本發(fā)明屬于環(huán)境檢測
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種通過多種校驗方法來評價土壤中重金屬含量數(shù)據(jù)異常程度的方法。
背景技術(shù)：
：隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，工業(yè)化水平不斷提高，金屬礦山的無序開采以及工業(yè)垃圾的不合理處置、污水灌溉、化肥、農(nóng)藥等的過度使用造成土壤重金屬污染嚴重，進而威脅農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，例如湖南鎘大米事件。國家高度重視土壤重金屬污染的修復(fù)和治理工作。獲取客觀、真實的土壤重金屬含量數(shù)據(jù)是開展上述工作的基礎(chǔ)。由于土壤重金屬來源復(fù)雜，含量數(shù)據(jù)變化幅度大；并且實驗測試過程繁雜、分析誤差大，獲取的土壤重金屬含量數(shù)據(jù)是否真實，很難辨別真?zhèn)?。通常需要大量的重?fù)檢測、多個平行試驗、龐大的數(shù)據(jù)量和工作量，才能獲得客觀、有效的重金屬數(shù)據(jù)，進而反應(yīng)調(diào)查區(qū)域土壤重金屬污染水平。因此，目前急需一種對檢測到的土壤重金屬含量大樣本數(shù)據(jù)中異常數(shù)據(jù)的評價方法，能夠真實、客觀地評價調(diào)查區(qū)域土壤重金屬含量污染水平，為后續(xù)是否復(fù)測該元素提供參考。技術(shù)實現(xiàn)要素：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種評價土壤中重金屬含量數(shù)據(jù)異常程度的方法，通過多種校驗方法對同一批土壤樣本的一種或多種重金屬含量數(shù)據(jù)進行評價，綜合評價結(jié)果后進行異常程度劃定。解決非專業(yè)人員由于數(shù)理統(tǒng)計、地統(tǒng)計學(xué)以及土壤環(huán)境等方面知識的欠缺，無法識別土壤重金屬含量數(shù)據(jù)中異常數(shù)據(jù)，進而在土壤污染評價，土壤修復(fù)決策制訂等過程中產(chǎn)生誤判的問題。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種評價土壤中重金屬含量數(shù)據(jù)異常程度的方法，包括以下步驟：步驟1：采用隨機多點混合方式采集土壤獲得多個土壤樣本；步驟2：將所述土壤樣本進行前處理后檢測重金屬的含量，將土壤樣本重金屬含量的相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中；步驟3：采用三種校驗方法分別對所述土壤樣本重金屬含量數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)校驗，步驟包括：3a.數(shù)理統(tǒng)計校驗，通過組間數(shù)據(jù)差異比較，篩選出異常數(shù)值，獲得并存儲所述異常數(shù)值的信息；3b.背景校驗，根據(jù)調(diào)查區(qū)域土壤重金屬背景含量設(shè)定正常區(qū)間，篩選并存儲土壤樣本重金屬含量數(shù)據(jù)中沒有落入所述正常區(qū)間的異常數(shù)值信息；3c.空間校驗，通過土壤樣本的空間數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，篩選出異常數(shù)值，獲得并存儲所述異常數(shù)值的信息；所述三種校驗的順序不做限制；步驟4：根據(jù)異常數(shù)值對所述土壤樣本重金屬含量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，被步驟3中的一種校驗方法評價為異常數(shù)值的定級為輕度異常；被步驟3中的兩種校驗方法(其中一種校驗方法為空間校驗)評價為異常數(shù)值的定級為中度異常；被步驟3中的三種校驗方法都評價為異常數(shù)值的定級為重度異常。步驟5：對校驗出的異常點進行重金屬含量的復(fù)測，將復(fù)測值與初始值對比，評價該點重金屬含量數(shù)據(jù)是否異常，根據(jù)評價結(jié)果，校正重金屬含量數(shù)據(jù)。進一步地，還包括對所述異常數(shù)值進行統(tǒng)計后按照異常等級排列篩選異常樣本的信息的步驟。