專利名稱：一種基于高光譜植被指數(shù)監(jiān)測土壤石油污染的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及高光譜遙感在土壤石油污染監(jiān)測中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
伴隨著石油的工業(yè)化生產(chǎn)和利用，石油污染已經(jīng)成為一個嚴重的環(huán)境問題。石油 進入生態(tài)系統(tǒng)后，不僅對生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能產(chǎn)生較大影響，而且石油污染物可通過食物 鏈在動植物體內(nèi)逐級富集，最終進入人體，危害人類健康。全球石油總產(chǎn)量中，約80%是由陸地油田生產(chǎn)的。我國生產(chǎn)的原油也大部分出自 陸上油田。因此，如何有效地進行陸地生態(tài)系統(tǒng)中石油污染的環(huán)境監(jiān)測對于預(yù)防石油污染 的擴散，高效開展石油污染的降解和修復工作，全面治理石油污染具有重要意義。目前，陸地石油污染的環(huán)境監(jiān)測，一般進行常規(guī)的土壤、植被監(jiān)測。但是，土壤和植 被監(jiān)測，往往需要大量的取樣，樣品的分析測定需要大量的儀器，測定程序也較為復雜，因 此是一項耗力、耗財、耗時的工作。過去的研究表明，石油污染會影響植物的葉面積指數(shù)、生 物量、植被蓋度、光合色素等生理生化指標。而這些指標的變化可以利用植被指數(shù)進行有效 地監(jiān)測。同時，相對于傳統(tǒng)的寬波段遙感技術(shù)，高光譜成像光譜儀在可見光-近紅外區(qū)域的 光譜分辨率可達到納米級，因此，可以取得研究對象詳細而精確的光譜信息。從而為植被指 數(shù)的計算提供了更多的選擇空間，使植被指數(shù)監(jiān)測的敏感性和準確性進一步提高?；谏?述原因，本發(fā)明針對以蘆葦為優(yōu)勢種的生態(tài)系統(tǒng)，利用野外獲得的植被高光譜數(shù)據(jù)，計算高 光譜植被指數(shù)，最終建立了蘆葦生態(tài)系統(tǒng)土壤石油污染的高光譜預(yù)測模型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于高光譜植被指數(shù)監(jiān)測土壤石油污染的方法，以克服 傳統(tǒng)的土壤、植被監(jiān)測方法耗力、耗財、耗時的不足。本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)1)建立土壤總石油烴含量高光譜預(yù)測模型，包括以下步驟(a)選擇采樣點在油井周圍的蘆葦植被上選擇30個采樣點，各樣點距油井的距 離在30-130m之間，采樣點未遭受人為干擾，植被未遭踐踏，且采樣點不存在非石油污染脅 迫；(b)高光譜測定采用便攜式地物波譜儀在經(jīng)過步驟(a)所選采樣點上測定蘆葦 植被的高光譜數(shù)據(jù)，測定在每天上午的10-12時之間進行，測定時天空晴朗無云；每個采樣 點上重復測定10次，獲取10條高光譜曲線，刪除與其他曲線存在明顯差異的異常曲線，再 計算每個采樣點剩余高光譜曲線的平均值，得到每個采樣點蘆葦植被的高光譜曲線；(c) 土壤取樣和總石油烴含量測定在各采樣點處取深度為0-30cm的土壤，土壤 取樣量重450-550g，然后采用紅外分光光度法測定每個采樣點土壤總石油烴含量，土壤總 石油烴含量的單位為mg/kg ；(d)計算植被指數(shù)根據(jù)步驟(b)所得蘆葦植被的高光譜曲線數(shù)據(jù)，計算出每個采樣點的44種植被指數(shù)；(e)確定最佳預(yù)測模型分別采用線性、對數(shù)、倒數(shù)、二次、三次、冪、S型曲線、指數(shù)函數(shù)模型對每個采樣點44種植被指數(shù)與該采樣點土壤總石油烴含量的關(guān)系進行擬合；確 定最佳預(yù)測模型為TPH = 0. 