Using reflectance spectroscopy for detecting land-use effects on soil quality in drylands

Author(s):  
Nathan Levi ◽  
Arnon Karnieli ◽  
Tarin Paz-Kagan

<p>The rapid growth in the global population over the past few decades has resulted in the transformation of many natural ecosystems into human-dominated ones. Land-use (LU) dynamics are accompanied by an increase in resource exploitation, often causing deteriorated environmental conditions that are reflected in the soil quality. Soil quality differences between LUs can be observed and measured using near-infrared reflectance spectroscopy (NIRS) methods. The research goal was to apply, measure, and evaluate soil properties based solely on the spectral differences between both natural and human-dominated LU practices, in the dryland environment of the central Negev Desert, Israel. This goal was achieved through the development and implementation of chemometrics techniques that were generated from soil point spectroscopy. Soil quality index (SQI) values, based on 14 physical, biological, and chemical soil properties, were quantified and compared between LUs and geographical units across the study area. Laboratory spectral measurements of soil samples were applied. Significant differences in SQI values were found between the geographical units. The statistical and mathematical methods for evaluating the soil properties’ spectral differences included principal component analysis (PCA), partial least squares-regression (PLS-R), and partial least squares-discriminant analysis (PLS-DA). Correlations between predicted spectral values and measured soil properties and SQI were calculated using PLS-R and evaluated by the coefficient of determination (R<sup>2</sup>), the Root Mean Square Error of Calibration, and Cross-Validation (RMSEC and RMSECV), and the ratio of performance to deviation (RPD). The PLS-R managed to produce “excellent” and “good” prediction values for some of the soil properties, including EC, Cl, Na, Ca + Mg, SAR, NO<sub>3</sub>, P, and SOM. Results of the PLS-R model for SQI are R<sup>2</sup> = 0.90, RPD = 2.46, RMSEC = 0.034, and RMSECV = 0.057. The PLS-DA classification of the laboratory spectroscopy was applied and resulted in high accuracy and kappa coefficient values when comparing LUs. In contrast, comparing the sampling sites resulted in lower overall accuracy (Acc = 0.82) and kappa values (K<sub>c</sub> = 0.80). It is concluded that differentiation between physical, biological, and chemical soil properties, based on their spectral differences, is the key feature in the successful results for recognizing and characterizing various soil processes in an integrative approach.  The results prove that soil quality and most soil properties can be successfully monitored and evaluated using NIRS in a comprehensive, non-destructive, time- and cost-efficient method.</p>

2016 ◽  
Vol 1 (1) ◽  
pp. 1059-1068
Author(s):  
Masdar Masdar ◽  
Agus Arip Munawar ◽  
Zulfahrizal Zulfahrizal

Rendahnya pengawasan mutu kakao menyebabkan harga jual di pasar dunia menurun akibat kurangnya pengawasan kadar air. Salah satu metode yang tepat dan cepat dalam penentuan kadar air adalah menggunakan atau Near Infrared Reflectance Spectroscopy (NIRS). Tujuan penelitian adalah melihat kemampuan NIRS dalam memprediksi kadar air bubuk biji kakao dengan menggunakan metode Partial Least Squares (PLS) serta membandingkan dua metode pretreatment De-trending dan Derivatif ke-2.Alat yang digunakan FT-IR IPTEK T-1516, dan pengolahan data dengan unscrambler software® X version 10. Hasil penelitian menunjukkan NIRS mampu menduga kadar air dalam jumlah 10 gram dengan selang kadar air 7.42 – 11.09 % menggunakan PLS secara non pretreatment maupun pretreatment. Panjang gelombang relevan dalam menduga kadar air bubuk biji kakao adalah  1400-1450 nm dan 1800-1950 nm. Peningkatkan kinerja PLS yang paling bagus menggunakan pretreatment derivative ke-2.Abstract The lowest quality of cocoa supervision cause the selling price descrease due to the lack of supervision on the water content. One of the exact method in determining the water content is Near Infrared Reflectance Spectroscopy (NIRS). The purpose of this study is to know the capability of NIRS in order to predict the water content of cocoa by using Partial Least Squares (PLS) method then compared the two pretreatment methods namely De-trending and second Derivative. The instrument used was FT-IR IPTEK T-1516, and the spectra data were analyzed by using unscrambler software® X version 10. The results showed that NIRS can be used to predict the water content in amount 10 grams in a range of water content 7:42 to 11:09% by using PLS non pretreatment and vice versa. The relevantwavelengthsused to predict water content of cocoa powder ware1400-1450 nm and 1800-1950 nm. The optimum best pretreatment method was found to be second Derivative.


2012 ◽  
Vol 61 (2) ◽  
pp. 277-290 ◽  
Author(s):  
Ádám Csorba ◽  
Vince Láng ◽  
László Fenyvesi ◽  
Erika Michéli

Napjainkban egyre nagyobb igény mutatkozik olyan technológiák és módszerek kidolgozására és alkalmazására, melyek lehetővé teszik a gyors, költséghatékony és környezetbarát talajadat-felvételezést és kiértékelést. Ezeknek az igényeknek felel meg a reflektancia spektroszkópia, mely az elektromágneses spektrum látható (VIS) és közeli infravörös (NIR) tartományában (350–2500 nm) végzett reflektancia-mérésekre épül. Figyelembe véve, hogy a talajokról felvett reflektancia spektrum információban nagyon gazdag, és a vizsgált tartományban számos talajalkotó rendelkezik karakterisztikus spektrális „ujjlenyomattal”, egyetlen görbéből lehetővé válik nagyszámú, kulcsfontosságú talajparaméter egyidejű meghatározása. Dolgozatunkban, a reflektancia spektroszkópia alapjaira helyezett, a talajok ösz-szetételének meghatározását célzó módszertani fejlesztés első lépéseit mutatjuk be. Munkánk során talajok szervesszén- és CaCO3-tartalmának megbecslését lehetővé tévő többváltozós matematikai-statisztikai módszerekre (részleges legkisebb négyzetek módszere, partial least squares regression – PLSR) épülő prediktív modellek létrehozását és tesztelését végeztük el. A létrehozott modellek tesztelése során megállapítottuk, hogy az eljárás mindkét talajparaméter esetében magas R2értéket [R2(szerves szén) = 0,815; R2(CaCO3) = 0,907] adott. A becslés pontosságát jelző közepes négyzetes eltérés (root mean squared error – RMSE) érték mindkét paraméter esetében közepesnek mondható [RMSE (szerves szén) = 0,467; RMSE (CaCO3) = 3,508], mely a reflektancia mérési előírások standardizálásával jelentősen javítható. Vizsgálataink alapján arra a következtetésre jutottunk, hogy a reflektancia spektroszkópia és a többváltozós kemometriai eljárások együttes alkalmazásával, gyors és költséghatékony adatfelvételezési és -értékelési módszerhez juthatunk.


2019 ◽  
Vol 691 ◽  
pp. 1225-1241 ◽  
Author(s):  
Vinicius Silva Rodrigues ◽  
Renato Farias do Valle Júnior ◽  
Luís Filipe Sanches Fernandes ◽  
Fernando António Leal Pacheco

Sign in / Sign up

Export Citation Format

Share Document