進一步地，在步驟1中，所述采集土壤樣本為在GPS的定位基礎(chǔ)上，用不銹鋼土鉆、土刀采集樣方0～20cm表層土壤，并且包括除去非土壤介質(zhì)的步驟，如植物根系、葉片等。進一步地，步驟1中所述隨機多點混合方式為在土壤上按照S形線路多點采樣，每個采樣單元的樣點數(shù)不少于5個。更進一步地，采用5點法采樣，每個采樣單元的樣點包括正方形4個頂點和中心點；混合樣點的土壤后，用四分法取對角土壤樣品的混合作為待測的土壤樣本。進一步地，在步驟2中，所述前處理包括將土壤樣品在室內(nèi)自然風(fēng)干、研磨土壤樣品、過100目篩的步驟；所述重金屬為銅、鋅、鉛、鎘、鎳、鉻、砷和汞中的任一種或任意組合，所用的檢測方法為各重金屬的國家標(biāo)準(zhǔn)檢測方法。進一步地，在步驟2中，所述數(shù)據(jù)庫為利用SQLServer軟件創(chuàng)建的存儲重金屬含量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。進一步地，在步驟3a中，設(shè)置數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的倍數(shù)選擇相應(yīng)的置信區(qū)間，分別計算數(shù)據(jù)的均值M和標(biāo)準(zhǔn)差S，篩選出落入置信區(qū)間之外的數(shù)值作為異常數(shù)值。進一步地，進行步驟3b中的所述背景校驗時，設(shè)置調(diào)查區(qū)域土壤重金屬背景含量的95％分位值和5％分位值之間為正常區(qū)間。進一步地，在步驟3c中，所述空間校驗的計算公式為：Ii=n(xi-x‾)Σj=1nWij(xj-x‾)Σi=1n(xi-x‾)2]]>其中n為變量x的觀測次數(shù)，xi、yi分別為位置i和位置j的檢測值，是所有觀測值的平均值，Wij是空間權(quán)重矩陣值，將I值與預(yù)設(shè)的閾值范圍進行比較，超出閾值范圍的數(shù)值為異常數(shù)值。進一步地，在步驟5中，根據(jù)用戶需求選擇相應(yīng)異常等級的樣點進行復(fù)測，并將復(fù)測含量與初始值進行比對，評價該點重金屬含量數(shù)據(jù)是否異常，根據(jù)復(fù)測結(jié)果，校正重金屬含量數(shù)據(jù)。本發(fā)明技術(shù)方案具有如下有益效果：1.本發(fā)明通過對大量的土壤樣本中重金屬含量數(shù)據(jù)分析整理評價，可以實現(xiàn)對每個樣品重金屬含量數(shù)據(jù)異常程度進行定級，通過進一步復(fù)測，校正重金屬含量數(shù)據(jù)，節(jié)省檢測成本；2.解決非專業(yè)人員由于數(shù)理統(tǒng)計、地統(tǒng)計學(xué)以及土壤環(huán)境等方面知識的欠缺，無法識別土壤重金屬含量數(shù)據(jù)中異常數(shù)據(jù)的問題，進而在土壤污染評價，修復(fù)決策制訂等過程中產(chǎn)生誤判的問題；3.本發(fā)明提供了三種校驗重金屬含量數(shù)據(jù)異常程度的方法，并通過綜合三種校驗結(jié)果，進行異常等級的劃分，避免了單一方法評價的偶然性和主觀性，使土壤重金屬調(diào)查數(shù)據(jù)更加精確可靠。附圖說明圖1為本發(fā)明方法的流程圖。具體實施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，下面結(jié)合附圖及實施案例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的結(jié)構(gòu)圖及具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。圖1為本發(fā)明的流程圖，如圖1所示，包括以下步驟：步驟1隨機多點混合地采集土壤樣本，獲得多個土壤樣本；步驟2將土壤樣本進行前處理后，檢測重金屬的含量，將樣本重金屬含量的相關(guān)數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中；步驟3a對所述樣本重金屬含量數(shù)據(jù)進行數(shù)理統(tǒng)計校驗，通過組間數(shù)據(jù)差異比較，篩選出異常數(shù)值，獲得并存儲所述異常數(shù)值的信息；步驟3b對所述樣本重金屬含量數(shù)據(jù)進行背景檢驗，將所述樣本重金屬含量數(shù)據(jù)與調(diào)查區(qū)域所在省土壤重金屬背景含量的上限(95％分位值)和下限(5％分位值)進行比較，篩選出沒有落入背景含量范圍的異常數(shù)值，獲得并存儲所述異常數(shù)值的信息；步驟3c對所述樣本重金屬含量數(shù)據(jù)進行空間校驗，通過樣本的空間數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，篩選出異常數(shù)值，獲得并存儲所述異常數(shù)值的信息；步驟4對所述異常數(shù)值進行統(tǒng)計，只被步驟3中的一種校驗方法評價為異常數(shù)值的定級為輕度異常；被步驟3中的兩種校驗方法(其中一種校驗方法為空間校驗)評價為異常數(shù)值的定級為中度異常；被步驟3中的三種校驗方法都評價為異常數(shù)值的定級為重度異常。