# Mise au point de modèles chimiométriques pour la caractérisation de sols à partir de mesures spectrales PIR effectuées au laboratoire et au champ

Bernard Barthès, Claude Boussan, Amandine Etayo, Youssef Fouad, Cyril Girardin, Etienne Lamy, Eric Latrille, Marie Noelle Mistou, Brigitte Montegano, Nicolas Proix, et al.

► To cite this version:

Bernard Barthès, Claude Boussan, Amandine Etayo, Youssef Fouad, Cyril Girardin, et al. Mise au point de modèles chimiométriques pour la caractérisation de sols à partir de mesures spectrales PIR effectuées au laboratoire et au champ. Rencontres HelioSPIR 2018, Nov 2018, Montpellier, France. *hal-02785832*

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Submitted on 4 Jun 2020

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# Mise au point de modèles chimiométriques pour la caractérisation de sols à partir de mesures spectrales PIR effectuées au laboratoire et au champ

Bernard Barthès, Claude Doussan, Amandine Etayo, Youssef Fouad, Cyril Girardin, Etienne Lamy, Eric Latrille, Marie-Noelle Mistou, Brigitte Montegano, Nicolas Proix, Virginie Rossard, Pascal Sartre, Jeanne-Chantale Thoisy

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## CONTEXTE

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* Développer des compétences « NIRS » sur des données du sol

* Pari scientifique EA 2017-2018

* Partage de données et de modèles via ChemFlow

* Organisation d'ateliers

* **Objectif** : caractériser les types de sol présents et leur répartition spatiale pour accéder à des calculs de stocks de carbone et l'azote

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PLAN

I. Etalonnages à partir des spectres obtenus en labo

II. Etalonnages à partir des spectres obtenus au champ

III. Perspectives
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# Développement de calibrations à partir de mesures (spectres et analyses) effectuées en laboratoire
(INRA – LAS)

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# LES ECHANTILLONS
## Provenance

* 1036 échantillons

* 5 sites français

<table><thead><tr><th>Sites</th><th>Nb ech</th></tr></thead><tbody><tr><td>Auzeville-Tolosane</td><td>337</td></tr><tr><td>Isère</td><td>48</td></tr><tr><td>Époisses</td><td>158</td></tr><tr><td>Lusignan</td><td>352</td></tr><tr><td>Crouel</td><td rowspan="2">141</td></tr><tr><td>Theix</td></tr><tr><td>Clermont-Ferrand</td><td></td></tr></tbody></table>

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# LES ECHANTILLONS

## Mesures au Laboratoire d'Analyses des Sols (LAS)

* Unité de service de l'INRA

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cofrac

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ESSAIS

ACCREDITATION

N° 1-1380

PORTEE

DISPONIBLE SUR

WWW.COFRAC.FR

* Acquisition des spectres PIR

* Mesure de 16 paramètres physico-chimiques

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# PROTOCOLE DE MESURE SPECTRALE
## Au LAS

### ❖ Préparation des échantillons

Selon la norme NF ISO 11464

→ séchage à l'air (température 35°C)

→ émottage et tamisage à 2mm

**Avant la prise de spectre**

Nouveau séchage à l'air au moins 12h (température 35°C)

→ Prise d'essai entre 50 et 100 g d'échantillon dans une clayette puis déposé dans une coupelle

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### ❖ Prise de spectre

→ Büchi NIRFLEX N500. Mode réflectance.

→ Acquisition en 4000 et 10000 cm⁻¹ (1000-2500nm)

→ Résolution de 8 cm⁻¹ (1501 valeurs)

→ Un échantillon de référence est inséré en début et fin de séquence et tous les 10 échantillons « inconnus »

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# ANALYSES DE Corg et Ntot (g/Kg)

## Propriétés des échantillons

<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>Teneurs observées en Corg et Ntot sur les différents sites étudiés</figcaption></figure>

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# ETUDE DES DONNEES SPECTRALES

## Description des 1036 spectres

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* Spectres Bruts PIR

* Réflectance
# ETUDE DES DONNEES SPECTRALES

## Détection d'outliers - Spectres d'Isère

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→ Outliers : suppression de 20 échantillons de fond de vallée de l'Isère, hors gamme spectralement et en Corg. Calibration sur 4 sites sauf Isère (988 échantillons) et validation sur jeu indépendant Isère (28 ech.)

