基于LISA-DBSCAN的框架:用于筛选多元素地球化学热点区域及原始数据谱相似性域

《Journal of Hazardous Materials》:A LISA-DBSCAN Framework for Screening Multielement Geochemical Hotspots and Raw-Profile Similarity Domains

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月26日 来源:Journal of Hazardous Materials 10.6

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  摘要在地球化学异质性区域进行土壤微量元素异常的准确筛查对于风险控制至关重要,因为这些区域中空间上分散的热点可能保留了部分冗余的多元素特征。我们开发了一个数据驱动的框架,整合了局部空间关联指标(LISA)、基于密度的空间聚类方法(DBSCAN)以及余弦角同质性审计。该框架能够识别多

  

摘要

在地球化学异质性区域进行土壤微量元素异常的准确筛查对于风险控制至关重要,因为这些区域中空间上分散的热点可能保留了部分冗余的多元素特征。我们开发了一个数据驱动的框架,整合了局部空间关联指标(LISA)、基于密度的空间聚类方法(DBSCAN)以及余弦角同质性审计。该框架能够识别多元素热点,确定操作上的最高浓度候选区域,划定连续的空间复合晕圈,并使用15°的余弦角标准来筛选簇间的成分冗余。应用于揭阳地区的1,330个土壤样本和14种目标微量元素后,该工作流程识别出89个多元素候选点,DBSCAN将其分类为五个空间热点。第1簇在原始浓度图和经尺度调整后的图中都保持一致的分离状态,而第2至5簇仅在原始浓度空间中形成连通的相似域,并且在尺度调整后显示出依赖于度量的内部差异。这种对比表明,空间上分离的热点之间的表面成分冗余可能取决于元素的尺度变换和相似性表示方法。该框架能够标记出碎片化热点图中的潜在成分冗余,并支持对异质土壤系统中候选异常信号的有针对性的野外调查。

引言

异质区域内的土壤微量元素异常受到自然背景变化和局部人为影响的共同作用[1], [2], [3]。在这些系统中,高浓度可能反映了岩源富集、分散的工业干扰,或两种过程的共同作用[4], [5], [6]。因此,污染控制的关键挑战不仅在于检测富集点,还在于确定空间上分离的异常斑块是代表不同的异常源信号,还是相似地球化学背景的重复表现。在土壤背景值变化较大的区域,如果不考虑环境背景,空间上分散的异常可能会被误解读为独立的污染源[7], [8]。
以往的研究通过使用受体模型、多元统计、机器学习、空间自相关和基于聚类的方法改进了土壤微量元素源分析。诸如主成分分析(PCA)和正矩阵分解(PMF)之类的受体模型有助于提取区域尺度上的主导协方差结构并估计源贡献[4], [7]。机器学习和地质统计方法进一步提高了对非线性源相关模式和空间异质性污染的识别能力。包括局部空间关联指标(LISA)在内的空间统计工具可以识别局部高值簇,而基于密度的聚类方法可以划定地理上连续的异常斑块。这些发展为在异质背景条件下解释土壤污染模式提供了显著进展[9], [10], [11], [12], [13], [14]。
这些方法解决了不同但互补的分析问题。区域受体模型总结了整个数据集的协方差结构或因素贡献,而局部空间方法则划分了地理上界定的富集模式。全局或区域平均模型可能会平滑稀疏和零散的局部异常,而视觉地图比较和单元素热点分析无法确定不同的异常斑块是否在地球化学上是独立的[7], [8], [11]。同样,空间聚类可以划定热点的几何形态,但仅凭空间分离并不能证明源的独立性。因此,在检测局部富集、划分多元素复合晕圈以及筛选空间上分散的异常斑块是否在地球化学上冗余或潜在独立之间存在方法论上的差距。
局部空间关联指标(LISA)用于识别单个元素的最高浓度(HH)热点候选点,并区分空间上连贯的富集模式和孤立极端值。基于密度的空间聚类方法(DBSCAN)可以在不预先定义簇数的情况下,将得到的多元素候选点组分为地理上连续的簇。因此,LISA提供了经过空间筛选的局部异常候选点,而DBSCAN则划定了复合晕圈的空间边界。
结合LISA和DBSCAN的方法将局部空间关联与基于密度的地理划分联系起来。LISA首先识别单个元素的HH异常,它们的重叠部分确定了多元素候选点;随后DBSCAN划定了空间上连续的复合晕圈簇。基于余弦角的同质性审计评估了成对特征的相似性,并总结了原始特征相似性网络的连通组件拓扑结构。本研究使用来自揭阳的1,330个土壤样本和14种目标微量元素,旨在:(i) 从单个元素的HH异常中识别出空间上连贯的多元素复合晕圈;(ii) 评估形成的热点簇在地球化学上是否不同或重复;(iii) 描述连通的原始特征相似性和热点簇之间的内部差异。该框架旨在筛选候选异常源信号,并优先考虑用于野外调查的空间簇和相似性域,而不是替代定量源分配模型或直接证明源的因果关系。

部分摘录

研究区域

研究区域包括山脉、丘陵、盆地和平原,具有复杂的地质和地貌特征。该地区的土壤母质包括花岗岩、沉积岩、片岩、玄武岩、河流冲积物和海岸沉积物,这些都导致了土壤地球化学背景的显著空间差异。农业用地和森林用地占主导地位,而建成区、交通走廊、水道和分散的工业设施则集中在城市周围

土壤微量元素的描述性统计和空间分布

14种目标微量元素的描述性统计数据总结见表S3,单个元素HH异常的统计数据显示在表S4中。它们的空间分布模式显示在图1中,而它们的浓度分布特征和元素间的相关性则展示在图S2中。图1中的空间地图显示,某些元素呈现相对连续的区域模式,而其他元素则形成离散的局部富集斑块。

结论

本研究开发了一个多步骤框架,用于筛查地球化学异质环境中的多元素土壤异常。该框架结合了基于LISA的候选点筛选、基于DBSCAN的空间连贯复合晕圈的划分以及对簇级多元素特征的余弦角分析。这一设计解决了异常制图中的一个实际解释问题:空间上分散的热点可能反映了独立的异常信号,但它们也可能保留了部分冗余信息

意义声明

复杂地球化学背景下的土壤重金属异常可能反映了空间富集、共享的成分特征,或两者兼有。本研究提供了一种LISA-DBSCAN工作流程,首先划定多元素热点候选点,然后利用余弦角相似性比较它们的地球化学特征。应用于揭阳地区的1,330个土壤样本后,该流程保留了89个热点位置,识别出五个空间簇,并区分出了在成分上不同的C1谱型和C2-C5谱型

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

资助

本研究得到了广西重点技术研发计划(项目编号AB25069152)的支持。

CRediT作者贡献声明

陈婉月:写作 – 审稿与编辑、可视化、数据管理。熊硕:写作 – 初始草案、验证、监督、软件开发、资源管理、项目协调、概念构思。赵亿夫:写作 – 审稿与编辑、可视化、验证、正式分析、数据管理。徐凯莉:写作 – 审稿与编辑、验证、监督、数据管理。罗杰:写作 – 审稿与编辑、可视化、监督、方法论研究、资金获取、正式流程管理。

作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

罗杰|赵亿夫|徐凯莉|陈婉月|熊硕
中国武汉长江大学资源与环境学院,430100
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