專利名稱：圍墾地土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖生成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)技術(shù)，尤其是涉及一種圍墾地土壌重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖生成方法。
背景技術(shù)：
上海地區(qū)圍墾地土壌為鹽潰土土壌，是由江河搬運(yùn)泥沙與海水頂托，以及海流、潮汐、波浪等因素共同作用下的鹽潰淤泥所形成，呈條帶狀分布在沿海及河口沿江地段，在分布和形成上屬于濱海鹽土類(lèi)型。此類(lèi)型土壌堿性大，質(zhì)地粘重，有機(jī)質(zhì)含量不高，而鹽分含量很高。由于海灘開(kāi)發(fā)的特殊性，其空間分布主要受排污ロ、圍墾、潮灘位置和土壌粘土含量的影響，不僅空間變異大，時(shí)間上的變化也快。灘涂濕地土壤受重金屬污染十分嚴(yán)重，帶 來(lái)了嚴(yán)重的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。土壌重金屬污染不僅影響農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展而且會(huì)導(dǎo)致環(huán)境惡化、危害人體健康。近年來(lái)土壌重金屬污染已日趨嚴(yán)重，尤其是在城市郊區(qū)的高投入的農(nóng)田，因此進(jìn)行圍墾地土壌的重金屬污染綜合評(píng)價(jià)對(duì)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境監(jiān)管與治理具有極其重要的意義。圍墾地土壌重金屬的分布受到諸多因素的影響，作為區(qū)域變量，其變異性中的確定性部分不是常量，而是隨空間分布的，因而地統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合GIS技術(shù)在土壌重金屬污染調(diào)查預(yù)測(cè)中有廣泛的應(yīng)用。借助地統(tǒng)計(jì)方法可實(shí)現(xiàn)基于采樣點(diǎn)土壤樣本的觀測(cè)數(shù)據(jù)推測(cè)其周?chē)床蓸狱c(diǎn)土壤樣本的相關(guān)特征，將不連續(xù)的點(diǎn)狀數(shù)據(jù)形成連續(xù)的面狀區(qū)域，以描述整個(gè)研究區(qū)域的土壌空間變異特征。在GIS的支持下，結(jié)合重金屬的污染綜合評(píng)價(jià)，可實(shí)現(xiàn)土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)的可視化表達(dá)。現(xiàn)有的對(duì)土壤重金屬含量的預(yù)測(cè)方法主要采用被稱為最佳線性估值過(guò)程的泛克里格法(Universal Kriging,簡(jiǎn)稱UK)。但在對(duì)具體插值模型的選擇方面，缺乏對(duì)采樣點(diǎn)土壌樣本觀察數(shù)據(jù)空間自相關(guān)性及向異性等空間特征的詳細(xì)分祈，對(duì)大樣本的插值過(guò)程缺乏整理和篩選，特別是對(duì)離群值的分析討論及相關(guān)處理，使得預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性大打折扣。因?yàn)橥寥乐亟饘倏臻g變異特征分析或污染綜合評(píng)價(jià)時(shí)常會(huì)伴隨ー對(duì)矛盾一方面，離群值對(duì)樣本統(tǒng)計(jì)量的估計(jì)會(huì)造成一定的影響，樣本越小影響越大，它使空間變易參數(shù)更難確定，甚至連空間自相關(guān)性也觀察不到，預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性和精度受到極大的影響；另一方面，離群值又是反應(yīng)局部污染狀況的重要信息，尤其在采樣密度較低的情況下，由于對(duì)污染指標(biāo)的預(yù)測(cè)從某種意義上講就是為了對(duì)這些污染區(qū)域的預(yù)測(cè)，這些離群值的價(jià)值就等同于研究?jī)r(jià)值了。如何處理離群值，是保留離群值以確定污染區(qū)域，還是剔除離群值以此估測(cè)重金屬含量的空間變異規(guī)律就成為更準(zhǔn)確估測(cè)重金屬污染狀況必須面對(duì)的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，劉慶等在《安全與環(huán)境學(xué)報(bào)》(2007,7(2) =109-113)上發(fā)表“基于GIS的農(nóng)田土壌重金屬空間分布研究”該研究在數(shù)據(jù)預(yù)處理上采用對(duì)數(shù)變換，當(dāng)數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布能滿足變異函數(shù)的計(jì)算就進(jìn)行插值計(jì)算，沒(méi)有詳細(xì)分析采樣點(diǎn)土壤樣本觀測(cè)數(shù)據(jù)的空間特征，特別是離群值的作用，這樣在插值過(guò)程中特異值或離群值的影響比較顯著，預(yù)測(cè)結(jié)果的精度也會(huì)受到影響。由于圍墾土重金屬污染受海水侵蝕、土地利用類(lèi)型及人類(lèi)活動(dòng)的影響，其空間變異特征明顯，特別是較強(qiáng)的向異性和各類(lèi)離群值，直接影響重金屬含量插值模型尺度及相關(guān)參數(shù)的選擇，從而也與土壤重金屬預(yù)測(cè)緊密相關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能夠提高圍墾地土壤重金屬污染預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的精度和準(zhǔn)確性的圍墾地土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖生成方法。 本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種圍墾地土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖生成方法，該方法包括以下步驟I)獲取待測(cè)圍墾地的采樣點(diǎn)土壤樣本；2)對(duì)上述采樣點(diǎn)土壤樣本的重金屬元素含量數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，分別獲得各重金屬兀素的擬插值子樣本；3)對(duì)擬插值子樣本進(jìn)行探索性空間數(shù)據(jù)分析處理，獲得采樣點(diǎn)土壤樣本的各向異性參數(shù)、步長(zhǎng)和步數(shù)；4)對(duì)采樣點(diǎn)土壤樣本重金屬元素含量數(shù)值進(jìn)行函數(shù)擬合，獲得適用于重金屬元素含量插值的理論半方差函數(shù)模型；5)利用包括局域離群值的采樣點(diǎn)進(jìn)行空間變異預(yù)測(cè)結(jié)果分布圖的繪制；6)重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖的生成首先計(jì)算各重金屬元素的污染指數(shù)，然后計(jì)算多因子綜合污染指數(shù)，根據(jù)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)生成重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖。