Kombinierte Anwendung stationärer und mobiler infrarot- und röntgenfluoreszenz-spektroskopischer Analyseverfahren zur räumlich-vertikalen Charakterisierung von Stichproben ausgewählter Bodengesellschaften

Description: Sensorbasiertes Bodenmonitoring, welches infrarotspektroskopische (IR)-Verfahren (Vis/NIRS, MIRS) und energiedispersive Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF) einsetzt, kann Bodeneigenschaften, die essentiell zur Ableitung und Bewertung von Bodenfunktionen sind, in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung quantifizieren. Bestehende Defizite der optimalen Datenerhebung und Datenauswertung bei stationären und mobilen sensorbasierten Verfahren erschweren jedoch kritische Beurteilungen der Möglichkeiten und Grenzen dieser Verfahren. Im Rahmen des Antrags wird eine Optimierung der stationären und mobilen IR- und XRF-Datenerhebungen für spektral aktive Bodeneigenschaften für repräsentative Bodentypenkomplexe ausgewählter Bodenlandschaften angestrebt. Die Einzelmethoden werden hinsichtlich Messmodi (diffuse Reflexions-Infrarot Fourier-Transformation vs. abgeschwächter Totalreflexionsmodus für MIRS, Pulver vs. Presslinge für XRF), Probenvorbereitungen (in-situ, getrocknet, getrocknet und gesiebt, getrocknet und gemahlen), Messbedingungen und notwendiger Stichprobenanzahlen optimiert. Spezifische Tiefenfunktionen für die unterschiedlichen Bodeneigenschaften werden für ausgewählte Musterprofile definiert. Ein systematischer Vergleich von Kalibrations-Algorithmen zur Quantifizierung spektral aktiver Bodeneigenschaften mittels Vis/NIRS, MIRS und XRF erfolgt bei Verwendung linearer und nicht-linearer Ansätze und Spektren-Dekonvolution in Abhängigkeit von unterschiedlichen Stichprobengrößen in multiplen Partitionierungen. Dabei werden Spektralvariablenselektion und Spiking bei Verwendung bestehender Datenbanken eingesetzt. Die Genauigkeit der Bodenprofilcharakterisierung durch portable und laborbasierte spektroskopische Verfahren sowie die potentielle Übertragbarkeit kalibrierter Schätzmodelle werden systematisch an einzelnen Profilen der betrachteten Bodentypenkomplexe untersucht. Die Analyse der standortspezifischen Beziehungen zwischen spektral aktiven und inaktiven bzw. spektral schlecht definierten Bodeneigenschaften erfolgt chemometrisch und mittels Regressionsanalysen unter Einsatz der spektral aktiven Bodeneigenschaften als Prädiktoren. Die synergetische IR- und XRF-Datenanalyse der stationären und mobilen Ansätze erfolgt auf Basis von low-, mid- und high-level sowie hybrider Datenfusionsansätze mit Schwerpunkten auf der Outer-Product-Analyse, einer low-level-Fusion mit nachfolgender automatischer Wellenlängenbereichs-Selektion, einer mid-level-Fusion bei jeweiliger Verwendung der Hauptkomponenten und high-level-Fusionen bei Verwendung der Ansätze nach Bates-Granger und nach Granger-Ramanathan.Dieses Projekt liefert die Werkzeuge, um die Datenerhebungen des sensorbasierten Bodenmonitorings zu optimieren, die Bestimmungsgenauigkeiten von unterschiedlich komplexen Bodeneigenschaften durch Datenfusionsansätze zu verbessern und die Anwendbarkeit sensorbasierten Monitorings für ausgewählte Bodentypenkomplexe räumlich und profilbezogen zu bewerten.

SupportProgram

Origins: /Bund/UBA/UFORDAT

Tags: Bodenkunde ? Regressionsanalyse ? Analyseverfahren ? Bewertungsverfahren ? Bodenfunktion ? Bodenmonitoring ? Bodenlandschaft ? Datenbank ? Datenerhebung ? Soil Sciences ?

Region: Hessen Saxony

Bounding boxes: 9° .. 9° x 50.55° .. 50.55° 13.25° .. 13.25° x 51° .. 51°

License: cc-by-nc-nd/4.0

Language: Deutsch

Organisations

• Umweltbundesamt (Bereitstellung)
• Universität Kassel (Projektverantwortung)
• Universität Leipzig (Projektverantwortung)

Time ranges: 2021-01-01 - 2025-12-14

Alternatives

• Language: Englisch/English
  Title: Combined use of laboratory-based and portable infrared and x-ray fluorescence spectroscopy approaches for the spatial-vertical characterization of samples of selected soil groups
  Description: Sensor-based soil monitoring, which uses infrared spectroscopic (IR) approaches (Vis/NIRS, MIRS) and energy dispersive X-ray fluorescence spectroscopy (XRF), can quantify soil properties that are essential to derive and evaluate soil functions in high spatial and temporal resolutions. However, collection and evaluation in laboratory-based and portable sensor-based methods have not yet been optimised, making it difficult to critically assess possibilities and limitations of these methods.This proposal aims at optimising the IR and XRF data collection for spectrally-active soil properties using laboratory-based and portable methods for representative soil type complexes of selected soil landscapes. The individual methods are optimised with regard to measuring modes (diffuse reflectance infrared Fourier transform vs. attenuated total reflection for MIRS, powder vs. pellets for XRF), sample preparation (in-situ, dried, dried and sieved, dried and ground), measuring conditions and required sample numbers. Specific depth functions for the different soil properties will be defined in the studied sample profiles.A systematic comparison of calibration algorithms for the quantification of spectrally-active soil properties by Vis/NIRS, MIRS and XRF will be performed. Linear and non-linear calibration approaches and spectral deconvolution will be employed as functions of different sample sizes in multiple partitions. Spectral variable selection and spiking using existing databases will be used. The accuracy of soil profile characterisation by portable and laboratory-based spectroscopic methods as well as a potential transferability of calibrated estimation models will be systematically investigated on individual profiles of the studied soil type complexes. The analysis of site-specific relationships between spectrally-active and spectrally-inactive or spectrally poorly-defined soil properties will be performed both chemometrically and by regression analyses using the spectrally-active soil properties as predictors. The synergistic IR and XRF data analysis using the laboratory-based and mobile approaches will be based on low-, mid- and high-level as well as hybrid data fusion approaches with an emphasis on outer-product analysis, low-level fusion with subsequent automatic wavelength range selection, mid-level fusion using the principal components and high-level fusion using the approaches of Bates-Granger and Granger-Ramanathan.This project provides the tools with which to optimize the data collection of sensor-based soil monitoring, to improve the determination accuracy of differently complex soil properties by data fusion approaches, and to evaluate the applicability of a spatial and profile-related sensor-based monitoring for selected soil type complexes. https://ufordat.uba.de/UFORDAT/pages/PublicRedirect.aspx?TYP=PR&DSNR=1140588

Resources

• Webseite zum Förderprojekt

  https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/459985119 (Webseite)

Status

Aktiv

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