CN109060858A - 一种土壤重金属浓度空间分布预测准确性的定量评价方法 - Google Patents

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乔鹏炜
雷梅
顾闰尧
郭广慧
陈同斌
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Abstract

本发明实施例提供了一种土壤重金属浓度空间分布预测准确性的定量评价方法，可定量评价基于FPXRF测定数据的空间分布预测准确性。所述方法利用一致性度量CM为评价指标，以自然裂点法为预测结果的污染等级分级方法，以基于实验室测定数据的空间分布预测结果为假设真实情况，对基于FPXRF测定数据的空间分布预测结果进行分析评价，从污染物浓度总体空间分布和不同污染等级空间分布两个角度，定量评价基于FPXRF测定数据的空间分布预测准确性。本发明所述方法突破了单纯从单点样品角度评价FPXRF准确性和适用性的局限性，提供了从空间分布预测角度评价基于FPXRF测定数据的空间分布预测准确性的有效方法，为全面评价FPXRF准确性和适用性提供理论依据。

Description

一种土壤重金属浓度空间分布预测准确性的定量评价方法
技术领域
本发明属于土壤污染检测技术领域，特别涉及一种土壤重金属浓度空间分布预测准确性的定量评价方法。
背景技术
FPXRF(便携式X射线荧光光谱仪)在土壤污染调查中的应用获得迅速发展，利用FPXRF测定土壤重金属浓度数据并进行空间分布预测是污染评价及土壤修复的前提。在土壤污染调查中，往往需要根据FPXRF测定数据分析土壤重金属总体空间分布，并识别重点区域空间位置，划分区域面积和边界，基于FPXRF获得的空间分布预测的准确性直接影响土壤污染调查工作可信度。当前由于基于FPXRF获得的空间分布预测结果与基于化学测定数据空间分布预测结果之间存在差异性，导致重金属总体空间分布及重点区域识别准确性较低。这就限制了FPXRF在土壤污染调查中的适用性。
目前还没有针对基于FPXRF获得的空间分布预测准确性进行分析的研究，已有研究只涉及了分析FPXRF测定单点土壤样品重金属浓度的准确性。虽然 FPXRF测定单点土壤样品重金属浓度误差是基于FPXRF获得的空间分布预测误差的根本来源，但进行空间分布预测是将样点误差转化为面误差的过程，可以放大或缩小样点误差。因此，从重金属空间分布角度分析基于FPXRF获得的空间分布预测准确性对土壤污染调查具有更深远的意义。
现有的空间分布预测准确性评价指标主要有RMSE(均方根误差)、CRD (相对偏差系数)、Kappa系数和OA(总体精度)等。但RMSE、CRD和OA 都难以对污染物空间分布情况和具体污染区域识别准确性做出评价，而Kappa 系数在理论上存在两个反论，没有被学界完全接受。另外，在土壤污染调查和土壤修复中，往往需要将污染数据进行分级，以确定污染范围，现有空间分布预测准确性评价指标并未涉及。为解决以上问题，需要开发一种从空间分布预测角度，可定量分析基于FPXRF测定数据的空间分布预测准确性的方法，以更加全面评价FPXRF准确性和适用性。
发明内容
针对上述现有的土壤污染FPXRF测定数据的空间分布预测准确性评价存在的问题，本发明旨在提出一种土壤重金属浓度空间分布预测准确性的评价方法，可从土壤重金属浓度空间分布角度，定量评价基于FPXRF测定数据的空间分布预测准确性。
本发明的实施例提供一种土壤重金属浓度空间分布预测准确性的定量评价方法，包括步骤如下：
步骤1：分别采用实验室化学分析测定和FPXRF测定对土壤重金属浓度进行分析，得到两套土壤重金属浓度数据集；
步骤2：对所述两套数据集分别进行空间插值，得到基于实验室测定数据的空间分布图和基于FPXRF测定数据的空间分布图；
步骤3：采用自然裂点法将基于实验室化学分析测定数据的空间分布预测结果划分为若干污染等级，并根据各等级的等级断裂点将基于FPXRF测定数据的空间分布预测结果也对应划分出同等数目的污染等级；
