جستجوی مقالات مرتبط با کلیدواژه « spectroscopy » در نشریات گروه « آب و خاک »
تکرار جستجوی کلیدواژه «spectroscopy» در نشریات گروه «کشاورزی»-
مطالعه حاضر با هدف برآورد درصد ذرات خاک با استفاده از روش طیف سنجی مریی و مادون قرمز نزدیک در منطقه سمیرم استان اصفهان انجام بود. تعداد 200 نمونه خاک سطحی (10 سانتی متری) از منطقه سمیرم اصفهان (طول جغرافیایی 17 51 تا 3 52 شرقی وعرض جغرافیایی 42 30 تا 51 31 شمالی) جمع آوری گردید. نمونه ها هواخشک شدند و از الک دو میلی متری عبور داده شدند و درصد ذرات خاک در آزمایشگاه با روش هیدرومتری تعیین شد. همچنین طیف سنجی نمونه های خاک با استفاده از دستگاه طیف سنج زمینی انجام گرفت. سپس روش های پیش پردازش مشتق اول با فیلتر ساویتزکی گلای، تصحیح پخشیده چندگانه و متغیر نرمال استاندارد بر روی طیف ها انجام شدند. برای برقراری ارتباط بین درصد ذرات خاک با ویژگی های طیفی آن از مدل های رگرسیون حداقل مربعات جزیی، ماشین بردار پشتیبان و شبکه عصبی استفاده گردید. بهترین نتیجه برای برآورد سیلت با استفاده از شبکه عصبی مصنوعی با روش پیش پردازش تصحیح پخشیده چندگانه با RPD (نسبت انحراف معیار به RMSE) بیشتر از 2، 98/0=R2 و کمترین مقدار g/Kg 08/1=RMSE به دست آمد. نتایج مطلوبی نیز برای مدل شبکه عصبی مصنوعی به ترتیب با روش های پیش پردازش تصحیح پخشیده چندگانه و متغیر نرمال استاندارد برای مقادیر رس (RPD بیشتر از 2، 94/0=R2 و کمترین مقدار g/Kg 21/1=RMSE-) و شن (انحراف پیش بینی باقی مانده بیشتر از 2، 84/0=R2 و کمترین مقدار g/Kg08/1=RMSE) به دست آمد. به طور کلی، براساس نتایج این مطالعه، طیف سنجی مریی مادون قرمز نزدیک در برآورد درصد ذرات خاک موفق بوده است و قابلیت جانشینی با روش های آزمایشگاهی را دارد.
کلید واژگان: روش های پیش پردازش, رگرسیون حداقل مربعات جزئی, شبکه عصبی مصنوعی, رگرسیون ماشین بردار پشتیبان, طیف سنجی}The present research performed to estimate soil texture using visible near-infrared spectrometry in Semirom, Isfahan. A total number of 200 soil samples (0-10 cm) were collected from the Semirom area (51º 17' - 52º 3' E; 30º 42' - 31º 51' N), Isfahan. The samples were air dried and passed through a 2 mm sieve, and soil particles percentage was determined in the laboratory using hydrometry method. Reflectance spectra of all samples were measured using an ASD field spectrometer. Different pre-processing methods i.e., First Derivatives and Savitzky-Golay Filter, Multiplicative Scatter Correction and Standard Normal Variable were applied and performed on spectral data. The Partial Least Squares Regression, Support Vector Machine Regression and Artificial Neural Network models were used to estimate soil texture. The best result was obtained for Silt estimation, with excellent values of RPD >2, R2 =0.98 and RMSE=1.08 using Artificial Neural Network model with MSC pre-processing technique. The results indicated the desirable capability of Artificial Neural Network model with MSC and SNV pre-processing techniques in estimating the Clay (RPD >2, R2=0.94 and RMSE=1.21) and Sand (RPD >2, R2=0.84 and RMSE=6.24) contents of the soils, respectively. In general, based on the results of this study, VNIR spectroscopy was successful in estimating soil particles percentage and showed its potential for substituting laboratory analyses.
Keywords: Artificial Neural Network, Partial Least Squares Regression (PLSR), Pre-processing methods, Spectroscopy, Support Vector Machine Regression} -
Textural components of soil play an essential role in erodibility and should be considered in many projects of conservation and environmental modeling processes. Traditional methods of determining soil texture are usually laborious, expensive and time consuming along with destructive effects on the environment. Meanwhile, spectroscopic technology using the spectral features and signatures from the whole reflected spectra of soil surface promises a competent method to study soil constituents. To investigate this issue, 113 points were selected and sampled randomly from 0-15 cm of soil surface in eastern parts of Mazandaran Province, Iran. Samples were haphazardly divided into 91 for model building and 22 for final verification and accuracy assessment processes. Applying the enhanced PLS-algorithm plus the FLOOCV approach along with spectral transformations and pre-processing, the modeling of each textural components were accomplished. Spectrally, sand and clay fractions were modeled with high accuracy as: R2c= 0.89, RMSEc= 7.42, SEc= 7.46 for sand and R2c= 0.82, RMSEc= 6.88, SEc= 6.92 for the clay content. Whereas, the silt predictive model was slightly weaker than the other constituents. The most effective spectral ranges involved in the modeling process, were also detected and recognized based on beta & spectral weight analyses and Marten’s uncertainty test. Additionally, the most influential spectroscopic ranges included were the visible, NIR and SWIR regions with the specified wavelengths. In general, the efficacy of spectroscopic technology in soil texture studies has been proven by this research. Using the computed spectral models, we are able to study the soil textural components at large scales faster, safer, timelier and also cheaper. That is absolutely true and applicable using the regionalized remotely sensed data but requires further investigation in different geographical regions.