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# DEVELOPPEMENT DES CALIBRATIONS

## Sur les données d'étalonnage pour la prédiction en Corg (g/kg) – PLS-R

<table><thead><tr><td>Prétraitement</td><td>Type</td><td>LV</td><td>R²-CV</td><td>RMSECV</td><td>R²</td></tr></thead><tbody><tr><td>Sans</td><td>Réflectance</td><td>8</td><td>0.64</td><td>4.21</td><td>0.91</td></tr><tr><td>DSG(D1,P2,S11)</td><td>Réflectance</td><td>6</td><td>0.64</td><td>4.22</td><td>0.88</td></tr><tr><td>Detrend2</td><td>Réflectance</td><td>5</td><td>0.63</td><td>4.29</td><td>0.94</td></tr><tr><td>MSC</td><td>Réflectance</td><td>12</td><td>0.69</td><td>3.90</td><td>0.93</td></tr><tr><td>SNV</td><td>Réflectance</td><td>9</td><td>0.68</td><td>3.97</td><td>0.94</td></tr><tr><td>Normalize</td><td>Réflectance</td><td>9</td><td>0.67</td><td>4.04</td><td>0.96</td></tr><tr><td>Baseline</td><td>Réflectance</td><td>7</td><td>0.63</td><td>4.27</td><td>0.95</td></tr><tr><td>Sans</td><td>Absorbance</td><td>11</td><td>0.68</td><td>4.02</td><td>0.97</td></tr><tr><td>SNV</td><td>Absorbance</td><td>10</td><td>0.68</td><td>4.01</td><td>0.95</td></tr><tr><td>Normalize</td><td>Absorbance</td><td>8</td><td>0.64</td><td>4.26</td><td>0.90</td></tr><tr><td>DSG(D1,P2,S11)</td><td>Absorbance</td><td>8</td><td>0.66</td><td>4.11</td><td>0.94</td></tr><tr><td>MSC</td><td>Absorbance</td><td>7</td><td>0.67</td><td>4.07</td><td>0.96</td></tr><tr><td>Detrend</td><td>Absorbance</td><td>10</td><td>0.68</td><td>4.00</td><td>0.97</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_26.png" /></figure>

<figure><img src="image_27.png" /></figure>
# DEVELOPPEMENT DES CALIBRATIONS

## Sur les données d'étalonnage pour la prédiction en Ntot (g/kg) – PLS-R

<table><thead><tr><td>Prétraitement</td><td>Type</td><td>LV</td><td>R<sup>2</sup>-CV</td><td>RMSECV</td><td>R<sup>2</sup></td></tr></thead><tbody><tr><td>Sans</td><td>Réflectance</td><td>14</td><td>0.83</td><td>0.25</td><td>0.90</td></tr><tr><td>Sans</td><td>Absorbance</td><td>10</td><td>0.82</td><td>0.25</td><td>0.96</td></tr><tr><td>MSC</td><td>Réflectance</td><td>10</td><td>0.89</td><td>0.19</td><td>0.94</td></tr><tr><td>SNV</td><td>Réflectance</td><td>11</td><td>0.88</td><td>0.21</td><td>0.95</td></tr><tr><td>DSG(D1,P2,S11)</td><td>Réflectance</td><td>7</td><td>0.80</td><td>0.26</td><td>0.87</td></tr><tr><td>DSG(D1,P1,S11)</td><td>Réflectance</td><td>7</td><td>0.79</td><td>0.27</td><td>0.87</td></tr><tr><td>Baseline</td><td>Réflectance</td><td>15</td><td>0.84</td><td>0.24</td><td>0.91</td></tr><tr><td>Normalisation</td><td>Réflectance</td><td>11</td><td>0.84</td><td>0.24</td><td>0.95</td></tr><tr><td>Detrend2</td><td>Réflectance</td><td>7</td><td>0.79</td><td>0.27</td><td>0.9</td></tr><tr><td>MSC, DSG(D1,P2,S11)</td><td>Réflectance</td><td>10</td><td>0.88</td><td>0.20</td><td>0.94</td></tr><tr><td>MSC</td><td>Absorbance</td><td>8</td><td>0.88</td><td>0.20</td><td>0.95</td></tr><tr><td>DSG(D1,P2,S11)</td><td>Absorbance</td><td>8</td><td>0.85</td><td>0.23</td><td>0.96</td></tr><tr><td>SNV</td><td>Absorbance</td><td>9</td><td>0.87</td><td>0.21</td><td>0.96</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_28.png" /></figure>

<figure><img src="image_29.png" /></figure>
# DEVELOPPEMENT DES CALIBRATIONS

## Validation des modèles sur des données externes
(Isère) et comparaison aux résultats de la littérature.

### Corg en g/kg (PLS-R)

RMSEC = 3.2 ; RMSECV = 4.02 ; r2 cal = 0.69
RMSEP = 3.07 r2 val = 0.67
RPD = 2.87

