不同铅浓度土壤XRF光谱的频率域去噪及规律研究.pdf

第40卷，第9期 2 0 2 0年9月 光谱学与光谱分析 Spec t ros c opyand Spec t ralAnalys is Vo l 40, No . 9 ,pp2875-2883 Sept ember 2020 不同铅浓度土壤XRF光谱的频率域去噪及规律研究 付萍杰】，杨可明2,刘浦东1 1. 山东建筑大学测绘地理信息学院，山东济南250101 2. 中国矿业大学（北京）煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083 摘 要 摘 要 近年来，全球工业快速发展和城市化的推进引发了一系列环境问题，其中土壤重金属铅（Pb）污染 引起了科研人员的广泛关注 X射线荧光（XRF）光谱技术具有成本低、分析速度快、适合大面积监测等优 势，已被广泛应用在土壤污染检测与生态环境保护等多个领域，发展前景广阔，因此充分挖掘土壤XRF光 谱信息具有很强的现实意义，可为高效地进行土壤污染检测、土壤环境生态指标参量反演及矿区重金属污 染早期预警等提供解决方案目前关于XRF光谱研究大多集中在土壤重金属浓度测量结果的精度评价和环 境质量评估，而对于土壤XRF光谱差异特征变化的深入分析研究较少时频分析可将时域复杂信号变换到 频率域空间，从频率域角度检测光谱、信号中存在的异常信息，是一种有效的谱差异特征变化检测方法，其 中,谐波分析（HA）可用于电磁信号去噪；平滑伪魏格纳分布（SPWVD）可筛选合适的基函数,突出信号时频 局域性细节特征首先采用HA方法探究不同Pb浓度土壤XRF光谱的去噪效果,然后利用光谱的SPWVD 研究实地采样土壤样品的去噪XRF光谱局部规律研究结果表明当谐波分解次数为400时,土壤XRF光 谱去燥效果较好并节省了时间,且保留了光谱的特征 土壤样品Pb浓度与XRF光谱的SPWVD在400和 600〜700波段序列上的频率峰值的分布具有一定的规律性，根据此规律性可识别该地区土壤的Pb浓度超 标全部实地采样土壤中,能够识别75的Pb浓度不超标的样品,在波段序列为400附近有1个较高的频 率峰（频率小于400 Hz）或有2个很强的频率峰值（频率大于400 Hz）；全部实地采样土壤中,能够识别 79. 17的Pb浓度超标的样品,在波段序列为400附近有1个很强的频率峰（频率大于400 Hz）,且在600〜 700波段序列之间有3个层次明显的频率峰分布，据此推断该地区土壤Pb浓度超标的XRF光谱特征波段区 间为6. 42和9. 42〜10. 92 k eV因此,研究通过引入时频分析法实现了对土壤XRF光谱频域甄析和可视化 显现，为深度挖掘Pb污染谱规律特征及异常信息提供一种新思路 关键词 关键词 重金属；土壤X射线荧光光谱；谐波分析；平滑伪维格纳-威尔分布 中图分类号中图分类号TP7 文献标识码文献标识码A DOI 10.3964is s n. 1000-0593（2020）09-2875-09 引言 土壤是人类生产生活、万物依存的关键载体，是参与生 态系统循环的主要组成部分也是一种极其重要的自然 资源由于一些人为干扰及自然原因，土壤中重金属浓度将 逐渐增大，当土壤中重金属浓度超过了当地环境背景值时, 其累积效应会影响土地承载力，长此以往致使土壤中重金属 浓度远远高于原生态的浓度，最终导致土壤重金属污染，引 发生态环境恶化近年来，全球工业的快速发展和城市化的 推进引发了一系列环境问题，其中土壤重金属污染备受关 注 铅（Pb）是高毒性重金属，荧光传感器能够高效、准确地 检测Pb浓度⑷,因此引入荧光光谱对Pb重金属浓度进行高 效测量基于荧光强度与Pb重金属浓度之间的线性回归模 型,采用便携式X射线荧光光谱仪（port able X-ray f lu ores c enc e, PXRF）进行综合检测是测量土壤Pb总浓度的有效技 术方案 X射线荧光（X-ray f lu ores c enc e, XRF）光谱具有 成本低、分析速度快、操作简单、可同时分析多类重金属且 适合大面积监测等优势，已被广泛应用于土壤、纺织材 收稿日期收稿日期2019-08-10，修订日期修订日期2019-12-18 基金项目基金项目国家自然科学基金项目 td z 3 式⑶中“为光谱曲线的复数共轭；，为时移；为 积分变量；， 2 “, 2 为光谱瞬时相关函数。 光谱Wig ner-Ville分布相对于其他方法具有很好的时频 聚集性％较高时频分辨率及平移不变性等优点在光谱信号 分析中优势明显。但Wig ner-Ville分布也有其自身缺点其 2878 光谱学与光谱分析第 40 卷 时频分析结果在很大程度上受交叉项干扰影响结果中出现 的一些虚假信号会影响时频分析结果的准确性掩盖光谱信 号中的有效信息。如果将一条光谱表示为两条光谱之和, 如]2，则 Wx , ; 2 ， ； 2Re｛12 , ; 5 4 式4中 W是光谱,的魏格纳分布 W1与W2分别是 光谱1 ,与光谱2 ，的魏格纳分布 W12是光谱1 ，与 光谱2，交叉项的魏格纳分布。 从式4中可以看出两条光谱和的魏格纳分布不等于 每条光谱魏格纳分布之和而是还存在两条光谱交叉项的影 响。为了解决交叉项干扰的问题可以充分发挥核函数的作 用在Wig ner-Ville分布中同时加入频域窗函数和时域窗函 数，这样经过变换的Wig ner-Ville分布就变为了平滑伪 Wig ner-Wille 分布s moot hed ps eu d o Wig ner-Ville d is t ribu t ion SPWVD 计算公式为 SPWVD, , s moot hed ps eu d o Wig ner-Ville d is t ribu t ion SPWVD s elec t s t he appropriat e bas is f u nc t ion in ad v anc e , w hic h c an hig hlig ht t he t ime-f requ enc y lo c al d et ails of t he orig inal s ig nal. This paper f irs t ly u s ed HA met hod t o ex