步驟5對校驗出的異常點進行重金屬含量的復(fù)測，將復(fù)測值與初始值對比，評價該點重金屬含量數(shù)據(jù)是否異常，根據(jù)評價結(jié)果，校正，更新重金屬含量數(shù)據(jù)。實施例1在步驟1采集土壤樣本的步驟中，可以在GPS定位的基礎(chǔ)上，以北京市的土壤作為檢測區(qū)域，用不銹鋼土鉆、土刀采集樣方0～20cm表層土壤，不采集外來土或回填土，除去人為污染物質(zhì)。采集樣品按照一定采樣路線和、“隨機”多點混合的原則。每個采樣單元的樣點數(shù)，不少于5點。每一點采取的土樣厚度、深淺、寬狹應(yīng)大體一致；各點都是隨機決定的，在田間觀察了解情況后，隨機定點避免主觀誤差，提高樣品的代表性，采樣一般按S形線路進行，采用5點法采樣，5個樣點由正方形的4個頂點及中心點構(gòu)成；采樣地點應(yīng)避免田邊、路邊、溝邊和特殊地形。一個混合樣品取1kg左右，如果重量超出很多，可以把各點采集的土壤放在一個木盆里或塑料布上用手捏碎攤平，用四分法對角取兩份混合放在布袋或塑料袋里，其余可棄去，附上標(biāo)簽，用鉛筆注明采樣地點、采土深度、采樣日期、采樣人，標(biāo)簽一式兩份，一份放在袋里，一份扣在袋上。共采集樣品808個，有效樣本651個，對每個樣本進行編號。實施例2在步驟2中樣品采集后進行前處理的步驟，室內(nèi)自然晾干，研磨，過100目篩。根據(jù)國家測試標(biāo)準(zhǔn)、相關(guān)分析方法獲取重金屬含量數(shù)據(jù)，檢測方法如下表所示：表1土壤重金屬的分析測試方法獲取土壤重金屬含量數(shù)據(jù)，將含量數(shù)據(jù)導(dǎo)入至系統(tǒng)軟件中，利用SQLServer軟件創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫存儲檢測到的每個樣本的重金屬含量的數(shù)值。對于某采樣點某種重金屬元素缺失將不參與此種重金屬元素的校驗操作；加載好數(shù)據(jù)之后，需要選擇待校驗的重金屬元素；針對不同的校驗方法需要設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)信息。實施例3在步驟3中，數(shù)理統(tǒng)計校驗其主要根據(jù)概率論與數(shù)理統(tǒng)計的思想進行異常點的選取，理論上，沒有人為干擾的情況下，土壤變量應(yīng)符合正態(tài)分布或?qū)?shù)正態(tài)分布，如北京市土壤Cr、Ni含量分布服從正態(tài)分布，Cd、Cu、Pb和Zn含量分布服從對數(shù)正態(tài)分布。M為數(shù)據(jù)均值，S為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差，設(shè)定2倍S時，M-2S至M+2S為95％的置信區(qū)間。本實施例選取95％的置信區(qū)間，根據(jù)該置信區(qū)間，可以選擇出置信區(qū)間之外的異常數(shù)據(jù)，獲得并存儲該異常數(shù)值的信息。背景校驗方法其主要結(jié)合土壤重金屬含量背景值，基于概率論與數(shù)理統(tǒng)計的思想，進行異常點的校驗。針對不同的研究區(qū)域，土壤重金屬含量背景值各異，分別取調(diào)查區(qū)域所在省的土壤重金屬含量背景值的上限值和下限值作為重金屬含量正常區(qū)間，調(diào)查區(qū)域的重金屬含量高于上限或低于下限即認定該重金屬含量數(shù)據(jù)為異常數(shù)值，獲得并存儲該異常數(shù)值的信息?？臻g校驗方法，基于土壤變量局部空間自相關(guān)的思想進行異常數(shù)據(jù)的篩選。土壤重金屬含量值具有空間相關(guān)性，一般來說，對于重金屬含量值高的區(qū)域，其周邊區(qū)域一般來講重金屬含量值也比較高。