Keywords: FLOOCV approach, PLS-algorithm, soil conservation, spectroscopy, textural constituents} -
اندازه گیری ویژگی های خاک در یک مقیاس وسیع به دلیل حجم بالای نمونه برداری و تجزیه های آزمایشگاهی، زمان بر و گران است. بنابراین استفاده از روش های ساده، سریع، ارزان و پیشرفته مانند طیف سنجی خاک می تواند مفید باشد. این مطالعه با هدف بررسی کارایی روش طیف سنجی در پیش بینی برخی از ویژگی های خاک در منطقه سمیرم استان اصفهان انجام شد. به این منظور تعداد200 نمونه خاک سطحی (10 سانتی متری) جمع آوری گردید. مقادیر کربن آلی، pH، EC وکربنات کلسیم معادل در آزمایشگاه اندازه گیری شدند. همچنین، طیف سنجی نمونه های خاک با استفاده از دستگاه طیف سنج زمینی FieldSpec3 درمحدوده طول موج 350 تا 2500 نانومتر انجام گرفت. سپس روش های پیش پردازش مشتق اول و مشتق دوم با فیلتر ساویتزکی گلای و متغیر نرمال استاندارد بر روی طیف ها انجام شدند. برای برقراری ارتباط بین ویژگی های خاک با ویژگی های طیفی آن از مدل های حداقل مربعات جزیی (PLSR)، رگرسیون مولفه اصلی (PCR)، شبکه عصبی مصنوعی (ANN) و رگرسیون ماشین بردار پشتیبان (SVMR) استفاده گردید. بهترین مدل در برآورد هدایت الکتریکی خاک، کربنات کلسیم و کربن آلی مدل PLSR و برای واکنش خاک مدل SVMR و بهترین روش های پیش پردازش، روش های مشتق گیری بودند که ضرایب تبیین آن ها به ترتیب 94/0، 88/0، 9/0 و 79/0 بودند و تمام برآوردها، کمترین RMSE را نسبت به روش های دیگر و 2 RPD> داشتند. به طور کلی نتایج این مطالعه بر قابلیت روش طیف سنجی مریی مادون قرمز نزدیک در برآورد مکانی چندین ویژگی خاک به صورت همزمان، دلالت دارد. بنابراین، این روش می تواند به عنوان روشی جایگزین برای روش های مرسوم آزمایشگاهی در تعیین ویژگی های خاک مورد استفاده قرار گیرد.
کلید واژگان: رگرسیون حداقل مربعات جزئی (PLSR), رگرسیون ماشین بردار پشتیبان (SVMR), رگرسیون مولفه اصلی (PCR), شبکه عصبی مصنوعی (ANN), طیف سنجی}IntroductionEstimating soil properties on large scales using experimental methods requires specialized equipments and can be extremely time-consuming and expensive, especially when dealing with a high spatial sampling density. Soil Visible and Near-InfraRed (V-NIR) reflectance spectroscopy has proven to be a fast, cost-effective, non-destructive, environmental-friendly, repeatable, and reproducible analytical technique. V-NIR reflectance spectroscopy has been used for more than 30 years to predict an extensive variety of soil properties like organic and inorganic carbon, nitrogen, organic carbon, moisture, texture and salinity. The objectives of this study were to estimate soil properties (carbonate calcium equivalent (CCE), electrical conductivity (EC), pH, and organic carbon (OC)) using visible near-infrared and short-wave Infrared (SWIR) reflectance spectroscopy (350-2500 nm). In this study, the best predictions of all the soil properties, model and pre-processing technique were also determined. The Partial Least Squares Regression (PLSR), Artificial Neural Network, Support Vector Machine Regression and Principal Component Regression (PCR) models were also compared to estimate soil properties.
Materials and MethodsA total number of 200 surface soil samples (0-10 cm) were collected from the Semirom region (51º 17' - 52º 3' E; 30º 42' - 31º 51' N), Isfahan, Iran. The samples were air dried and passed through a 2 mm sieve, and using standard procedures soil properties were determined in the laboratory. Accordingly, soil pH and the EC contents of soil samples were determined in saturated pastes and extracts, respectively. The CCE content of the soils were measured using back titration, and the OC contents of the samples were measured using Walkley-Black method. The Reflectance spectra of all samples were measured using an ASD field spectrometer. The selection of the best model was done according to the value of the Ratio of Performance to Deviation (RPD), the coefficient of determination (R2), and the Root Mean Square Eerror (RMSE).