步骤4：分别将基于实验室测定数据和基于FPXRF测定数据的空间分布图中相同污染等级的图层进行叠加对比，根据两个图层中空间分布一致的面积，计算出各污染等级空间分布一致的程度，给出该污染等级基于FPXRF测定的土壤重金属浓度空间分布的预测准确性的定量评价；
步骤5：统计全部污染等级中空间分布一致的总面积，计算出总体的空间分布一致的程度，给出基于FPXRF测定的土壤重金属浓度总体空间分布的预测准确性的定量评价。
优选地，所述步骤3中，将基于实验室化学分析测定数据的空间分布预测结果按照自然裂点法分为三个污染等级，根据二个等级断裂点将基于FPXRF 测定数据的空间分布预测结果也分为对应的三个污染等级。
优选地，采用空间分布一致性度量(Consistency Measure，CM)定量表示两个叠加对比的图层中空间分布一致的程度，CM值的计算公式为：
其中：A1和A2分别表示进行叠加对比的两个图层的空间分布面积，A1∩2表示两个图层的空间分布的重叠部分的面积，CM值变化范围从0到1，CM值越大表明两个图层空间分布一致性越高。
进一步优选地，设定空间分布一致性度量CM值大于0.8时，基于FPXRF 测定数据的空间分布预测结果可信。
本发明实施例的上述技术方案利用空间分布一致性度量作为评价指标，以自然裂点法作为空间分布预测结果划分方法，分别获得基于实验室测定数据和 FPXRF测定数据的空间分布预测结果，从污染物总体空间分布和不同污染等级空间分布两个角度，计算实验室测定数据的预测结果与FPXRF测定数据的预测结果之间的CM值，其有益效果为：
从空间分布角度对基于FPXRF测定的土壤重金属数据进行预测准确性定量评价，可以作为单点样品测定效果评价的补充，更加全面的评价FPXRF测定的准确性和适用性；同时，空间分布一致性度量CM和自然裂点法相结合的分析评价结果针对性强，对土壤污染物空间分布调查和污染修复工作具有实际指导意义。
附图说明
图1为本发明实施例提供的土壤重金属浓度空间分布预测准确性的定量评价方法的流程示意图；
图2本发明实施例提供的评价方法的一致性度量参数CM计算原理示意图，其中，图2a中CM＝0，图2b中0<CM<1.0，图2c中CM＝1.0；
图3为本发明实施例分别基于实验室和FPXRF测定获得的土壤As浓度空间分布对比图；
图4为本发明实施例土壤As污染空间分布图，其中，图4a基于实验室化学分析测定，图4b基于FPXRF测定；
图5为本发明实施例各污染等级下基于实验室和FPXRF测定数据的空间分布叠加对比图，其中，图5a所示为污染等级1的数据，图5b所示为污染等级2的数据，图5c所示为污染等级3的数据。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
针对现有技术空间分布预测准确性评价存在的不足，本发明提供了一种可从污染物空间分布角度定量评价FPXRF测定数据空间分布预测准确性的方法，以弥补单纯从单点样品角度评价FPXRF适用性的局限性。
当前，在土壤污染调查和土壤修复中，往往需要将污染物按浓度划分为不同等级，确定修复范围和边界。常用的空间分布预测准确性评价方法难以从空间分布角度对预测准确性进行详细描述。因此，本发明提出利用空间分布一致性度量CM作为预测准确性定量评价指标。此外，污染物浓度等级划分方式不同，得到的预测准确性也会存在差异。因此，为分析污染总体规律，减少污染等级划分主观因素干扰，本发明提出按照自然裂点法对污染浓度数据进行分级。
本发明的实施例提供一种土壤重金属浓度空间分布预测准确性的定量评价方法，对FPXRF测定数据空间分布预测准确性的定量评价从不同污染等级空间分布和污染物总体空间分布两个方面进行，图1所示为本评价方法的基本流程，具体步骤为：
S1：分别采用实验室化学分析测定和FPXRF测定对土壤重金属浓度进行分析，得到两套土壤重金属浓度数据集；
S2：对所述两套数据集分别进行空间插值，得到基于实验室测定数据的空间分布图和基于FPXRF测定数据的空间分布图；
S3：采用自然裂点法将基于实验室化学分析测定数据的空间分布预测结果划分为若干污染等级，并根据各等级的等级断裂点将基于FPXRF测定数据的空间分布预测结果也对应划分出同等数目的污染等级；
