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树基沟矿区铜胁迫落叶松的光谱响应特征研究

杨丽丽 赵摇 姚玉增

杨丽丽, 赵摇, 姚玉增. 树基沟矿区铜胁迫落叶松的光谱响应特征研究[J]. 中国光学(中英文), 2019, 12(2): 332-343. doi: 10.3788/CO.20191202.0332
引用本文: 杨丽丽, 赵摇, 姚玉增. 树基沟矿区铜胁迫落叶松的光谱响应特征研究[J]. 中国光学(中英文), 2019, 12(2): 332-343. doi: 10.3788/CO.20191202.0332
YANG Li-li, ZHAO Yao, YAO Yu-zeng. Spectral reflected response of Larch to copper stress in Shujigou mining area[J]. Chinese Optics, 2019, 12(2): 332-343. doi: 10.3788/CO.20191202.0332
Citation: YANG Li-li, ZHAO Yao, YAO Yu-zeng. Spectral reflected response of Larch to copper stress in Shujigou mining area[J]. Chinese Optics, 2019, 12(2): 332-343. doi: 10.3788/CO.20191202.0332

树基沟矿区铜胁迫落叶松的光谱响应特征研究

doi: 10.3788/CO.20191202.0332
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51504154

辽宁省教育厅高等学校基本科技研究青年项目 LG201706

详细信息
    作者简介:

    杨丽丽(1979-), 女, 山东莱州人, 博士, 副教授, 硕士生导师, 2002年于东北大学获得学士学位, 2005年于东北大学获得硕士学位, 2012年于东北大学获得博士学位, 主要从事环境监测方面的研究。E-mail:1925415193@qq.com

    赵摇(1991-),男,贵州遵义人,2018年于遵义师范学院获得工学学士学位,主要从事环境监测方面的研究。E-mail:2209171139@qq.com

    姚玉增(1972-),男,山东蒙阴人,博士,副教授,硕士生导师,1995年于东北大学获得学士学位,1998年于东北大学获得硕士学位,2001年于东北大学获得博士学位,主要从事矿床地球化学及遥感地质学方面的研究。E-mail:834019789@qq.com

  • 中图分类号: X87

Spectral reflected response of Larch to copper stress in Shujigou mining area

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51504154

Research on Basic Science and Technology in Universities Supported by Education Department of Liaoning Province LG201706

More Information
  • 摘要: 为了研究长白落叶松光谱对土壤Cu胁迫的响应特征和变化规律,在辽东树基沟矿区的3条勘测线上布置采样点,进行表层土壤的多种重金属元素含量和长白落叶松针叶的反射光谱测定,并提取了7个特征波段,计算了多个波段区间的光谱角,将其与土壤主要重金属铜的含量进行相关分析,建立了回归模型。结果表明:7个光谱特征波段中,"红谷"参数与表层土壤铜含量的相关系数最大,基于"红谷"反射率建立的回归模型的R2达到0.865。光谱角对铜胁迫长白落叶松针叶波段区间[400,716]nm、[400,2 500]nm的光谱变化十分敏感。"红边"位置和反射率与土壤铜含量不相关,不适合区分矿区表层土壤重金属含量间的细微差别。对可见光敏感的"红谷"参数和光谱角均表明反射光谱的差异主要由叶绿素含量控制,小部分受到针叶中水分含量的影响。本研究利用长白落叶松"红谷"和光谱角的"指纹效应",为快速有效反演大面积高植被覆盖区的土壤重金属含量、圈定隐伏矿(化)体提供了理论依据。

     

  • 图 1  树基沟矿区地质简图及3条勘测线上采样点的位置

    Figure 1.  Plane of Copper-Zinc deposits in Shujigou mining area(a) and sampling points along three exploratory lines(b)

    图 2  各采样点表层土壤样品的重金属含量分布图

    Figure 2.  Heavy metal concentration distribution of different sampling points in surface soil

    图 3  3条测线上各个采样点针叶的反射光谱

    Figure 3.  Reflectance spectra of needle leaves in sampling points along three exploratory lines