而在局部整體高含量區(qū)域出現(xiàn)極低值，或者局部整體低含量區(qū)域出現(xiàn)極高值，這種極值可通過統(tǒng)計概率(95％的置信區(qū)間)判斷出來。局部空間自相關(guān)的公式為：Ii=n(xi-x‾)Σj=1nWij(xj-x‾)Σi=1n(xi-x‾)2---(1)]]>公式(1)中n為變量x的觀測次數(shù)，xi、yi分別為位置i和位置j的檢測值，是所有觀測值的平均值，Wij是空間權(quán)重矩陣值，通過I值與閾值范圍的比較，超出閾值的數(shù)值篩選為異常數(shù)值。根據(jù)公式得出檢驗點重金屬含量的I值，I值越小，表明該點重金屬含量數(shù)據(jù)與局部整體土壤重金屬含量差異越大，當(dāng)I值小于一定閾值時，即判定為異常數(shù)據(jù)。統(tǒng)計實施例中北京市土壤樣本中三種重金屬元素的異常數(shù)值數(shù)如下表所示：表2不同元素異常點個數(shù)實施例4在步驟4中，異常數(shù)據(jù)的異常程度進行定級，為后續(xù)是否復(fù)測該元素提供參考。只被步驟3中的一種校驗方法評價為異常數(shù)值的定級為輕度異常；被步驟3中的兩種校驗方法(其中一種校驗方法為空間校驗)評價為異常數(shù)值的定級為中度異常；被步驟3中的三種校驗方法都評價為異常數(shù)值的定級為重度異常。按照異常級別的定級方法，實施例中北京市土壤鎘元素數(shù)據(jù)在3種校驗方法分析下，輕度異常點有248個；中度異常點有33個；高度異常點有1個。砷元素輕度異常點181個；中度異常點3個；高度異常點5個。鉛元素輕度異常196個；中度異常點30個；高度異常點8個。以鎘為例，按照異常等級排列篩選出的土壤樣本，顯示每個異常點的重金屬含量的相關(guān)數(shù)據(jù)，如下表所示：表3鎘元素高度異常點信息樣點原始編號含量值異常程度6740.389高度異常表4鎘元素中度異常點信息表5鎘元素輕度異常點信息實施例5在步驟4中，對校驗出的異常點進行定級之后，為驗證校驗結(jié)果的精度，挑選鎘、砷和鉛三種重金屬元素的中度異常點進行重金屬含量的復(fù)測(鎘元素34個；砷8個；鉛38個)，在重金屬含量復(fù)測之前首先針對校驗出的異常點的含量值進行評價，即得出該點是高值異常還是低值異常，然后將該點初始含量與復(fù)測含量進行對比，查看該點重金屬含量的變化趨勢，如果該點為高值異常點，那么該點重金屬含量復(fù)測值與初始值對比一般應(yīng)該顯示下降的趨勢，本發(fā)明認為在符合預(yù)期變化趨勢的基礎(chǔ)上，重金屬含量值變化在10％及以上，即認為該點符合預(yù)判結(jié)果。當(dāng)復(fù)測結(jié)果與初始值大致一樣的時候即認為該點即為高值異常點或低值異常點。另外在實驗過程中，有個別異常點的重金屬含量值變化與預(yù)判結(jié)果呈現(xiàn)相反的變化趨勢，這種情況有可能是第一次測試或復(fù)測的過程中失誤所導(dǎo)致。以下為各重金屬元素初始值與復(fù)測結(jié)果的匯總表(注：表6、7、8中異常類型為“高值異?！敝冈擖c數(shù)值偏高，“低值異?！敝冈擖c數(shù)值偏低；復(fù)測結(jié)論為“復(fù)測值與初始值一致”表明該點客觀存在，實際就是高值或低值異常點，復(fù)測結(jié)論為“符合預(yù)判”表明該點含量值變化趨勢與預(yù)判趨勢一致，復(fù)測結(jié)論為“初始測試異?！北砻髟擖c初始測試有誤，復(fù)測之后的土壤重金屬含量客觀存在，實際就是高值或低值異常點)表6鎘元素復(fù)測結(jié)果匯總表7砷元素復(fù)測結(jié)果匯總表8鉛元素復(fù)測結(jié)果匯總由表6可知，對于34個鎘元素中重度異常點來看，符合預(yù)判結(jié)果的點有26個點，占比76.5％；7個高值異常點經(jīng)過復(fù)測后，實際客觀存在，該點位確為高值異常點，占比20.6％；復(fù)測結(jié)果異常的點有1個，占比3％。由表7可得出在8個砷元素異常點6個符合預(yù)判結(jié)果，2個點為高值異常點。由表8可得對于38個鉛元素異常點，符合預(yù)判結(jié)果的點有35個點，占比92％；有2個高值異常點和1個測試異常點，總體來看，校驗結(jié)果準(zhǔn)確度均在80％以上，取得了良好的效果。以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，均屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁1 2 3