基于统计分析与高光谱结合的土壤重金属监测研究——以铜为例

为了精确高效地监测土壤重金属含量,解决传统土壤地球化学测试成本高、效率低的问题,以潍坊北部平原土壤中铜元素为例,将52个土壤样品高光谱数据进行一阶导数变换后与实测铜元素含量值进行相关分析,获取对土壤中铜元素敏感的特征波段,并将其作为自变量,实测铜元素含量值为因变量,分别建立多元逐步回归(MLR)和偏最小二乘法(PLS)估算模型。对土壤重金属含量统计描述特征分析发现,区域内存在轻度的铜积累,范围大,覆盖面广,主因是受到人为扰动;根据相关系数的大小顺序依次提取到12个特征波段,其中心波长分别在385、667、729、731、791、802、822、834、840、841、870、873 nm处;利用一阶导数光谱变换信息建立的MLR模型和PLS模型的R2分别达到为0.538和0.858,相对分析误差(RPD)分别为0.4和1.6,对比来看PLS模型的预测精度最高,可以较好地对土壤中铜元素含量进行监测。     

胶州湾典型河口区沉积物重金属来源解析与潜在生态风险评价

指出了河口沉积物重金属富集状况是河流水环境质量的重要指示标志。选取胶州湾典型大沽河口为研究区,系统采集了16个站点河流沉积物样品,测定了Zn、As、Cd、Cr、Cu、Pb共6种重金属元素含量,通过数理统计特征和站点分析,得到了重金属元素在区域内的数据变异特征,并对河口沉积物的重金属来源进行了初步判别,采用潜在生态风险指数法得出了河口沉积物分布生态风险规律。研究表明:研究区内重金属元素空间变异不大,变异系数值保持在较低水平上,Cr和As表现出低度变异,其余元素都属于较低程度的中等变异;结合采样数据特征与站点位置分析,得到各重金属元素含量的空间分布图,研究发现胶州湾大沽河口感潮河段及两侧潮滩是重金属最为富集的地带,其存在的重金属污染风险也最高;潜在生态风险指数评价得出重金属元素中Pb的潜在生态风险较大,平均为41.69,属于中等潜在生态风险水平,其余元素生态风险处于低度水平。     

日照市近30年海岸线变迁遥感监测研究

为研究近30年来日照市海岸线变迁情况,掌握其变化动态、分析变迁原因,以多时相遥感数据(1988年、1995年、2009年和2015年)为基础,运用RS与GIS技术进行了对海岸变迁遥感监测研究。结果表明:在获取的日照市海岸线中可以看出海岸线无论在海岸线形态还是海岸线利用类型上都呈现外扩的趋势,进一步分析得出,近些年来日照市大力开展港口建设,日照港、岚山港年吞吐量逐年增加,因而海岸线变迁受人为因素的影响较大,海岸线变迁受自然环境因素较小;此外,日照市多为沙质岸线,基本不受海水侵蚀作用影响,水土保持良好,河流淤积现象不明显。对海岸线变迁的大范围准确遥感监测,可为土地和海洋部门科学规划提供重要的科学依据和理论支持。     

山东典型污灌区冬小麦叶片重金属高光谱反演及空间分布特征

为了大面积、实时监测污水灌溉区冬小麦重金属胁迫状况,以冬小麦叶片重金属Cr、Ni、Pb、Zn、Hg、Cd为研究对象,利用冬小麦冠层光谱数据及金属含量数据,采用逐步多元线性回归(SMLR)和偏最小二乘回归(PLSR)的方法,建立基于原始光谱反射率(R)、反射率一阶微分(FDR)、反射率二阶微分(SDR)、光谱参数(SP)的8种冠层光谱反演模型,通过分析所建模型精度,选取最优反演模型,实现研究区内冬小麦叶片重金属的定量反演。结果表明,对于Pb、Zn、Cd,基于反射率一阶微分的偏最小二乘回归模型(FDR-PLSR)为最优模型[Pb:决定系数(R~2)=0.848,相对分析误差(RPD)=1.598;Zn:R~2=0.790,RPD=2.295;Cd:R~2=0.868,RPD=2.406];对于Cr,基于反射率二阶微分的偏最小二乘回归模型(SDR-PLSR)为最优模型(R~2=0.846,RPD=2.013);对于Ni、Hg,基于光谱参数的偏最小二乘回归模型(SP-PLSR)为最优模型(Ni:R~2=0.887,RPD=1.872;Hg:R~2=0.819,RPD=1.684)。从空间插值结果可以看出,冬小麦叶片中Cr、Ni含量在研究区东南部较高,北部及西北部较低;Pb、Zn含量在中部以及南部较高;Hg含量在西北部较低;Cd含量在中部、北部、西北部较低。     