Results and DiscussionOnce the models were constructed using PLSR, ANN, SVMR and PCR approaches, descriptive analysis was carried out for each property, for the data measured in the laboratory. The parameters calculated for the properties were mean, coefficient of variation (CV), minimum and maximum, standard deviation and range. Coefficient of variation for the organic carbon, CCE, pH, and EC values were 21.7, 12.4, 1.34, and 28.74, respectively. Wilding (1985) proposed low, medium, and high variability for the CV values less than 15%, 15-35%, and greater than 35%, respectively. Accordingly, the organic carbon and EC of soils could be classified in the group with moderate variability. However, the calcium carbonate equivalent and pH are in the group with low variability. Since spectral data preprocessing has an effective role on improving the calibration, in order to perform spectral preprocessing, two first nodes at the first (350-400 nm) and the end (2450-2500 nm) of each spectrum were removed. In addition, two interruptions were eliminated, due to the change in the detector in the range of 900 to 1700 nm. Different preprocessing methods i.e., Standard Normal Variable (SNV) and First (FD) and Second Derivatives (SD) and Savitzky-Golay preprocessing techniques were performed on spectral data. Then, using PLSR, the cross‐validation method was used to evaluate soil properties calibration and validation. According to Stenberg (2002), for agricultural applications, The values of RPD greater than 2 indicate that the models provide precise predictions, the values of RPD between 1.5 and 2 are considered to be reasonably representative, and the values of RPD less than 1.5 indicate poor predictive performance. The results indicated the desirable capability of the PLSR method in estimating the EC (RPD > 2, R2 = 0.94), CCE (RPD > 2, R2 = 0.88), and OC (RPD > 2, R2 = 0.89). The best results of the pH (RPD > 2, R2 = 0.79) were estimated by the SVMR method. In this study the best methods of preprocessing techniques were First (FD) and Second Derivatives (SD) and Savitzky-Golay filter.
ConclusionIn general, based on the results of this study, VNIR spectroscopy was successful in estimating soil properties and showed its potential for substituting laboratory analyses. Moreover, spectroscopy could be considered as a simple, fast, and low-cost method in predicting soil properties. The PLSR model with First and Second derivatives and Savitzky-Golay pre-processing techniques seems to be more robust algorithm for estimating EC, OC, and CCE. The best results of the pH were estimated by the SVMR method with First and Second derivatives and Savitzky-Golay pre-processing techniques.
Keywords: Artificial Neural Network (ANN), Partial Least Squares Regression (PLSR), Principal Component Regression (PCR), Spectroscopy, Support Vector Machine Regression (SVMR)} -
سابقه و هدف
جزء شن از مهمترین اجزای بافت خاک بوده که برای عملیات مدل سازی زیست محیطی و پهنه بندی رقومی خاک، باید مورد توجه واقع شود. از طرفی، بدلیل تغییرپذیری مکانی این جزء؛ تشخیص، پهنه بندی و پایش آن، در مقیاس های وسیع، با استفاده از شیوه های سنتی رایج و عملیات تجزیه و تحلیل معمول آزمایشگاهی، بسیار وقت گیر و پر هزینه است. از نقطه نظر دیگر؛ دورسنجی هوایی و فضایی در قیاس با طیف سنجی میدانی و آزمایشگاهی دارای نواقصی همچون اثرات جوی، آثار ساختاری و ترکیبی طیفی، پایین تر بودن تفکیک طیفی و مکانی، اختلالات هندسی و نیز فرآیند اختلاط طیفی می باشد. لذا برای غلبه بر این نواقص و برای مطالعه عوامل دارای تغییرپذیری مکانی، نیازمند فن آوری مناسبی می باشد. با ظهور طیف سنجی بازتابی پراکنشی آزمایشگاهی که از لرزش های بنیادین، فرعی و ترکیبی گروه-های عاملی (FGs) بهره می برد، آن، بعنوان ابزاری نویدبخش در مطالعه اجزای خاک، معرفی شد. طی تحقیق حاضر، از طیف سنجی بازتابی مجاورتی، برای مدل سازی ابرطیفی اجزای شن در قسمت هایی از استان مازندران استفاده شد.
مواد و روش هاجمعا 128 نمونه از عمق 20 سانتیمتری سطح خاک، بر اساس روش نمونه برداری SRS و با کمک اطلاعات جانبی همچون: زمین شناسی، کاربری اراضی، نقشه راه ها، و خاک شناسی استان، جمع آوری شد. در ابتدا، مجموع نمونه ها به دو قسمت برای عملیات واسنجی و اعتبارسنجی، تقسیم شد. با بهره گیری از تحلیل ابرطیفی، رگرسیون چندمتغیره PLSR و بر اساس تکنیک LOOCV و عملیات پیش پردازش طیفی همچون: میانگین گیری، هموارسازی و مشتق اول طیفی بر اساس الگوریتم ساویتسکی-گولای، مدل تخمینی بر مبنای شاخص های تحلیلی همچون همبستگی دوطرفه پیرسون (R)، ضریب تبیین (R2)، میانگین مربعات خطای اعتبارسنجی (RMSE)، و نیز شاخص های اعتبارسنجی RPD و RPIQ، ایجاد و بررسی شد.