plore t he d enois ing e fec t of s oil XRF s pec t ra w it h d if f erent Pb c onc ent rat ions , and t hen u s ed SPWVD of t he s pec t ru m t o s t u d y t he loc al law of d enois ing XRF s pec t ra of s oil s amples s ampled inhef ield .Theres u ls s how ed haw henhenu mberof harmonic d ec ompos iion w as 400 s oil XRF s pec ru m d e-d r- ying efec w as beerand s av ed ime and reained hec harac eris ic s of hes pec ru m.ThePbc onc enraionof s oils amples and t he d is t ribu t ion of f requ enc y peak s of SPWVD in t he XRF s pec t ru m on t he 400 , 600〜700 band s equ enc es had c ert ain reg u larit y. Ac c ord ing t ot his reg u larit y t hePbc onc ent rat ionof s oilint his areac ou ld beid ent if ied as ex c eed ing t hes t and ard inalin-s it u s ampled s oil , 75 of s amples w it h ex c es s iv e Pb c onc ent rat ions c ou ld be id ent if ied , t here w as a hig her f requ enc y peak near t he band s equ enc e of 400 f requ enc y les s t han 400 Hz or 2 v ery s t rong f requ enc y peak s f requ enc y g reat er t han 400 Hz ； in al in- s iu s ampled s oil 79.17 of s amples w ihPbc onc enraionnoex c eed ed hes and ard c ou ld beid enif ied here w as as rong 第9 期光谱学与光谱分析 2883 f requ enc y peak f requ enc y g reat er t han 40 0 Hz near t he band s equ enc e of 400 and t here w ere 3 d is t inc t f requ enc y peak d is t ri bu t ions bet w een t he 600 and 700 band s equ enc es . Ac c ord ing ly it w as inf erred t hat t he XRF s pec t ral c harac t eris t ic band int erv al of s oil Pb c onc ent rat ion ex c eed ing t he s t and ard in t his area w as 6. 42 and 9. 42〜10. 92 k eV. Theref ore, by int rod u c ing t he t ime f requ enc y analys is met hod, s oil XRF s pec t ral f requ enc y d omain analys is and v is u alizat ion are realized, w hic h prov id es a new id ea f ord eep mining t hec harac t eris t ic s of Pbpolu t ions pec t ru mand abnormalinf ormat ion. Keywords Heav y met al； Soil XRF s pec t ra； Harmonic analys is ； Smoot hed ps eu d o Wig ner-Ville d is t ribu t ion Rec eiv ed Au g . 10, 2019 ac c ept ed Dec .18, 2019 “Corres pond ing au t hor 关于光谱学与光谱分析调整审稿费收费标准的通知 尊敬的光谱学与光谱分析广大作者、读者我刊自2018年7月1日以后登记的稿件向投稿作者收取审稿费200元/篇, 在您投稿之前，为免受经济损失，请您必须考虑 1没有创新的一般性稿件没有创新的一般性稿件，请您不要投稿请您不要投稿。 2. 没有国家级基金资助的稿件没有国家级基金资助的稿件，请您不要投稿请您不要投稿。 3. 不是光谱专业的稿件不是光谱专业的稿件，请您不要投稿请您不要投稿。 4. 与其他文章重合率超过与其他文章重合率超过10的稿件的稿件，请您不要投稿请您不要投稿。 所投稿件经初审通过后,作者会收到缴纳审稿费的通知请作者及时从我刊网站ht t p//w w w . g px yg pf x . c om查询稿件 是否处于交审稿费状态，在收到通知后，请及时缴纳审稿费；如在10天之内没有收到您的审稿费，被视为自动放弃，我刊不 再受理交费后我刊开据增值税电子普通发票，并传至作者提供的电子邮箱，作者可自行打印。 联系电话010-62181070, 62182998 电子邮箱 c hng px yg pf xv ip s ina c om 感谢您多年来对光谱学与光谱分析的支持和厚爱 光谱学与光谱分析期刊社 2018年6月30日