    图 4  长白落叶松针叶光谱的特征波段波长

    Figure 4.  Characteristic bands wavelength of reflectance spectra of Larix olgensis Henry needle leaves

    图 5  长白落叶松针叶的特征波段的反射率

    Figure 5.  Reflectance of characteristic bands of Larix olgensis Henry needle leaves

    图 6  各个波段区间的光谱角及阈值

    Figure 6.  Spectral angles and their thresholds of different spectral regions

    表  1  反射光谱的7种特征波段

    Table  1.   Seven characteristic bands of reflectance spectra

    名称 光谱特征波段计算方法
    红边 叶片反射光谱一阶导数在670~780 nm的最大值
    紫谷 叶片反射光谱在382~500 nm的最小值
    蓝边 叶片反射光谱一阶导数在450~550 nm的最小值
    绿峰 叶片反射光谱在500~600 nm的最大值
    黄边 叶片反射光谱一阶导数在550~650 nm的最小值
    红谷 叶片反射光谱在600~720 nm的最小值
    红肩 叶片反射光谱在750~950 nm的最大值
    谷1 叶片反射光谱在970 nm附近的最小值
    谷2 叶片反射光谱在1 190 nm附近的最小值
    谷3 叶片反射光谱在1 440 nm附近的最小值
    谷4 叶片反射光谱在1 925 nm附近的最小值
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    表  2  各个采样点污染等级统计表

    Table  2.   Statistical table of pollution level of each sampling point

    污染等级 4# 12# 20#
    采样点编号 采样点个数 百分比/% 采样点编号 采样点个数 百分比/% 采样点编号 采样点个数 百分比/%
    重度污染 4-6 1 11.11 0 0 0 0
    轻度污染 4-5 1 11.11 0 0 0 0
    警戒限 4-4, 4-11,
    4-8, 4-9
    4 44.44 12-4,
    12-6
    2 22.22 0 0
    安全 4-2, 4-3,
    4-7
    3 33.33 12-1, 12-2,
    12-3, 12-5,
    12-7, 12-8,
    12-9
    7 77.78 20-3, 20-4,
    20-5, 20-6,
    20-7, 20-8
    6 100
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    表  3  表层土壤铜含量与光谱特征波段之间的Pearson系数

    Table  3.   Pearson correlation coefficients between copper concentration in soil and characteristic bands

    紫谷ZG-x 绿峰LF-x 红谷HG-x 红肩HJ-x 蓝边LB-x 黄边HB-x 红边REP-x
    土壤中Cu含量 -0.488 -0.114 0.536** -0.353 -0.327 0.215 -0.257
    **在0.01水平(双侧)上显著相关.
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    表  4  表层土壤铜含量与特征波段光谱反射率之间的Pearson相关系数

    Table  4.   Pearson coefficients between concentration of Cu in soil and reflectance of characteristic bands

    紫谷ZG-y 绿峰LF-y 红谷HG-y 红肩HJ-y 蓝边LB-y 黄边HB-y 红边REP-y
    土壤中Cu含量 0.685** 0.553** 0.705** 0.24 0.654** 0.5 0.114
    **在0.01水平(双侧)上显著相关.
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  • [1] 姚玉增, 李维群, 温守钦, 等.红透山地区植被异常遥感信息提取及其找矿意义[J].东北大学学报(自然科学版), 2013, 34(3):421-424. doi: 10.3969/j.issn.1005-3026.2013.03.028

    YAO Y Z, LI W Q, WEN SH Q, et al.. Information extraction of botanical anomaly and its prospecting significance in the Hongtoushan area[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2013, 34(3):421-424.(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1005-3026.2013.03.028
    [2] 王飞, 丁建丽.基于土壤植被光谱协同分析的土壤盐度推理模型构建研究[J].光谱学与光谱分析, 2016, 36(6):1848-1853. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gpxygpfx201606047

    WANG F, DING J L. Soil salinity modelling study with salinity inference model based on the integration of soil and vegetation spectrum in arid land[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2016, 36(6):1848-1853.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gpxygpfx201606047
    [3] 石荣杰, 潘贤章, 王昌昆, 等.污染土壤对脐橙叶片镉含量影响的光谱预测[J].光谱学与光谱分析, 2015, 35(11):3140-3145. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gpxygpfx201511034