131/RES，其中TPH為土壤總石油烴含量，土壤總石油烴含量 的單位為mg/kg ；RES為紅邊斜率，即波長在680-750nm范圍內(nèi)光譜反射率一階微分的最大 值；2) 土壤總石油烴含量高光譜預(yù)測模型的集成將經(jīng)過步驟1)所得預(yù)測模型集成到地物波譜儀的隨機軟件中，實現(xiàn)土壤石油污染的實時定位和定量監(jiān)測；結(jié)合航空、航天遙 感技術(shù)，進一步實現(xiàn)土壤石油污染的大面積快速監(jiān)測。本發(fā)明的有益效果為相對于傳統(tǒng)的土壤、植被監(jiān)測方法，本發(fā)明簡單易行，可節(jié) 約大量的人力、財力和時間，對植被破壞??；結(jié)合航空、航天等遙感技術(shù)，可實現(xiàn)土壤石油污 染的定時、定位、定量、大面積監(jiān)測。


圖1是本發(fā)明實施例所述的一種基于高光譜植被指數(shù)監(jiān)測土壤石油污染的方法 中植被指數(shù)紅邊斜率與土壤總石油烴含量的關(guān)系曲線圖。
具體實施例方式本發(fā)明實施例所述的一種基于高光譜植被指數(shù)監(jiān)測土壤石油污染的方法，包括以 下步驟1)建立土壤總石油烴含量高光譜預(yù)測模型，包括以下步驟(a)選擇采樣點在油井周圍的蘆葦植被上選擇30個采樣點，各樣點距油井的距 離在30-130m之間，采樣點未遭受人為干擾，植被未遭踐踏，且采樣點不存在非石油污染脅 迫；(b)高光譜測定采用便攜式地物波譜儀在經(jīng)過步驟(a)所選采樣點上測定蘆葦 植被的高光譜數(shù)據(jù)，測定在每天上午的10-12時之間進行，測定時天空晴朗無云；每個采樣 點上重復測定10次，獲取10條高光譜曲線，刪除與其他曲線存在明顯差異的異常曲線，再 計算每個采樣點剩余高光譜曲線的平均值，得到每個采樣點蘆葦植被的高光譜曲線；(c) 土壤取樣和總石油烴含量測定在各采樣點處取深度為0-30cm的土壤，土壤 取樣量重450-550g，然后采用紅外分光光度法測定每個采樣點土壤總石油烴含量，土壤總 石油烴含量的單位為mg/kg ；(d)計算植被指數(shù)根據(jù)步驟(b)所得蘆葦植被的高光譜曲線數(shù)據(jù)，計算出每個采 樣點的44種植被指數(shù)；(e)確定最佳預(yù)測模型分別采用線性、對數(shù)、倒數(shù)、二次、三次、冪、S型曲線、指數(shù) 函數(shù)模型對每個采樣點44種植被指數(shù)與該采樣點土壤總石油烴含量的關(guān)系進行擬合；確 定最佳預(yù)測模型為TPH = 0. 131/RES，其中TPH為土壤總石油烴含量，土壤總石油烴含量 的單位為mg/kg ；RES為紅邊斜率，即波長在680-750nm范圍內(nèi)光譜反射率一階微分的最大 值；2) 土壤總石油烴含量高光譜預(yù)測模型的集成將經(jīng)過步驟1)所得預(yù)測模型集成到地物波譜儀的隨機軟件中，實現(xiàn)土壤石油污染的實時定位和定量監(jiān)測；結(jié)合航空、航天遙 感技術(shù)，進一步實現(xiàn)土壤石油污染的大面積快速監(jiān)測。在上述基于高光譜植被指數(shù)監(jiān)測土壤石油污染的方法中，光譜測定時，便攜式地 物波譜儀采用美國ASD公司(美國光譜分析儀器公司)生產(chǎn)的FieldSpeC3便攜式地物波 譜儀。FieldSpeC3便攜式地物波譜儀適用于遙感測量，農(nóng)作物監(jiān)測，森林研究，工業(yè)照明測 量，海洋學研究和礦物勘察的各方面。