地物光谱仪：矿山环境土壤重金属污染状况监测方法研究

一、引言

土地资源是农业生产的基础，是人类生存最宝贵的自然资源。若是土壤资源受到污染，就会影响农业的健康稳定生产，从而对人类生存造成一定的威胁。现今社会，矿山开采导致的环境问题逐渐严重，也受到了社会大众以及相关学者的重视与关注。矿山资源开采虽然为国家发展提供了重要的资源，但是也造成了一系列环境污染问题。矿山开采由于废料、废渣的大规模堆积，不但会恶化矿山周边生态环境，也会使土壤中生物毒性显著的重金属元素逐渐增多，从而致使矿山环境土壤出现重金属污染状况。

为避免上述事情的发生，减轻或者治理矿山环境土壤重金属污染状况，提出矿山环境土壤重金属污染状况监测方法研究。

二、矿山环境土壤重金属污染状况监测方法研究

2.1土壤重金属监测方法比较

池塘遥感图像辐射校正本研究为“广东省1∶25万湛江市幅、海口市幅区域地质调查”项目的一部分，研究区位于广东省

当前，对土壤重金属污染状况的监测方法主要有化学方法、物理方法和生物方法，具体内容见表１。

表１土壤重金属监测方法比较

2.2 土壤数据获取

为了监测矿山环境土壤重金属污染状况，选取手持地物光谱仪测量土壤光谱。在矿山环境土壤光谱测量过程中，设置测量时间为１１：００～１４：００，这个时间范围内太阳辐射较为强烈，另外，还需要注意空气能见度与风力情况，空气能见度保障不低于１０ｋｍ，风力保障小于３级。

同时，为了避免光污染对土壤光谱的影响，在测量过程中，测量人员应该穿着深色服装，清除土壤表面的植物、枯叶等杂物。

地物光谱仪需要严格依照使用说明书进行使用，并且在使用之前需要对仪器进行预热，时间设置为２０～３０分钟，并利用白板定标校准，每十分钟定标一次。土壤光谱测量时，测量人员应该面对阳光，避免探头产生阴影，与土壤距离设置为５０ｃｍ，仪器与水平面法线角度在１０度以内，以此来降低地物光谱仪自身带来的误差。另外，为了精确获得矿山环境土壤光谱数据，在每个研究区域内设置１０个采样点，测量１０条光谱数据，并对其进行平均处理，以平均数值作为土壤光谱数据，为后续土壤重金属污染状况监测提供数据支持。

2.3土壤光谱特征波段提取

以处理后土壤光谱数据为基础，建立光谱估算模型，选取光谱指标信息，分析重金属质量比之间的相关性，提取土壤光谱特征波段，为土壤重金属污染状况监测与判定做准备。

土壤成因较为复杂，再加之天气、动植物、时间、污染等多种因素综合影响下形成的。为了精确的估算土壤中重金属的含量，需要建立光谱估算模型，具体模型建立过程如下：

依据采集土壤光谱数据，获取土壤反射率光谱曲线。采用数据处理软件，提取光谱指标信息，以此为基础，分析重金属质量比之间的关系。常规情况下，土壤中的重金属容易吸附在Ｆｅ氧化物与Ｈｇ化合物中。依据回归模型得到土壤重金属的相关系数矩阵见表２。

表２土壤重金属相关系数矩阵表

如表２所示，Ｈｇ与Ｎｉ的相关系数为0.90，说明了两者之间的共生关系。而其它土壤重金属中，与Ｈｇ显著相关的包含Ｃｒ、Ａｓ、Ｐｂ、Ｚｎ。

2.4土壤重金属含量估算

依据表２相关系数，提取土壤重金属光谱特征波段。计算均方根误差与决定系数数值，构建重金属含量估算模型，制定土壤重金属污染程度判定规则，实现土壤重金属污染状况的监测。土壤重金属含量均方根误差检验计算公式为：

式中，εｉ表示的是重金属元素样本实测值；

表示的是ＰＬＳＲ模型预测值；ｎ表示的是样本依据公式中计算土壤重金属均方根误差与决定系数，具体数值如表３所示。

表３土壤重金属均方根误差与决定系数表

采用最小二乘法建立光谱与土壤重金属含量之间的估算模型，以此来估算矿山环境土壤重金属含量，判定土壤重金属的污染状况。土壤重金属污染状况判定规则如表４所示。

表４土壤重金属污染状况判定规则表

依照表４制定的土壤重金属污染状况判定规，即可实现矿山环境土壤重金属污染状况的监测，为土壤的治理与防治提供精确的数据支撑。

三、实验与结果分析

为了验证提出方法与现有方法之间的性能差异，采用软件设计仿真实验，具体实验过程如下：

3.1实验准备与过程

实验选取某矿山作为实验区域，选取地物光谱仪作为光谱测量仪器，为了保障实验的顺利进行，依据仿真实验的需求，合理的、科学的设置光谱测量仪的波段。采用提出方法及现有的原子吸收光谱法进行对比实验。

3.2实验结果分析

依据上述选取的实验区域，设置的光谱测量仪器参数，进行矿区环境土壤重金属污染状况监测实验，通过重金属含量监测误差反映方法的性能。通过实验得到土壤重金属含量监测误差数据见表５。

表５土壤重金属含量监测误差数据表ｍｇ／ｋｇ

如表５所示，在不同实验时间条件下进行实验，与实际数值进行比较，得到现有方法土壤重金属含量监测误差范围为0.04ｍｇ／ｋｇ～0.58ｍｇ／ｋｇ，提出方法土壤重金属含量监测误差范围为0.００ｍｇ／ｋｇ～０.１０ｍｇ／ｋｇ。通过数据对比发现，提出方法土壤重金属含量监测误差较小，充分证实了提出方法的有效性。

四、结语

研究提出了一种新的矿山环境土壤重金属污染状况监测方法，极大的降低了土壤重金属含量监测误差，为土壤重金属污染治理与防治提供了更加精确的数据，也为土壤重金属污染研究提供参考。

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审核编辑 黄宇