    SHI R J, PAN X ZH, WANG CH K, et al.. Prediction of cadmium content in the leaves of navel orange in heavy metal contaminated soil using VIS-NIR reflectance spectroscopy[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2015, 35(11):3140-3145.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gpxygpfx201511034
    [4] 杨可明, 汪国平, 尤笛, 等.重金属铅离子胁迫下玉米叶片光谱弱差信息的DSAT甄别模型[J].光谱学与光谱分析, 2016, 36(8):2568-2572. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gpxygpfx201608041

    YANG K M, WANG G P, YOU D, et al.. DSAT model on identifying the weak difference information of corn leaf spectra stressed by heavy metal lead ion[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2016, 36(8):2568-2572.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gpxygpfx201608041
    [5] 屈永华, 焦思红, 刘素红, 等.从高光谱卫星数据中提取植被覆盖区铜污染信息[J].光谱学与光谱分析, 2015, 35(11):3176-3181. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gpxygpfx201511041

    QU Y H, JIAO S H, LIU S H, et al.. Retrieval of copper pollution information from hyperspectral satellite data in a vegetation cover mining area[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2015, 35(11):3176-3181.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gpxygpfx201511041
    [6] 刘素红, 刘新会, 侯娟, 等.植物光谱应用于白菜铜胁迫响应研究[J].中国科学E辑:技术科学, 2007, 37(5):693-699. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgkx-ce200705012

    LIU S H, LIU X H, HOU J, et al.. Study on the spectral response of Brassica Campestris L. leaf to the copper pollution[J]. Science in China Series E:Technological Sciences, 2008, 51(2):202-208.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/zgkx-ce200705012
    [7] 甘甫平, 刘圣伟, 周强, 等.德兴铜矿矿山污染高光谱遥感直接识别研究[J].地球科学-中国地质大学学报, 2004, 29(1):119-126. doi: 10.3321/j.issn:1000-2383.2004.01.020

    GAN F P, LIU SH W, ZHOU Q, et al.. Identification of mining pollution using hyperion data at Dexing copper mine in Jiangxi Province, China[J]. Earth Science-Journal of China University of Geosciences, 2004, 29(1):119-126.(in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1000-2383.2004.01.020
    [8] 付馨, 赵艳玲, 李建华, 等.高光谱遥感土壤重金属污染研究综述[J].中国矿业, 2013, 22(1):65-68, 82. doi: 10.3969/j.issn.1004-4051.2013.01.017

    FU X, ZHAO Y L, LI J H, et al.. Research on hyper-spectral remote sensing in heavy metal pollution soil[J]. China Mining Magazine, 2013, 22(1):65-68, 82.(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1004-4051.2013.01.017
    [9] 李鑫龙, 陈圣波, 陈磊, 等.基于地面实测光谱的多金属矿区土壤重金属含量反演研究[J].科学技术与工程, 2014, 14(7):121-125. doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2014.07.025

    LI X L, CHEN SH B, CHEN L, et al.. Study on the inversion of soil heavy metal elements concentrations from field spectra in the polymetallic mining area[J]. Science Technology and Engineering, 2014, 14(7):121-125.(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1671-1815.2014.07.025
    [10] 黄元超, 王阿川.基于空谱联合和波段分类的高光谱压缩感知重构[J].液晶与显示, 2018, 33(4):291-298. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yjyxs201804005

    HUANG Y CH, WANG A CH. Hyperspectral compressed perceptual reconstruction based on space spectrum combination and band classification[J]. Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays, 2018, 33(4):291-298.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yjyxs201804005
    [11] 吴龙国, 王松磊, 何建国, 等.基于高光谱成像技术的土壤水分机理研究及模型建立[J].发光学报, 2017, 38(10):1366-1376. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/fgxb201710016

    WU L G, WANG S L, HE J G, et al.. Soil moisture mechanism and establishment of model based on hyperspectral imaging technique[J]. Chinese Journal of Luminescence, 2017, 38(10):1366-1376.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/fgxb201710016
    [12] 冯迪, 纪建伟, 张莉, 等.基于高光谱成像提取苹果糖度与硬度最佳波长[J].发光学报, 2017, 38(6):799-806. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/fgxb201706016