یافته هاتحقیق حاضر بر مبنای مدل سازی ابرطیفی شن منطقه در زیرمجموعه واسنجی مشتمل بر 96 و نیز زیرمجموعه اعتبارسنجی مشمتل بر 32 نمونه، نشان داد، 2 و 4 LV اول از مجموع 7 LV، بهترین تخمین در خاک های منطقه مورد مطالعه را نشان می دهد. از آنجاییکه این تعداد عامل منتخب، قادرند بیش از 60% واریانس متغیر شن و نیز 98% واریانس داده های طیفی را متمرکز کنند؛ نتیجتا فرآیند واسنجی مدل تخمینی، بر اساس چهار فاکتور اول و شیوه LOOCV سراسری انجام شد. بهترین مدل ابرطیفی تخمین گر اجزای شن با این خصوصیات واسنجی شد، Rc: 76/0، R2c: 57/0، RMSEc: 77/9 و Sec: 82/9. همچنین مقادیر ضریب R بین متغیر شن و باندهای طیفی موثر بدین ترتیب محاسبه شد، 390: 46/0، 510-540: 53/0، 680-690: 55/0، 950-970: 67/0، 1100: 70/0، 1410: 76/0، 1860-1900: 76/0، 2180-2220: 77/0؛ که باندهای طیفی منتخب دارای بهترین و بیشترین تاثیر در فرآیند مدل سازی ابرطیفی شن در خاک های استان بوده اند. بعلاوه، بارزترین دامنه های طیفی در فرآیند مدل سازی بدین تریتب بوده است: UV-390، Vis-440-540، NIR-740-990، SWIR-1430-1890، 1930، 2190-2240، 2330-2440 نانومتر که این نتایج در تطابق با برخی مطالعات انجام گرفته، بوده است. کیفیت مدل ابرطیفی واسنجی شده شن با استفاده از آزمون هایی همچون هتلینگ، لوریج تعدیلی و واریانس باقیمانده ها نیز مورد بررسی قرار گرفت. مشخصات عملیات صحت سنجی بدین ترتیب بوده است: Rp: 83/0، R2p: 68/0، RMSEp: 68/8، SEp: 72/8 و انحراف: 26/1.
نتیجه گیرینتایج، حاکی از تحلیل مناسب ابرطیفی در برآورد مقادیر شن منطقه بوده است. بدین ترتیب بر مبنای LV2، RPDc: 51/1، RPIQc: 44/2؛ RPDp: 78/1، RPIQp: 45/2 و نیز بر اساس LV4، RPDc: 54/1، RPIQc: 48/2، RPDp: 75/1 و RPIQp: 41/2، محاسبه گردید. مقادیر RPIQ بالاتر از 2، بیانگر توانایی مناسب و کیفیت خوب مدل در برآورد مقادیر شن استان مازندران با استفاده از داده های ابرطیفی بوده است. نتایج تحقیق حاضر می تواند نقطه آغازی در پهنه بندی دقیق تر جزء شن بافت خاک، بر مبنای سکوهای دورسنجی باشد. همچنین، با مشخص شدن طول موج های کلیدی در فرآیند مدلینگ؛ فرآیند آپ اسکیلینگ (بیش مقیاس سازی) و نیز آماده-سازی سنجنده های ابرطیفی هوایی و فضایی، می تواند بهبود یافته که منجر به دقیق تر شدن مطالعات ابرطیفی اجزای بافت نیز خواهد شد.
کلید واژگان: پهنه بندی رقومی, شن, طیف سنجی, مدل سازی ابرطیفی, PLSR}Background & ObjectiveSand fraction is one of the most important soil textural segments which should be highlighted for environmental modeling operations and digital soil mapping projects. Identification, mapping and monitoring of sand content over wide scales using traditional procedures is time-consuming and costly. Also spaceborne and airborne spectroscopy(remote sensing) have some defects compared to the laboratory and field spectroscopy. Hence, to overpower the imperfection of RS technology in relation to investigating the factors with spatial changeability, an apt technology is required. With the advent of Lab Diffuse reflectance Spectroscopy(LDRS) which exploits the fundamental vibration, overtones and combination of functional groups, that became a promising tool related. The present research intends to hyperspectral modeling of sand fraction utilizing the proximal soil sensing tech in some parts of Mazandaran province.