S4：分别将基于实验室测定数据和基于FPXRF测定数据的空间分布图中相同污染等级的图层进行叠加对比，根据两个图层中空间分布一致的面积，计算出各污染等级空间分布一致的程度，给出该污染等级基于FPXRF测定的土壤重金属空间分布的预测准确性的定量评价；
S5：统计全部污染等级中空间分布一致的总面积，计算出总体的空间分布一致的程度，给出基于FPXRF测定的土壤重金属总体空间分布的预测准确性的定量评价。
作为一个具体的实施方式，其中：
步骤S1中，将基于实验室化学分析测定数据的空间分布预测结果作为基准，对基于FPXRF测定数据的空间分布预测结果进行评价；
步骤S2中，利用ArcGIS软件对两套数据集分别进行空间插值，从而得到基于实验室测定数据的空间分布图和基于FPXRF测定数据的空间分布图；
步骤S3中，采用ArcGIS软件中的自然裂点法(Natural Break(Jenks))将基于实验室化学分析测定数据的空间分布预测结果划分为三个污染等级，即污染等级1、2和3，并根据各等级的等级断裂点将基于FPXRF测定数据的空间分布预测结果也对应划分出三个污染等级；采用自然裂点法进行分级，即利用统计数列中存在的一些自然转折点、特征点，将空间分布预测结果划分成性质相似的群组，并保证各级别内变异总和达到最小；
步骤S4中，将基于实验室测定数据和基于FPXRF测定数据的空间分布图中相同污染等级的图层进行叠加对比时，以污染等级1为例，将两个污染等级1图层进行叠加，在ArcGIS中做相交处理，两个图层重叠的面积为正确划分的区域，定量评价污染等级1的预测准确性，具体的，利用空间分布一致性度量参数CM为评价指标。CM值主要通过叠加基于实验室测定数据的空间分布预测结果与基于FPXRF测定数据的空间分布预测结果获得，CM值计算公式为：
空间分布一致性度量CM值变化范围从0到1，CM值越高，表明两个图层一致性越高。如图2a至图2c所示，CM值从0到1变化，其中：图2a中， A1和A2两个图层完全没有一致性，此时CM＝0；图2b中，A1和A2两个图层存在重叠部分，此时0<CM<1.0；图2c中，两个图层完全重叠一致，此时CM＝1。以此类推，计算污染等级2和污染等级3的预测准确性；
步骤S5中，统计全部污染等级中空间分布一致的总面积，计算出总体的空间分布一致性度量CM值，从而得到基于FPXRF测定的土壤重金属总体空间分布的预测准确性的定量评价。步骤S5中，参照步骤S4，将污染等级1至 3的空间分布一致的面积相加，得到全部污染等级中空间分布一致的总面积，再除以空间分布总面积，即可得到总体的空间分布一致程度。以下通过一组土壤污染物测定的具体实验数据对本实施例进行进一步说明：
土壤污染物测定地点为北京市，主要针对土壤中的As污染进行调查测定。如图3所示，分别通过实验室化学分析(AFS)和FPXRF测定获得两套数据集。从图中可以看出，FPXRF测定数据(圆点线条)与实验室化学分析数据 (方点线条)之间具有一定误差，总体来说，当As浓度相对较低时，FPXRF 测定浓度相对低于实验室测定数据，而当As浓度相对较高时，FPXRF测定浓度相对高于实验室测定数据。
如图4a和图4b所示即为利用ArcGIS软件处理上述两套数据集得到的土壤As污染空间分布预测结果图。本实施例中，具体将As污染等级划分为三级，具体方法为：
图4a中，在ArcGIS软件中采用自然裂点法将基于实验室化学分析测定获得的土壤重金属污染空间分布预测结果进行污染等级划分，各等级分别设置为：等级1为7.43～9.68；等级2为9.68～11.03；等级3为11.03～20.17，因此等级断裂点分别为9.68和11.03。
图4b中，将基于FPXRF测定数据的空间分布预测结果也按照基于实验室测定的三个等级之间的等级断裂点进行设置，相应的也分为三个等级，各等级设置为：等级1为5.11～9.68；等级2为9.68～11.03；等级3为11.03～23.08。