    FENG D, JI J W, ZHANG L, et al.. Optimal wavelengths extraction of apple brix and firmness based on hyperspectral imaging[J]. Chinese Journal of Luminescence, 2017, 38(6):799-806.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/fgxb201706016
    [13] YAO Y Z, LI W Q, WEN SH Q, et al.. Red edge shift and its implication for buried ore prospecting A case study of Shujigou copper mine, Liaoning, P.R. China[J]. Key Engineering Materials, 2012, 500:212-217. doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.500
    [14] 郝明, 杨言辰, 张国宾, 等.辽宁树基沟铜锌矿床地球化学特征及成因[J].世界地质, 2014, 33(2):337-347. doi: 10.3969/j.issn.1004-5589.2014.02.010

    HAO M, YANG Y CH, ZHANG G B, et al.. Geochemical characteristics and genesis of Shujigou Cu-Zn deposit, Liaoning[J]. Global Geology, 2014, 33(2):337-347.(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1004-5589.2014.02.010
    [15] 涂常青, 温欣荣, 张镜, 等.硫化铜矿区周边农田土壤重金属污染及其生态危害评价[J].土壤通报, 2013, 44(4):987-992. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/trtb201304037

    TU CH Q, WEN X R, ZHANG J, et al.. Evaluation of the heavy metals pollution and its ecological risks of the farmland soil around the cupric sulfide ore district[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2013, 44(4):987-992.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/trtb201304037
    [16] 朱叶青, 屈永华, 刘素红, 等.重金属铜污染植被光谱响应特征研究[J].遥感学报, 2014, 18(2):335-352. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ygxb201402007

    ZHU Y Q, QU Y H, LIU S H, et al.. Spectral response of wheat and lettuce to copper pollution[J]. Journal of Remote Sensing, 2014, 18(2):335-352.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ygxb201402007
    [17] 杜立宇, 梁成华, 刘桂琴.红透山铜尾矿重金属分布及其对土壤重金属污染的影响[J].土壤通报, 2008, 39(4):938-941. doi: 10.3321/j.issn:0564-3945.2008.04.054

    DU L Y, LIANG CH H, LIU G Q. The distribution characteristics of heavy mteals in Cu mine tailing and effect of heavy metals on pollution of soils in the Areas of HongTou Mountians[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2008, 39(4):938-941.(in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:0564-3945.2008.04.054
    [18] 杨丽丽, 姚玉增, 贾晟哲, 等.辽东树基沟铜锌矿矿区表层土壤重金属分布[J].沈阳理工大学学报, 2018, 37(1):17-22. doi: 10.3969/j.issn.1003-1251.2018.01.005

    YANG L L, YAO Y Z, JIA CH ZH, et al.. Heavy metal distribution in the surface soil of Shujigou copper-zinc mining area eastern Liaoning[J]. Journal of Shenyang Ligong University, 2018, 37(1):17-22.(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1003-1251.2018.01.005
    [19] 唐鹏, 刘光, 徐俊锋.植物重金属胁迫的高光谱遥感研究进展[J].杭州师范大学学报(自然科学版), 2014, 13(6):634-640. doi: 10.3969/j.issn.1674-232X.2014.06.014

    TANG P, LIU G, XU J F. The progress of hyperspectrum remote sensing under heavy metal stress in plants[J]. Journal of Hangzhou Normal University(Natural Science), 2014, 13(6):634-640.(in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1674-232X.2014.06.014
    [20] 邬登巍, 吴昀昭, 马宏瑞.植物污染胁迫遥感监测研究综述[J].遥感技术与应用, 2009, 24(2):238-245. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ygjsyyy200902019

    WU D W, WU Y ZH, MA H R. Review on remote sensing monitoring on contaminated plant[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2009, 24(2):238-245.(in Chinese) http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/ygjsyyy200902019
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-21
  • 修回日期:  2018-07-06
  • 刊出日期:  2019-04-01

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