Materials and MethodsIn accord with supplementary data layers(geology,pedology,landuse,etc.) and stratified randomized sampling method, eventually, 128 samples from 20cm of soil surface of Mazandaran province (scattered parts), were gathered. First of all, sample-set subdivided into two subsets: calibration and validation. Afterwards, using the hyperspectral analyses, multivariate regression analysis-PLSR method with the leave-one-out-cross-validation technique and some preprocessing algorithms such as: spectral averaging,smoothing and 1stderivative(Savitzky-Golay-derivation algorithm), the definitive calibration model with two&four latent vectors according to indices such as R,R2,RMSE,RPD and RPIQ were made. Results&
DiscussionDuring the present research based on the sand hyperspectral modeling in the calibration subset containing 96 samples as well as the validation subset composing of 32 standalone samples, it has been showed the first two and four LVs out of the seven LVs can provide the best estimate of the soils of the study province. Consequently, the calibration process of sand hyperspectral model was done based on the first four LVs and the full LOOCV procedure. Because these number of LVs are able to concentrate the info-variance of sand variable more than 60% and likewise, the info-variance of spectral variables more than of 98%. The best calibrated hyperspectral model predicting sand components resulted with these specs: Rc=0.76,R2C=0.57,RMSEc= 9.77 and SEc of about 9.82. The correlation coefficients(R) of sand contents with the effective spectral domains were calculated as: UV-390nm=0.46, Vis-510to540nm about 0.53, 680to690 about 0.55, NIR- 950to970 about 0.67 and 1100nm=0.70, SWIR-1410 nm=0.76, 1860to1900 about 0.76, 2180to2220 about 0.77; which the specified spectral bands(spectral ranges) with the maximum of R contents indicating their highly impact and influence as the independent predictors on the sand parameter hyperspectral modeling processes at the studied soils of Mazandaran province. Furthermore, the most influential spectral domains involved in the modeling process of sand particles were determined as follows: UV-390nm,Vis-440-540nm,NIR-740-990nm,SWIR-1430-1890,1930,2190-2240,2330-2440nm, which these results were in agreement with others. The quality of calibrated sand hyperspectral model via assays such as Hotelling, adjusted leverage and residual variances was also confirmed. The accuracy assessment specs were as: Rp=0.83,R2p=0.68,RMSEp=8.68,SEp=8.72 and bias=-1.26.
ConclusionResults indicate the apt hyperspectral analyses to estimate the sand based on LV=2: RPDc=1.51,RPIQc=2.44,RPDp=1.78 and RPIQp=2.45, additionally for LV=4:RPDc=1.54,RPIQc=2.48,RPDp=1.75 and RPIQp=2.41 have been gained. On the basis of the RPIQ values which were more than 2, it can be concluded the models are able to estimate the sand contents of Mazandaran soils satisfactorily and showing the acceptable quality of the predicting models utilizing the hyperspectral data. Our results can be the starting point to accurate mapping of sand constituents of soil texture using the RS platforms. It is noteworthy, the characterization of key wavelengths in the hyperspectral modeling of sand components, the upscaling operation as well as constructing the new airborne/satellite hyperspectral sensors can be bettered using the principle wavebands affecting the hyperspectral process so that providing the more precise hyperspectral studying of soil texture constituents using the aerial or space platforms.
Keywords: Digital mapping, Hyperspectral modeling, PLSR, sand, Spectroscopy} -
برای مدیریت پایداری اراضی، اطلاع از فعالیت ها و خصوصیات خاک و تغییرات زمانی و مکانی آنها ضروری است. طیف سنجی امواج مریی و مادون قرمز نزدیک به دلیل دقت و سرعت عمل بالا قابلیت ویژه ای در شناسایی و تعیین خصوصیات خاک دارد. هدف این مطالعه ارزیابی دقت روش طیف سنجی مریی-مادون قرمز نزدیک در برآورد مقدار کربن آلی (OC) و کل مواد خنثی شونده خاک (TNV) خاک است. به این منظور تعداد 110 نمونه خاک از استان های خوزستان، یزد و تهران تهیه و در آزمایشگاه طیف سنجی گردید. طیف به دست آمده از دستگاه طیف سنج با 5 روش پیش پردازش فیلتر ساویتزکی گولای (SG)، مشتق اول همراه با ساویتزکی گولای (FD-SG)، مشتق دوم همراه با ساویتزکی گولای (SD-SG)، واریانس استاندارد نرمال (SNV)، تصحیح پخشیده چندگانه (MSC) اصلاح شد. همچنین عملکرد دو روش PLSR و SVMR در برآورد ویژگی های خاک مقایسه گردید. نتایج نشان دادند که مدل PLSR نسبت به مدل SVMR در برآورد OC و TNV دقت بالاتری دارد. دربرآود OC، مدل PLSR و روش پیش پردازش MSC (47/1= RPDVAL و 19/0 = RMSEVAL ،59/0 =VAL R2) بهترین عملکرد و روش پیش پردازش SD-SG، ضعیف ترین عملکرد (52/0= RPDVAL و 27/0 = RMSEVAL ،15/0 =VAL R2) را نشان داد. همچنین برای TNV روش پیش پردازش (FD-SG) بهترین عملکرد (01/2= RPDVAL و 70/5 = RMSEVAL ،78/0 =VAL R2) و روش پیش پردازش (SD-SG) ضعیف ترین عملکرد (31/0= RPDVAL و 13/11 = RMSEVAL ،1/0 =VAL R2) را نشان داده است. طول موج کلیدی برای OC در محدوده 421 و 612 نانومتر و برای TNV در محدوده 2315 و 2151 نانومتر مشاهده گردید. این مطالعه نشان داد که روش طیف سنجی Vis-NIR به علت دارا بودن اساس فیزیکی و در نظر گرفتن فاکتورهای تاثیرگذار، به عنوان یک مدل بزرگ مقیاس، قابلیت مناسبی برای ارزیابی و پیش بینی OC و TNV خاک دارد.