所述的步驟2)中的數(shù)據(jù)預(yù)處理具體為2. I)通過(guò)重金屬元素含量數(shù)值的偏峰度計(jì)算及檢驗(yàn)，考察其是否符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布條件Htl，若符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布條件Htl，則進(jìn)行步驟3);否則，執(zhí)行步驟2. 2)；2. 2)計(jì)算樣本均值μ、標(biāo)準(zhǔn)差O ,去除區(qū)間(μ -I. 96 O，μ +1. 96 σ )以外的值后再次執(zhí)行步驟2. I)，若符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布條件Htl則進(jìn)行步驟3)，否則執(zhí)行步驟2. 3)；2. 3)對(duì)采樣點(diǎn)土壤樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，再次執(zhí)行步驟2. 2)，重新計(jì)算變換后樣本的μ和σ，若符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布條件Htl則進(jìn)行步驟3)，否則執(zhí)行步驟2. 4)；2. 4)反復(fù)執(zhí)行步驟2. 3)，若符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布條件Htl則進(jìn)行步驟3)，否則采用Box-Cox變換后再執(zhí)行步驟2. 2)，若不符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布條件H0,則停止計(jì)算，重新返回步驟I)，否則執(zhí)行步驟3)。所述的符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布條件Htl是指重金屬元素含量數(shù)值的三階矩gl和四階矩g2滿足如下式的條件時(shí)，表明數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布
權(quán)利要求
1.一種圍墾地土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖生成方法，其特征在于，該方法包括以下步驟 1)獲取待測(cè)圍墾地的采樣點(diǎn)土壤樣本； 2)對(duì)上述采樣點(diǎn)土壤樣本的重金屬元素含量數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，分別獲得各重金屬元素的擬插值子樣本； 3)對(duì)擬插值子樣本進(jìn)行探索性空間數(shù)據(jù)分析處理，獲得采樣點(diǎn)土壤樣本的各向異性參數(shù)、步長(zhǎng)和步數(shù)； 4)對(duì)采樣點(diǎn)土壤樣本重金屬元素含量數(shù)值進(jìn)行函數(shù)擬合，獲得適用于重金屬元素含量插值的理論半方差函數(shù)模型； 5)利用包括局域離群值的采樣點(diǎn)進(jìn)行空間變異預(yù)測(cè)結(jié)果分布圖的繪制； 6)重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖的生成首先計(jì)算各重金屬元素的污染指數(shù)，然后計(jì)算多因子綜合污染指數(shù)，根據(jù)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)生成重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種圍墾地土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖生成方法，其特征在于，所述的步驟2)中的數(shù)據(jù)預(yù)處理具體為 2. I)通過(guò)重金屬元素含量數(shù)值的偏峰度計(jì)算及檢驗(yàn)，考察其是否符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布條件Htl,若符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布條件Htl,則進(jìn)行步驟3);否則，執(zhí)行步驟2. 2)； 2.2)計(jì)算樣本均值y、標(biāo)準(zhǔn)差O ,去除區(qū)間(y -I. 96 O，y +1. 96 o )以外的值后再次執(zhí)行步驟2. I)，若符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布條件Htl則進(jìn)行步驟3)，否則執(zhí)行步驟2. 3)； 2.3)對(duì)采樣點(diǎn)土壤樣本的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，再次執(zhí)行步驟2. 2)，重新計(jì)算變換后樣本的ii和O，若符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布條件H0則進(jìn)行步驟3)，否則執(zhí)行步驟2. 4)； 2.4)反復(fù)執(zhí)行步驟2. 3)，若符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布條件H0則進(jìn)行步驟3)，否則采用Box-Cox變換后再執(zhí)行步驟2. 2)，若不符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布條件H0,則停止計(jì)算，重新返回步驟I)，否則執(zhí)行步驟3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種圍墾地土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖生成方法，其特征在于，所述的符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布條件Htl是指重金屬元素含量數(shù)值的三階矩gl和四階矩g2滿足如下式的條件時(shí)，表明數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種圍墾地土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖生成方法，其特征在于，所述的Box-Cox變換是指
