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Vorhersage von Bodenparametern im Spektralbereich zwischen 350 und 15.000 nm: Eine Fallstudie basierend auf dem Bodenmonitoring

Vorhersage von Bodenparametern im Spektralbereich zwischen 350
und 15.000 nm: Eine Fallstudie basierend auf dem Bodenmonitoring
Programm in Sachsen, Deutschland

Projektübersicht

In dieser Studie wurde das Potenzial der sichtbaren Nahinfrarotspektroskopie (VNIR, 350-2500 nm) und der mittleren Infrarotspektroskopie (MIR, 2500-15000 nm) zur Quantifizierung und Vorhersage von Bodenparametern zur Unterstützung des Sächsischen Bodenüberwachungsprogramm untersucht. Da die Böden in Sachsen sich durch ein großes Spektrum an Metallkonzentrationen auszeichnen, die die essentiellen Bodenfunktionen negativ beeinflussen können, konzentriert sich die vorliegende Studie stark auf die Vorhersage von Metallkonzentrationen in Böden. Als Datengrundlage wurden insgesamt 203 Bodenproben des Sächsischen Bodenmonitorings zwischen 1998 und 2013 an 48 repräsentativen Standorten in Bezug auf Bodentyp, Ausgangsmaterial, Landnutzungs-und Klimabedingungen gesammelt. Die chemische Analyse lieferte Informationen über den Gesamtgehalt des organischen Kohlenstoffs (TOC) und dem pH-Wert sowie Elementkonzentrationen (Al, As, Ca, Cu, Fe, K, Mn, Na, Ni, Pb, Zn). VNIR-Spektren wurden mit einem ASD FieldSpec Pro FR und einem Agilent 4300 Handheld FTIR Spektrometer aufgenommen, um den MIR-Wellenlängenbereich abzudecken. Die Vorverabreitung der Spektren umfasste die Anwendung von multi scatter corrections (MSC), standard normal variate (SNV), continuum removal (CR). Zur Modellierung des Zusammenhangs zwischen spektralen und chemischen Eigenschaften des Bodens und zur Vorhersage der Elementkonzentrationen, wurden die Spektren und chemischen Parameter als Input für Partial Least Square Regression (PLSR) Modelle verwendet. Die Definition der Trainingsdaten wurde mit dem Kennard-Stone-Sampling-Algorithmus durchgeführt und es wurden 103 Proben für die Modellkalibrierung und 100 Proben für die Modellvalidierung ausgewählt. Grundsätzlich haben die MIR-Spektren, die MSC und SNV-Vorverarbeitung Modellleistung verbessert. Aussichtsreiche Modellresultate konnten für TOC, Al, Fe, K und Ni mit R²-Werten zwischen 0,70 und 0,88 erreicht werden. Geeignete Ergebnisse wurden für Ca (R² = 0,61) und Mn (R² = 0,43) erzielt. Aufgrund der Ergebnisse sind die Autoren der Auffassung, dass die VNIR- und MIR-Spektroskopie das Potenzial hat, schnell zuverlässige Informationen in Bezug auf wichtige Bodenparameter und Metallgehalt zu liefern und ist somit ein vielversprechender alternativer Ansatz zu Unterstützung der Bodenanalyse im Rahmen des Sächsischen Bodenüberwachungsprogramms.

Untersuchungsgebiet und gemessene maximale, minimale und
mittlere MIR- (oben) und VNIR-Spektren (unten) der 203
Bodenproben

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