کلید واژگان: طیف سنجی, رگرسیون, پیش پردازش, کربن آلی, کل مواد خنثی شونده}For sustainable land management, it is necessary to understand the functions and characteristics of soils, and their spatial and temporal changes. Visible and near-infrared spectroscopy has a specific capability to identify and determine soil properties due to high accuracy and high-performance speed. The purpose of this study is to evaluate the accuracy of visible and near-infrared spectroscopy method in estimating soil organic matter and total neutralizing value. Therefore, 110 soil samples were collected from Khuzestan, Yazd and Tehran provinces, and spectral reflectance was performed using ASD FieldSpec3. The spectra obtained from the spectrometer were pre-processed using five methods including Savitzky-Golay filter (SG), the first derivative with the Savitzky-Golay filter (FD-SG), the second derivative with the Savitzky-Golay filter (SD-SG), the standard normal variate (SNV), and Multiplicative scatter correction (MSC). Also, the performance of PLSR and SVMR methods was compared in terms of soil organic carbon and total neutralizing value estimation. The results indicated that the PLSR model in estimating both organic carbon properties and total neutralizing value had higher accuracy compared to the SVR model. In estimation of soil organic carbon, PLSR method and MSC preprocessing method had the best performance (R2VAL=0.59, RMSEVAL=0.19 and PRDVAL=1.47) and the second derivative method had the least performance (R2VAL=0.15, RMSEVAL=0.27 and PRDVAL=0.52). Also for estimation of total neutralizing value, the first derivative preprocessing method had the best performance (R2VAL=0.78, RMSEVAL=5.70 and PRDVAL=2.01) and the second derivative method had the least performance (R2VAL=0.1, RMSEVAL=11.13, and PRDVAL=0.31). The key wavelengths were observed for soil organic matter in the range of 421- 612 nm and for total neutralizing value in the range of 2315- 2151 nm. This study showed that the Vis-NIR spectroscopy method, due to its physical basis and considering the influencing factors, as a large-scale model, makes it possible to evaluate and predict soil OC and TNV.
Keywords: Organic carbon, Preprocessing, Regression, Spectroscopy, Total neutralizing value} -
استفاده از روش های نوین از جمله طیف سنجی در محدوده مرئی و فروسرخ نزدیک و فروسرخ کوتاه (400 -2500 نانومتر) به عنوان یک روش سریع، آسان و کم هزینه در پیش بینی ویژگی های خاک می تواند بسیار موثر باشد. این مطالعه با هدف بررسی توانایی داده های طیفی در محدوده مرئی، فروسرخ نزدیک و فروسرخ کوتاه (400 -2500 نانومتر) در برآورد اندازه ذرات خاک با استفاده از روش های رگرسیون حداقل مربعات جزئی (PLSR) و رگرسیون مولفه اصلی (PCR) انجام شد. برای این منظور 120 نمونه خاک از منطقه کفه مور، استان کرمان برداشته شد. جهت ارزیابی مدل 80 درصد داده ها برای کالیبراسیون مدل و 20 درصد برای صحت سنجی مدل به صورت تصادفی انتخاب شدند. همچنین جهت اعتبارسنجی از روش حذف هر بار یک نمونه (Leave one out-cross validation) استفاده شد نتایج نشان داد بیشترین مقدار R2و کمترین مقدار RMSE برای داده های کالیبراسیون و اعتبارسنجی برای لگاریتم پارامترهای رس و شن در روش PLSR همراه با پیش پردازش مشتق دوم و برای لگاریتم سیلت در روش PLSR همراه با پیش پردازش مشتق اول به دست آمد. با توجه به مقادیر انحراف پیش بینی باقیمانده (RPD) پیش بینی مدل برای درصد رس و سیلت قابل قبول و برای درصد شن ضعیف می باشد. براساس نتایج این مطالعه طیف سنجی می تواند به عنوان یک روش سریع، آسان و غیرمخرب در برآورد اجزای بافت خاک مورد استفاده قرار گیرد.کلید واژگان: رگرسیون حداقل مربعات جزئی (PLSR), رگرسیون مولفه اصلی (PCR), طیف سنجی}IntroductionSoil texture is one of the majorphysical properties of soils thatplays important roles inwater holding capacity, soil fertility, environmental quality and agricultural developments. Measurement of soil texture elements in large scales is time consuming and costly due to the high volume of sampling and laboratory analysis. Therefore, assessing and using simple, quick, low-cost and advanced methods such as soil spectroscopy can be useful. The objectives of this study were to examine two statistical models of Partial Least Squares Regression (PLSR) and Principal Component Regression (PCR) to estimate soil texture elements using Visible and Near-Infrared (VNIR) and Short-Wave Infrared (SWIR) reflectance spectroscopy (400-2450nm).Materials And MethodsA total of 120 composite soil samples (0-10 cm) were collected from the Kafemoor basin (55º 15' - 55º 25' E; 28º 51' - 29º 11' N), Sirjan, Iran. The samples were air dried and passed through a 2 mm sieve and soil texture components were determined by the hydrometer method (Miller and Keeny 1992). Reflectance spectra of all samples were measured using an ASD field-portable spectrometer