該儀器重量輕便，可實時測量并觀察反射、透射、輻射 度光譜曲線；可以實時顯示絕對反射比；具有高信噪比、高可靠性、高重復性等優(yōu)點。該儀 器可測定350-2500nm波長范圍的光譜，光譜分辨率為3-lOnm。在上述基于高光譜植被指數(shù)監(jiān)測土壤石油污染的方法中，計算植被指數(shù)時，本發(fā) 明選擇了現(xiàn)有的44種植被指數(shù)，各植被指數(shù)及其計算公式見表1。由于很多植被指數(shù)最初 是以寬波段光譜反射率計算的，本發(fā)明中以相應(yīng)波段內(nèi)敏感波長的光譜反射率代替。 表1本發(fā)明中使用的植被指數(shù)
權(quán)利要求
一種基于高光譜植被指數(shù)監(jiān)測土壤石油污染的方法，其特征在于，包括以下步驟1)建立土壤總石油烴含量高光譜預(yù)測模型，包括以下步驟(a)選擇采樣點在油井周圍的蘆葦植被上選擇若干個采樣點，各樣點距油井的距離在30 130m之間，采樣點未遭受人為干擾，植被未遭踐踏，且采樣點不存在非石油污染脅迫；(b)高光譜測定采用便攜式地物波譜儀在經(jīng)過步驟(a)所選采樣點上測定蘆葦植被的高光譜數(shù)據(jù)，測定在每天上午的10 12時之間進行，測定時天空晴朗無云；每個采樣點上重復測定10次，獲取10條高光譜曲線，刪除與其他曲線存在明顯差異的異常曲線，再計算每個采樣點剩余高光譜曲線的平均值，得到每個采樣點蘆葦植被的高光譜曲線；(c)土壤取樣和總石油烴含量測定在各采樣點處取深度為0 30cm的土壤，土壤取樣量重450 550g，然后采用紅外分光光度法測定每個采樣點土壤總石油烴含量，土壤總石油烴含量的單位為mg/kg；(d)計算植被指數(shù)根據(jù)步驟(b)所得蘆葦植被的高光譜曲線數(shù)據(jù)，計算出每個采樣點的44種植被指數(shù)；(e)確定最佳預(yù)測模型分別采用線性、對數(shù)、倒數(shù)、二次、三次、冪、S型曲線、指數(shù)函數(shù)模型對每個采樣點44種植被指數(shù)與該采樣點土壤總石油烴含量的關(guān)系進行擬合；確定最佳預(yù)測模型為TPH＝0.131/RES，其中TPH為土壤總石油烴含量，土壤總石油烴含量的單位為mg/kg；RES為紅邊斜率，即波長在680 750nm范圍內(nèi)光譜反射率一階微分的最大值；2)土壤總石油烴含量高光譜預(yù)測模型的集成將經(jīng)過步驟1)所得預(yù)測模型集成到地物波譜儀的隨機軟件中，實現(xiàn)土壤石油污染的實時定位和定量監(jiān)測；結(jié)合航空、航天遙感技術(shù)，進一步實現(xiàn)土壤石油污染的大面積快速監(jiān)測。
全文摘要
一種基于高光譜植被指數(shù)監(jiān)測土壤石油污染的方法屬于環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)1)建立土壤總石油烴含量高光譜預(yù)測模型，包括以下步驟選擇采樣點；高光譜測定；土壤取樣和總石油烴含量測定；計算植被指數(shù)；確定最佳預(yù)測模型；2)土壤總石油烴含量高光譜預(yù)測模型的集成。本發(fā)明的有益效果為相對于傳統(tǒng)的土壤、植被監(jiān)測方法，本發(fā)明簡單易行，可節(jié)約大量的人力、財力和時間，對植被破壞??；結(jié)合航空、航天等遙感技術(shù)，可實現(xiàn)土壤石油污染的定時、定位、定量、大面積監(jiān)測。
文檔編號G01N21/35GK101995380SQ20101050265
公開日2011年3月30日 申請日期2010年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月11日
發(fā)明者丁金枝, 劉南希, 朱林海, 來利明, 王健健, 王永吉, 趙學春, 鄭元潤 申請人:中國科學院植物研究所