[发明专利]土壤污染程度检测系统

权利要求书

1.一种土壤污染程度检测系统，其包括依次连接的如下单元：

采样单元，用于对选定区域进行土壤采样；

预处理单元，用于对土壤采样物进行处理；

光谱扫描单元，用于对土壤采样物进行光谱扫描；

光谱信号处理单元，用于对光谱信号进行处理；

检测与预警单元，用于将处理后的信号与设定阈值进行比较，并对超过阈值的信号值进行报警。

2.如权利要求1的土壤污染程度检测系统，所述用于对选定区域进行土壤采样的采样单元包括：

采样数量确定子单元，用于在采样前确定采样数量P，是由方差值和平均值与真值的差值计算采样数量，且P为≥19的自然数；

采样处理子单元，用于根据采样区域的面积大小，采用蛇形采样，采样深度选择为30CM，根据计算出的采样数量进行采样，采样时，先采出一个采样剖面，在平行于剖面进行采样，采土方向垂直于地面，将采样后的土壤混合在一起，再将混合厚度土壤采样物破碎，去除石头、植物根系，混合并展成四边形，划分对角线分成四份，取其中的对角的两份，反复进行多次后，将土壤采样物的重量控制在需要的重量，接着对将采样物经盐酸、硝酸、高氯酸进行处理；

所述预处理单元包括：

铺布子单元，用于将土壤采样物放置于样品容器中，摇动使其上表面基本平坦地分布，然后将样品放置于石英窗口上；

旋转子单元，用于在测量过程中，使土壤采样物随着样品容器仪器旋转；

光谱扫描单元包括如下子单元：

平均光谱获得子单元，用于借助于所述旋转子单元在所述旋转过程中进行光谱分析获取多次旋转扫描分析后得到的平均光谱，样品容器的旋转速度是4cm/s，土壤采样物在40s内会被扫描64次，算数平均后的光谱作为一个采样光谱；每个样品放置于不同样品容器中，测量两次，再次平均后的光谱数据用于信号处理；

所述信号处理基于所述光谱信号处理单元，所述光谱信号处理单元包括：

校正子单元，用于采集参比信号，采集被测信号，获取原始吸收光谱，确定校正参考基准波长，利用校正参考基准波长校正吸收光谱；所述校正参考基准波长通过如下计算得到：

光谱矩阵记为X(M*K)，其中第i个波长变量代表光谱矩阵X中第i个列向量，记N＝min(m-1,k),在进行第一次迭代运算前n＝1,任意选择光谱矩阵的某一列，记为变量x_k(0)；把没有被选入的列向量位置集合记为T，

分别计算x_k(n-1)对剩下列变量的投影，记为：

记k(n-1)＝arg(max(||P_j||),j∈T)；n＝n+1，如果n＝N,令x_k(n-1)作为被选入的列变量，回到上述列向量位置计算步骤再进行计算，采用多元线性回归法对新选择的变量集合{x_k(0),x_k(1),…,x_k(n-1)}进行评估，得到校正参考基准波长值；

获得土壤采样物的光谱扫描输出值后，为了去除背景干扰获得更高信噪比的土壤光谱数据，以提高后期所建立的土壤成分预测模型的稳健性和预测能力，需要对P个样本的数据进行如下处理：

计算采样物的光谱均值：

对未知样品光谱x(1×m),通过下列式子得到处理后的光谱x_centered：

接着计算光谱标准差值:

对光谱采样值进行如下处理：

对整个光谱采样信号值进行如下处理，得到处理后值X：

其中，n为采样样品数，为波长点数,Xn对应于作为第N个样本的采样物的光谱均值；

得到光谱信号后，所述光谱信号处理还包括，等间隔光谱采样，进行二维小波变换，接着进行小波系数矩阵固定窗口横向扫描，获取非平稳噪声方差估计向量和信号方差估计向量，对窗口宽度进行逐点调整，再进行二次扫描，获取精确噪声方差估计向量和精确信号方差估计向量，然后通过贝叶斯阈值收缩去噪，最后进行二维小波反变换取中心行向量作为信号输出值；

所述对窗口宽度进行逐点调整包括：首先进行固定窗口的噪声方差估计，定义固定窗口W_m×n，宽度m设定为经验值，高度n为系数矩阵高度，将窗口宽度沿对角高频系数矩阵中心行向量上逐点横向滑动，其中使用窗口内小波系数估算中心行的噪声方差向量，根据所述噪声方差向量的变化率，动态调整窗口宽度，具体为根据噪声在所有小波系数中近似均匀分布的性质，以及小波基的线性相位性质，高层小波系数的噪声方差向量可由上一层的噪声方差向量中将相邻两个方差求平均得到，对信号方差向量进行估算，其估算方法与上述噪声方差向量估算方法类似，但由于信号方差集中在部分小波系数中，各小波分解层上有较大差异，需要进行分层估算，在所计算的层的各方向系数矩阵的中心行向量上分别横向滑动，利用该层窗口内各分解方向上的所有小波系数，估算该层的信号方差向量，根据信号方差向量的变化率动态设置，重新设置串口宽度，设定信号窗口调整阈值，利用新窗口再次估算每层的信号方差向量，再求得每层小波系数矩阵的阈值向量，对于高频横向系数矩阵、纵向高频系数矩阵、对角高频系数矩阵的每一行，均使用阈值向量进行收缩降噪，将降噪后的小波系数反变换到光谱矩阵，取光谱矩阵的中心行向量作为降噪后的光谱信号；

所述检测与预警单元在得到处理后的光谱信号后，与设定的光谱信号阈值进行比较，当超出阈值时，进行报警，达到土壤中金属污染物含量检测目的。