基于实验室测定数据和FPXRF测定数据在各污染等级间的空间分布叠加对比图如图5a至图5c所示。三个污染等级空间分布预测准确性CM值的计算。对于污染等级1，基于两套数据空间分布预测结果重叠区域的面积为4989.3km2，污染等级2为1452.5km2，污染等级3为195.5km2。基于两套数据的空间分布预测两个结果中等级1面积的总和为18656.4km2，等级2为11174.4km2，等级3为3699.5km2。根据CM值计算方法，最终得到三个污染等级空间分布预测准确性CM值分别为：等级1CM值为0.53，等级2CM值为0.26，等级3CM 值为0.11。
污染物总体空间分布预测准确性CM值计算。基于两套测定数据获得的污染物空间分布结果图中，三个污染物等级预测正确的区域面积(即图5a至图 5c三幅图中两图层重叠区域)总和为6637.3km2，空间分布总面积为 16765.15km2,计算得到污染总体空间分布预测准确性的CM值为0.40。实际工作中，通常当空间分布一致性度量CM值大于0.8时，表示基于FPXRF测定数据的空间预测准确性可以接受，预测结果较为可信。
本发明提出的从土壤重金属空间分布角度定量评价基于FPXRF测定数据的空间分布预测准确性的方法，包括：利用空间分布一致性度量参数CM作为评价指标，以自然裂点法作为空间分布预测结果划分方法；利用ArcGIS软件分别获得基于实验室测定数据和FPXRF测定数据的空间分布预测结果；分别从污染物总体空间分布和不同污染等级空间分布两个角度，计算基于实验室测定数据的预测结果与FPXRF测定数据的预测结果之间的CM值。
如上所述，采用空间分布一致性度量CM和自然裂点法相结合的方法进行分析，定量评价土壤重金属污染物总体空间分布和不同污染等级空间分布预测准确性，更加贴近环境学土壤污染物空间分布调查和污染修复工作实际情况，分析结果具有较强针对性，对于土壤污染调查工作具有实际的指导意义。
对于上述的本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识未作过多描述。以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种土壤重金属浓度空间分布预测准确性的定量评价方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1：分别采用实验室化学分析测定和FPXRF测定对土壤重金属浓度进行分析，得到两套土壤重金属浓度数据集；
步骤2：对所述两套数据集分别进行空间插值，得到基于实验室测定数据的空间分布图和基于FPXRF测定数据的空间分布图；
步骤3：采用自然裂点法将基于实验室化学分析测定数据的空间分布预测结果划分为若干污染等级，并根据各等级的等级断裂点将基于FPXRF测定数据的空间分布预测结果也对应划分出同等数目的污染等级；
步骤4：分别将基于实验室测定数据和基于FPXRF测定数据的空间分布图中相同污染等级的图层进行叠加对比，根据两个图层中空间分布一致的面积，计算出各污染等级空间分布一致的程度，给出该污染等级基于FPXRF测定的土壤重金属空间分布的预测准确性的定量评价；
步骤5：统计全部污染等级中空间分布一致的总面积，计算出总体的空间分布一致的程度，给出基于FPXRF测定的土壤重金属总体空间分布的预测准确性的定量评价。
2.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，所述步骤3中，将基于实验室化学分析测定数据的空间分布预测结果按照自然裂点法分为三个污染等级，根据二个等级断裂点将基于FPXRF测定数据的空间分布预测结果也分为对应的三个污染等级。
3.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，采用空间分布一致性度量CM定量表示两个叠加对比的图层中空间分布一致的程度，CM值的计算公式为：
其中：A1和A2分别表示进行叠加对比的两个图层的空间分布面积，A1∩2表示两个图层的空间分布的重叠部分的面积，CM值变化范围从0到1，CM值越大表明两个图层空间分布一致性越高。
4.根据权利要求3所述的方法，设定空间分布一致性度量CM值大于0.8时，基于FPXRF测定数据的空间分布预测结果可信。
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