in the laboratory. Soil samples were divided into two random groups (80% and 20%) for calibration and validation of models. PLSR and PCR models and different pre-processing methods i.e.First (FD) and Second Derivatives (SD), Multiplicative Scatter Correction (MSC) and Standard Normal Variate (SNV) were applied and compared to estimate texture elements. The cross‐validation method was used to evaluate calibration and validation sets in the first part (80%) and coefficient of determination (R2), Root Mean Square Error (RMSE) and Residual Prediction Deviation (RPD) were also calculated. For testing predictive models, the second part of data (20%) was used and R2 and RMSE of predictive accuracy were calculated.Results And DiscussionThe results of applying two statistical models for estimatingLogClay (%) showed that R2of calibration (R2CV) and validation (R2VAL) datasetranged from 0.22 to 0.72 and 0.12 to 0.54, respectively. The lowest RMSE was computed for PLSR model with SD pre-processing. The highest RPD of calibration (RPDCV) and validation (RPDVAL) were obtained for PLSR with SD pre-processing technique which was classified as a very good and good model, respectively. The results indicated possible prediction of soil clay content by using PCR model with SD pre-processing techniques. In addition, the PCR predicted soil texture elements poorly according to RPD values while the PLSR model with SD pre-processing was the best model for predict¬ing soil clay content. The R2CV and R2VAL of PLSR models for LogSilt (%) varied from 0.34 to 0.73 and 0.27 to 0.58, respectively. The RMSECV varied from 0.14 for FD pre-processing to 0.23 for no-preprocessing and the RMSEVAL rangedbetween 0.18 and0.24. The highest RPDCV (2.07) and RPDVAL (1.59) were obtained for PLSR with FD pre-processing which were classified as very good and good models, respectively. The results of PCR model developments for estimating LogSilt (%) indicated that the highest RPDCV and RPDVAL were, respectively, 1.31 and 1.25 for MSC pre-processing techniques which were rated as poor models. On the contrary to PLSR models, PCR models were not reliable for predicting LogSilt (%).Theresultsof PLSR models for estimatingLogSand (%) revealedthat the highest R2CV and R2VAL were 0.56 and 0.47, respectively and the lowest RMSECV and RMSEVAL were 0.14 and 0.16, respectively which were obtained for SD pre-processing. The RPDCV and RPDVAL values for SD pre-processing in PLSR model were 1.59 and 1.39 which were rated as good and poor performance of predictions, respectively. The highest RPDCV and RPDVALfor PCR models were obtained with the MSC pre-processing indicating poor model. Therefore, PLSR model with SD pre-processing techniques was superior model for estimation of LogSand(%).Overall, PLSR model with SD pre-processing techniques performed better in estimatingclay and sand and PLSR model with FD pre-processing gave better estimate of silt content.ConclusionsOur finding indicated thatclay and silt contentcan be estimated by using electromagnetic spectrum between VNIR-SWIR region. Further, spectroscopy could be considered as a simple, fast and low cost method in predicting soil texture and PLSR model with SD and FD pre-processing seems to be more robust algorithm to estimateLogClay and LogSilt, respectively.Keywords: Partial Least Squares Regression (PLSR), Principal Component Regression (PCR), Spectroscopy}
-
به دلیل تاثیر و اهمیت مواد هیومیکی در انواع فرآیند های زیست محیطی، آگاهی و دانش از خصوصیات شیمیایی، طیفی و ساختاری این مواد، جنبه هایی هستند که همیشه باید در مطالعات وابسته به مدیریت و پالایش اکوسیستم ها درنظر گرفته شوند. در این پژوهش، پس از استخراج و پالایش هیومیک اسید از زغال سنگ های معادن ایران، از تکنیک گراویمتری برای تعیین درجه خلوص، از طیف سنجی های غیرمخرب مانند FT-IR، UV-VIS، ICP-OES و CHNOS برای سنجش کیفی و کمی و همچنین از ریزنگاره های SEM برای مطالعه ساختاری هیومیک اسید استفاده شد و نتایج بدست آمده با نمونه هیومیک اسید استاندارد آلدریچ مقایسه شدند. نتایج آزمون گراویمتری نشان داد که درجه تخلیص هیومیک اسید تولیدشده 98 درصد است. از نظر کمی، نتایج آنالیز عنصری ICP-OES نشان دادند که بعد از پالایش هیومیک اسید، غلظت انواع فلزات سنگین در هیومیک اسید خیلی کمتر از محدوده مجاز پیشنهادشده هستند و گستره ای از عناصر ماکرو و میکرومغذی در ساختار هیومیک اسید وجود دارند. همچنین نتایج کیفی آنالیزهای FT-IR، UV-VIS و SEM به خوبی حضور یک ساختار غالب آروماتیک و غنی از گروه های عاملی کربوکسیلی و فنولی با درجه هیومیفیکاسیون و فشردگی بالا و نوع A با سطوح اسفنجی مانند نرم و متخلخل ناهمگن را در هیومیک اسید نشان دادند. نتایج آنالیز CHNOS نیز علاوه بر تائید مناسب بودن زغال سنگ استفاده شده جهت استخراج هیومیک اسید، محصول تولیدی را منطبق بر نمونه استاندارد هیومیک اسید نشان می دهد.