值诊断方法，其特征在于，曲线的形状分为呈凸起趋势，和呈凹下或单调上升趋势两类。

7.根据权利要求1所述的一种基于高光谱遥感的土壤重金属铬污染阈值诊断方法，其特征在于，进行经验模态分解，从光谱中分离出多个固有模态函数分量的具体步骤为：

8.根据权利要求7所述的一种基于高光谱遥感的土壤重金属铬污染阈值诊断方法，其特征在于，固有模态函数条件为：新的信号的最大、最小包络线的均值趋近于0，新的信号的极值点数量与过0点数量相差不超过1个。

9.根据权利要求1所述的一种基于高光谱遥感的土壤重金属铬污染阈值诊断方法，其特征在于，对土壤样本进行预处理具体为：将土壤样本放在阴凉处自然风干，研磨后过筛。

10.根据权利要求1所述的一种基于高光谱遥感的土壤重金属铬污染阈值诊断方法，其特征在于，在光学暗室通过地物光谱仪获取土壤铬污染样本的光谱数据。

技术总结
本发明涉及一种基于高光谱遥感的土壤重金属铬污染阈值诊断方法，方法包括以下步骤：S1、获取土壤样本；S2、对土壤样本进行预处理，获取土壤铬污染样本的光谱数据；S3、进行经验模态分解，计算每个分量的共轭光谱，构造解析光谱，得到固有模态函数分量的瞬时振幅和瞬时频率，形成瞬时振幅‑波长曲线；S4、分析瞬时振幅‑波长曲线，得到土壤重金属铬阈值，基于阈值和其对应的固有模态函数分量的瞬时振幅‑波长曲线对土壤重金属污染进行诊断。与现有技术相比，本发明具有数据获取简便快捷、成本小，操作周期短、效率高等优点。

技术研发人员：谭琨,陈力菡,王雪,潘琛,辛亮
受保护的技术使用者：华东师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16