山东省沂源县土壤重金属来源分布及风险评价

为建设高标准农田及保证食品安全,对土壤重金属污染状况进行精确评估极为关键。选取山东省山地丘陵区典型区域—沂源县为研究区,系统采集427个表层土壤样品(0~20 cm),测定了As、Cd、Co、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Hg和Zn共10种重金属含量;采用多元统计分析和地统计分析方法,揭示了土壤重金属的主要来源;进一步分析得出研究区重金属的空间分布以及与成土母质、工业排放和农业生产污染之间的关系。研究表明:1)沂源县表层土壤中10种重金属元素的平均含量值均高于土壤背景值但未超过国家二级土壤元素限定值,存在一定程度的重金属富集。2)经主成分分析和单因素方差分析后将研究区重金属的来源主要分为3类:As、Co、Cu和Mn主要来源于成土母质,属自然源因子;Hg、Cd、Zn和Pb受到母质和工农业污染双重控制,属于混合来源;Cr和Ni主要是成土母质影响下的自然来源。3)自然来源重金属含量的高值区主要与石灰岩成土母质类型分布相一致,Hg、Cd、Zn和Pb元素含量的高值区与工业区分布基本一致。4)通过潜在生态风险评价,沂源县表层土壤目前处于中度潜在生态风险等级,其中Hg和Cd潜在生态风险最强,达到中度生态危害,其他元素具有轻微的潜在生态危害。研究中通过多元统计-地统计模拟分析法有效的揭示了土壤重金属污染源汇特征,可作为评估该区土壤污染现状和对土壤重金属污染进行风险评价的重要依据。     

近50年莱州湾南岸海岸线变迁遥感监测研究

选取MSS、TM和OLI共6个时相遥感影像数据,基于RS与GIS平台通过面对对象分类和人机交互目视解译法,实现了对莱州湾南岸中段区1973—2017年的海岸线遥感动态监测研究。结果表明,近50年来莱州湾南岸中段区域海岸线整体上呈现出向陆地方向扩张的趋势,其中白浪河和潍河区间内扩张速度及规模最大,弥河西部区域变化幅度最小;从时间来看,莱州湾南岸海岸线变化呈现从稳定-变动高峰期-趋于稳定的总体趋势。1973—1983年基本处于稳定状态;1984—2009年为变动高峰期,海岸线出现了明显变动;2010—2017年海岸线基本保持稳定,未出现大幅度变动。海岸线变动主要与降水量变少、风暴潮频发、人类开发等有关。     

基于遥感数据和随机森林算法的土壤重金属空间分布模拟——以铬为例

为评估土壤重金属的富集状态及空间分异态势，选取山东省章丘市为研究区，系统采集425处土壤样品，测定土壤中铬(Cr)元素含量，采用描述性统计特征评估重金属在土壤中的富集状态；获取与土壤采样同期的Landsat-8 OLI遥感数据，将土壤重金属的环境要素作为自变量，测定的土壤Cr元素含量为因变量，构建基于随机森林算法的土壤重金属空间模拟模型，完成土壤中的重金属含量预测和空间分布模拟。结果表明，土壤重金属Cr含量均值高出土壤元素背景值37.22%,但低于农用地土壤污染风险筛选值，表明土壤中Cr的富集在可管控范围内；随机森林算法支持的空间模拟模型具有较好的精度和稳定度，精度系数R²和RMSE值分别为0.87和7.19,优于普通克里格法(R²=0.66,RMSE=13.15)对土壤重金属的空间分布模拟。