کلید واژگان: هیومیک اسید, زغال سنگ, طیف سنجی, ساختار, خواص}Due to substantial impact of humic substances on a variety of environmental processes, knowledge of the chemical, spectroscopic and structural properties of these substances, are aspects that should always be considered in studies related to the management and remediation of impacted ecosystems. In this study, after from extraction and purification of humic acid (HA) from low grade coals of IRAN, was used from gravimetric technic in order to determination of degree of purity of HA, from non-destructive spectroscopies such as ICP-OES, UV-VIS, FT-IR and CHNOS for measuring of quality and quantity of HA as well as from microstructures of SEM in order to structural study of HA and obtained results were compared with standard Aldrich HA. Results of gravimetric analysis showed that degree of purification of produced HA is 98%. Also, In point of quantity, results of elemental analysis of ICP-OES showed that after from purification of HA, the concentration of various heavy metals in HA are lower from recommended safe limit and there have macro and micronutrients at ranges in HA structure. Also, quality results of FT-IR, UV-VIS and SEM analysis, shown well presence of an aromatic predominant structure and rich from carboxylic and phenolic functional groups with high humification and condensation degree and A type with a loose spongy and heterogeneous porous surfaces for HA. CHNOS analysis also confirmed the suitability of the coal used to extract HA, and showed that the final product is in accordance with the standard HA results.Keywords: Characterization, Coal, Humic Acid, Spectroscopy, Structure}
-
طیف سنجی مرئی- مادون قرمز نزدیک یک روش غیرمخرب، سریع، ارزان، دارای حداقل آماده سازی نمونه و بدون ضرر و تخریب برای محیط زیست می باشد. تاکنون مطالعه ای در مورد استفاده از این روش در برآورد ویژگی های خاک های کشورمان انجام نشده است. این پژوهش با هدف بررسی توانایی این روش در برآورد مقدار ماده آلی، کربنات ها و درصد گچ خاک های سطحی استان اصفهان انجام شد. تعداد 248 نمونه مرکب خاک سطحی از کل استان اصفهان جمع آوری شد. مقدار ماده آلی، درصد گچ و آهک خاک با روش های استاندارد اندازه گیری شد. آنالیز طیفی خاک های مورد نظر با استفاده از دستگاه طیف سنج زمینی با دامنه طول موج 2500-350 نانومتر انجام شد. پس از ثبت طیف ها انواع روش های پیش پردازش مورد ارزیابی قرار گرفت. سپس از رگرسیون حداقل مربعات جزئی برای پیش بینی پارامترهای مورد نظر استفاده شد. نتایج نشان داد که مقادیر ضرایب تبیین برای ماده آلی، کربنات ها و گچ به ترتیب 61/ 0، 45/ 0 و 8 /0 می باشد. با توجه به مقادیر Ratio of Prediction to Deviation) RPD)، پیش بینی مدل برای درصد گچ کاملا مناسب بود و برای ماده آلی نیز قابل قبول است این در حالی است که پیش بینی مدل برای درصد کربنات های خاک ضعیف می باشد. بنابراین، روش طیف سنجی مرئی- مادون قرمز نزدیک قابلیت اندازه گیری همزمان چند ویژگی خاک را دارا می باشد و دقت مدل سازی نیز تا حد زیادی قابل قبول است.
کلید واژگان: طیف سنجی, مرئی, مادون قرمز نزدیک, ماده آلی, گچ, کربنات ها}Vis-NIR spectroscopy has been introduced as a non-destructive, fast, and cheap technique, with minimal sample preparation and no loss or damage to the environment. No investigation has yet been carried out to examine the ability of this method to estimate soil properties in Iran. The objective of this research was to investigate the capability of Vis-NIR spectroscopy to predict the amount of organic matter, carbonate and gypsum in surface soils of Isfahan province. A total of 248 surface soil samples were collected from the study area. Soil organic matter content, gypsum and carbonates percentages were measured by standard laboratory methods. Soil spectral analyses were performed by a field spectrometer using 350-2500 nm wavelength range. Different pre-processing methods were evaluated after recording the spectra. Partial least squares regression was used to predict soil parameters. R2 values for organic matter, carbonates and gypsum were 0.61, 0.45 and 0.8, respectively. Based on RPD (Ratio of Prediction to Deviation) values, the precision of prediction model for gypsum was quite good, and acceptable for organic matter, whereas the prediction of the model for soil carbonates was poor. Consequently, vis-NIR spectroscopy is capable of predicting some soil properties simultaneously and the model accuracy is acceptable.Keywords: Spectroscopy, Vis, NIR, Organic matter, Gypsum, Carbonates}
- نتایج بر اساس تاریخ انتشار مرتب شدهاند.
- کلیدواژه مورد نظر شما تنها در فیلد کلیدواژگان مقالات جستجو شدهاست. به منظور حذف نتایج غیر مرتبط، جستجو تنها در مقالات مجلاتی انجام شده که با مجله ماخذ هم موضوع هستند.
- در صورتی که میخواهید جستجو را در همه موضوعات و با شرایط دیگر تکرار کنید به صفحه جستجوی پیشرفته مجلات مراجعه کنید.