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Doctoral Thesis
DOI
10.11606/T.11.2013.tde-02042013-133023
Document
Author
Full name
Suzana Romeiro Araujo
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2013
Supervisor
Committee
Dematte, Jose Alexandre Melo (President)
Azevedo, Antonio Carlos de
Dalmolin, Ricardo Simão Diniz
Formaggio, Antonio Roberto
Nanni, Marcos Rafael
Title in English
Reflectance spectroscopy vis-NIR and mid-IR applied for soil studies
Keywords in English
Absorption
Carbon
Data modelizing
Heavy metal
Soil analysis
Soil physical chemical properties
Soil pollution
Spectroscopy
Abstract in English
Effective agricultural planning and environmental monitoring requires basic soil information. However, analyzing soil properties by conventional methods is often expensive and time consuming. In addition, these analyses result in chemical residues, which may be environmentally hazardous. In recent decades near-infrared diffuse reflectance spectroscopy (400-2500 nm) has been shown to be a viable alternative for rapidly analyzing soil properties. Information needs to be mathematically extracted from the spectra in order to correlate them with soil properties, and multivariate statistics are often used to calibrate soil prediction models.However, soils evaluated by the mid-IR region (4000 to 400 cm-1) warrants new studies. The primary aim of this study was to investigate the feasibility to use soil spectral data and chemometrics methods to predict soil properties, in order to reduce the number of conventional soil analyses. The understanding of the relationships between spectral characteristics and the physic-chemical properties of soils were evaluated in three different studies with soils of: (i) spectral library (Chapter 1), (ii) amazonian region (Chapter 2), (iii) soils contaminated with heavy metals and tannery sludge (Chapter 3).It was possible to identify regions of the vis-NIR and mid-IR spectra that showed absorption features due to water, iron oxides, and clay minerals. In Chapter 1 the predicted models for clay and soil organic matter showed high accuracy. It reflects the influence of the direct spectral responses of these properties in the NIR. The division of the large library into smaller subsets based on variation in the spectra characteristics was the best alternative to quantify soil attributes in tropical soils by Partial Least Square regressions. Another alternative would be to use Boosted regression trees for the whole library. In Chapter 2, the mid-IR predicted models outperformed the vis-NIR. Comparison of the interpolation results revealed that the predictions of the PLS regression (mid-IR and vis-NIR) adequately reproduced the spatial pattern of the properties evaluated, especially soil organic carbon and cation exchange capacity and, had the ability to predict the soil properties of unknown samples from a different geographical location. In Chapter 3, the metals adsorption to soil constituents caused expressive changes in soil spectral curves, showing spectral differentiation between highly contaminated soil and soils that are relatively contaminant-free. The results indicate that the Cr pseudo-total content can be predicted by spectroscopy reflectance with both sensors data. Fe and Mn also can be predicted accuratley by vis-NIR. The vis-NIR models outperformed the mid-IR. Besides these results, the vis-NIR instrument has less complicated sample and can be used directly in the field using portable spectrorradiometers.
Title in Portuguese
Espectroscopia de reflectância vis-NIR e mid-IR aplicada ao estudo de solos
Keywords in Portuguese
Absorção
Análise do solo
Carbono
Espectroscopia
Metal pesado do solo
Modelagem de dados
Poluição do solo
Solos - Propriedades físico-químicas
Abstract in Portuguese
Para o planejamento agrícola e o monitoramento ambiental são necessárias informações sobre os solos. As análises de solos realizadas através de métodos convencionais em laboratório são normalmente caras e demoradas. Além disso, geram resíduos químicos que caso não sejam dispostos e/ou tratados adequadamente, podem contaminar o ambiente. Nas últimas décadas a espectroscopia de reflectância difusa na região do visível e infravermelho próximo (vis-NIR, 400-2500 nm) do espectroeletromagnético tem se mostrado uma alternativa viável para analisar atributos de solo de maneira rápida. Para tanto, a informação espectral é matematicamente extraída do espectro e métodos multivariados são usados afim de correlacioná-la com as propriedades do solo. Entretanto, ainda são poucos estudos de solos em que a espectroscopia de reflectância na região do infravermelho médio (mid-IR, 4000-400 cm-1) foi usada. Objetivaram-se com este trabalho investigar a viabilidade da utilização de dados espectrais vis-NIR e mid-IR de solos e métodos quimiométricos para predizer as propriedades dos mesmos, a fim de reduzir o número de análises convencionais de terra. As relações existentes entre características espectrais e propriedades físico-químicas de solos tropicais foram avaliadas em três estudos distintos com solos (i) de uma biblioteca espectral (Capítulo 1), (ii) da região amazônica (Capítulo 2) e, (iii) contaminados com metais pesados e lodo de curtume (Capítulo 3). Foi possível identificar faixas espectrais nas regiões do vis-NIR e mid-IR relacionadas às feições de absorção características da água, óxidos de ferro e minerais de argila. No capítulo 1 os modelos de predição vis-NIR de argila e matéria orgânica do solo apresentaram elevada acurácia. Isto reflete a influência direta destas propriedades do solo na sua resposta espectral. A divisão da biblioteca espectral em subgrupos menores baseada nas características espectrais foi eficiente na quantificação de atributos de solos tropicais. Outra alternativa foi usar o método de regressão de árvores para o conjunto total de dados. No capítulo 2, os modelos de predição mid-IR foram mais precisos que os vis-NIR. Os modelos de carbono orgânico do solo e capacidade de troca catiônica obtidos pela regressão pelo método dos mínimos quadrados parciais permitiram a reprodução do padrão espacial destas propriedades na área estudada (r > 0.81); e puderam ser aplicados em uma área geográfica diferente, em amostras de solos desconhecidas. No capítulo 3, a adsorção de metais em constituintes dos solos provocou mudanças nas curvas espectrais dos mesmos, mostrando diferenças entre solos altamente contaminados por metais pesados e solos livres de contaminação. Os teores de Cr (semi-total) no solo pode ser predito através da espectroscopia de reflectância vis-NIR-mid-IR e regressão por mínimos quadrados parciais. Fe e Mn também foram preditos com acurácia usando dados vis-NIR. Em geral, os modelos de predição vis- NIR de metais pesados foram mais precisos que o mid-IR. A vantagem da utilização do sensor vis-NIR está no preparo mais simples de amostras e na possibilidade de utilizá-lo diretamente no campo.
 
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Publishing Date
2013-04-23
 
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