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種圍墾地土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖生成方法，其特征在于，所述的步驟3)中的探索性空間數(shù)據(jù)分析處理是指 . 3.I)計(jì)算擬插值子樣本不同步長(zhǎng)，即土壤樣本點(diǎn)之間的距離下的半變異函數(shù)
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種圍墾地土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖生成方法，其特征在于，所述的局域離群值是指采用給定步長(zhǎng)1，將所有點(diǎn)對(duì)距離h的集合分為n組，當(dāng)半方差值高于ii m+2. 33 O m,其中y m和o m分別為第m步時(shí)半方差值樣本的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，m =1,2,…，n，則記為離群半方差，并記錄相應(yīng)的點(diǎn)對(duì)；當(dāng)n組離群半方差的相應(yīng)點(diǎn)對(duì)中的一個(gè)點(diǎn)與5個(gè)以上離群半方差有關(guān)且這類(lèi)點(diǎn)的個(gè)數(shù)小于總樣本數(shù)的5%，那么這些點(diǎn)就被認(rèn)為是局域離群值。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種圍墾地土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖生成方法，其特征在于，所述的步驟4)具體包括 . 4.I)選擇半方差函數(shù)模型中的一種，基于最小塊金效應(yīng)原則分別計(jì)算分析不同步長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的基臺(tái)值與塊金值，通過(guò)繪制基臺(tái)值-步長(zhǎng)曲線和塊金效應(yīng)-步長(zhǎng)曲線，將基臺(tái)值平穩(wěn)區(qū)間內(nèi)的塊金效應(yīng)達(dá)到最小值時(shí)的步長(zhǎng)作為插值的參數(shù)； . 4.2)針對(duì)半方差函數(shù)模型，選取插值獲得的均方根誤差最接近于0和均方根標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差最接近于I的模型，由此獲得最優(yōu)的重金屬元素含量空間插值模型，所述均方根誤差為
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種圍墾地土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖生成方法，其特征在于，所述的半方差函數(shù)模型包括圓形模型、球狀模型、四球模型、五球模型、指數(shù)模型和高斯模型。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種圍墾地土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖生成方法，其特征在于，所述的步驟5)具體包括以下步驟根據(jù)重金屬元素含量數(shù)值插值模型和包括離群值的采樣點(diǎn)土壤樣本對(duì)采樣點(diǎn)土壤樣本重金屬元素含量數(shù)值進(jìn)行克里格插值，獲得土壤重金屬含量的空間變異分布圖，同時(shí)隨機(jī)選取10%該采樣點(diǎn)土壤樣本中的重金屬元素進(jìn)行交叉驗(yàn)證，即通過(guò)插值模型計(jì)算其預(yù)測(cè)值，獲得隨機(jī)校驗(yàn)均方根誤差和隨機(jī)校驗(yàn)均方根標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)誤差。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種圍墾地土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖生成方法，其特征在于，所述的步驟6)具體包括以下步驟. 6. I)計(jì)算各重金屬元素的污染指數(shù)A = XySi,式中，Pi為土壤中第i種金屬的污染指數(shù)；Xi為土壤中第i種金屬的實(shí)測(cè)濃度；Si為土壤中第i種金屬的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；. 6. 2)計(jì)算綜合污染指數(shù)法進(jìn)行區(qū)域重金屬污染的綜合評(píng)價(jià)
全文摘要
本發(fā)明涉及一種圍墾地土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖生成方法，該方法包括以下步驟獲取待測(cè)圍墾地的采樣點(diǎn)土壤樣本；對(duì)土壤中重金屬元素含量數(shù)值進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，分別獲得各重金屬元素的擬插值子樣本；對(duì)擬插值子樣本進(jìn)行探索性空間數(shù)據(jù)分析處理，獲得采樣點(diǎn)土壤樣本的各向異性參數(shù)、步長(zhǎng)和步數(shù)；對(duì)采樣點(diǎn)土壤樣本重金屬元素含量數(shù)值進(jìn)行函數(shù)擬合，獲得適用于重金屬元素含量插值的理論半方差函數(shù)模型；利用包括離群值的采樣點(diǎn)進(jìn)行空間變異預(yù)測(cè)結(jié)果分布圖的繪制；對(duì)土壤重金屬污染進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)生成土壤重金屬污染綜合評(píng)價(jià)圖。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有能夠提高圍墾地土壤重金屬污染預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的精度和準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N33/24GK102636632SQ20121012495
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月25日
發(fā)明者張慶龍, 徐敬敬, 申廣榮, 錢(qián)振華, 黃秀梅 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)