付萍杰

山東建筑大學測繪地理信息學院，山東 濟南 250101

土壤是人類生存環(huán)境的重要載體，土壤重金屬污染問題一直備受關(guān)注。隨著可見光-短波紅外(VNIR-SWIR)高光譜和X-射線熒光(XRF)技術(shù)的發(fā)展，因其具有光譜信息量大、高效便利、可無損監(jiān)測等的優(yōu)勢，在土壤重金屬濃度監(jiān)測中取得了越來越多的成果?？偨Y(jié)其應(yīng)用成果來看，只能借助光譜域變換反演土壤Cu、Pb濃度，鮮有對Cu、Pb污染土壤光譜從頻率域角度進行局部細節(jié)信息的深入挖掘。

論文通過向土壤中添加不同量的膽礬CuSO4·5H2O(硝酸鉛Pb(NO3)2)設(shè)計了不同Cu、Pb濃度的土壤樣品試驗，并野外采集內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林浩特市錫林郭勒盟某煤礦區(qū)周邊0～20 cm深度的地表土壤，分別利用SVC HR-1024I高性能地物光譜儀和Niton XL3t 950 PXRF采集土壤樣品VNIR-SWIR光譜和XRF光譜。采用頻率域方法探究土壤樣品光譜間的微弱差異規(guī)律，并利用VNIR-SWIR光譜的頻率域參數(shù)建立土壤Cu、Pb濃度反演模型。主要研究成果如下：

(1) 利用光譜的SPWVD，提出了一種光譜二階差分Gabor展開法，將不同CuSO4·5H2O及Pb(NO3)2添加量的實驗室土壤樣品的VNIR-SWIR光譜變換到頻率域進行分析探究。結(jié)果表明，2100～2500 nm光譜范圍內(nèi)，土壤樣品光譜的SPWVD表現(xiàn)出微弱的差異規(guī)律，根據(jù)光譜頻率分布的不同，可推測土壤Cu濃度閾值在121～492.3 μg·g-1之間，土壤Pb濃度閾值為568～747.33 μg·g-1。在800～2500 nm光譜波段區(qū)間內(nèi)，土壤樣品光譜的二階差分Gabor展開系數(shù)尺度及系數(shù)等高線分布表現(xiàn)出一定的差異規(guī)律，且該方法推測的土壤Cu濃度閾值為159～215 μg·g-1，土壤Pb濃度閾值為568～747.33 μg·g-1。兩種方法相互驗證了推測的土壤Cu、Pb濃度閾值的一致性。

(2) 以實驗室研究方法得到的成果為支撐，對Cu、Pb濃度明顯低于實驗室設(shè)計樣品的野外實地采樣土壤進行研究。在800～2500 nm波段范圍內(nèi)，以頻率域為基礎(chǔ)的土壤光譜二階差分Gabor展開法可識別75%的實地采樣土壤樣品的Pb濃度超標。諧波分解重構(gòu)的方法可成功應(yīng)用于土壤XRF光譜去噪，當諧波分解次數(shù)為400時土壤XRF光譜去噪效果最佳。土壤去噪XRF光譜的SPWVD可識別75%的Pb濃度超標樣品及79.17%的Pb濃度不超標樣品。推斷該地區(qū)土壤Pb濃度超標的XRF光譜特征波段為6.42 KeV和9.42～10.92 KeV。

(3) 通過土壤樣品VNIR-SWIR光譜的希爾伯特-黃變換分析(HHT)探究不同Cu、Pb濃度土壤光譜的特征波段，選擇合適的HHT參數(shù)、土壤變換光譜、SOM濃度及土壤含水率作為參數(shù)，利用箱形圖、聚類分析、偏最小二乘回歸(PLSR)的數(shù)學統(tǒng)計分析方法建立土壤Cu、Pb濃度反演模型。結(jié)果表明：隨著土壤中Cu、Pb濃度的變化，光譜Hilbert譜峰值(Ea)存在一定的變化規(guī)律，EMD能量熵(Em)可描述土壤樣品光譜在頻率域內(nèi)的EMD能量分布的混亂程度，對Em、Ea、SOM濃度、土壤含水率及與Cu、Pb實測濃度相關(guān)性較高的波段處的變換光譜進行箱形圖及系統(tǒng)聚類分析，構(gòu)建土壤Cu、Pb濃度的BC-PLSR反演模型，Cu濃度最優(yōu)反演模型預(yù)測值與實測值的R2分別為0.992 2、0.952 8和0.922 7，Pb濃度最優(yōu)反演模型預(yù)測值與實測值的R2分別為0.857 8、0.698 0和0.870 2，反演精度得到明顯提高，分別利用三種土壤變換光譜及常用的SOM濃度參數(shù)建立的PLSR模型驗證了BC-PLSR模型在常規(guī)參數(shù)中的優(yōu)越性和普適性，同時，也驗證了土壤光譜的HHT分析參數(shù)的相對有效性。