### Ntot en g/kg (PLS-R)

RMSEC = 0.23 ; RMSECV = 0.24 ; r2 cal = 0.84
RMSEP = 0.33 r2 val = 0.82
RPD = 2.87

### Résultats observés dans la littérature

<table><thead><tr><td>Référence</td><td>Paramètre</td><td>RMSEP (g/kg)</td><td>RPD</td></tr></thead><tbody><tr><td>Claurotte et al. (2016)</td><td>Corg</td><td>4.4</td><td>2.3</td></tr><tr><td>Stevens et al. (2013)</td><td>Corg</td><td>4</td><td>2.17</td></tr><tr><td>Gogé et al. (2012) PLS local</td><td>Corg</td><td>3,73 à 3,96</td><td>2,10 à 2,22</td></tr></tbody></table>

<table><thead><tr><td>Référence</td><td>Paramètre</td><td>RMSEP (g/kg)</td><td>RPD</td></tr></thead><tbody><tr><td>Brunet et al. (2007)</td><td>Ntot</td><td>0.07-0.41</td><td>1.8-3.2</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_30.png" /></figure>

<figure><img src="image_31.png" /></figure>
# DEVELOPPEMENT DES CALIBRATIONS

## Validation par la détermination des incertitudes de prédiction sur les échantillons d'Isère (calcul Unscrambler)

<figure><img src="image_32.png" /></figure>

* Incertitudes des valeurs prédites > Incertitudes des valeurs de référence

* La SPIR donne un ordre de grandeur sur les teneurs

<figure><img src="image_33.png" /></figure>
<figure><img src="image_34.png" /></figure>

# Validation par profil d'exactitude

## (Approche détaillée dans CheMOOCs 2/2...)
# VALIDATION
## à l'aide du profil d'exactitude

Recouvrement (%)

<figure><img src="image_35.png" /><figcaption>Profil d'exactitude</figcaption></figure>

● — Recouvrement (justesse) (%)

<figure><img src="image_36.png" /></figure>

— Limite d'acceptabilité basse (%)

<figure><img src="image_37.png" /></figure>

— Limite d'acceptabilité haute (%)

— Limite basse tolérance (%)

<figure><img src="image_38.png" /></figure>

— Limite haute tolérance (%)

Profil d'exactitude pour le modèle de prédiction de
la teneur en Corg

<figure><img src="image_39.png" /><figcaption>Profil d'exactitude</figcaption></figure>

Profil d'exactitude pour le modèle de prédiction de la
teneur en Ntot

<figure><img src="image_40.png" /></figure>

<figure><img src="image_41.png" /></figure>
<figure><img src="image_42.png" /></figure>

# Développement de calibrations à partir de mesures spectrales acquises au champ

<figure><img src="image_43.png" /></figure>
# PROTOCOLE DE MESURE SPECTRALE

## Au Champ

Spectromètre ASD LabSpec 2500

* Mode Absorbance

* Acquisition : entre 250 et 2500 nm
(4000 et 40000 cm⁻¹)

* Résolution : 3 nm

* Mesures sur carotte ou sur mottes

* 250 échantillons

* 3 sites français

<table><thead><tr><th>Sites</th><th>Nb ech</th></tr></thead><tbody><tr><td>Auzeville-Tolosane</td><td>96</td></tr><tr><td>Lusignan</td><td>62</td></tr><tr><td>Crouel<br>Clermont<br>-Ferrand</td><td>92</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_44.png" /></figure>

<figure><img src="image_45.png" /></figure>

<figure><img src="image_46.png" /></figure>

<figure><img src="image_47.png" /></figure>

<figure><img src="image_48.png" /></figure>
# ETUDE DES DONNEES SPECTRALES

## Description des 250 spectres

<figure><img src="image_49.png" /></figure>

* Spectres Bruts

* Absorbance

250 nm

2500 nm

<figure><img src="image_50.png" /></figure>
# Développement d'étalonnages terrain
## Choix du jeu de calibration et du jeu de validation

<figure><img src="image_51.png" /></figure>

Représentation des scores de l'ACP des spectres :
PC2(2%) en fonction de PC1 (96%)
# DEVELOPPEMENT DES CALIBRATIONS

## Comparatif de différents prétraitements et jeux de validation

### Jeu de validation d'Auzeville

<table><thead><tr><td>Prétraitement</td><td>Type</td><td>Paramètre</td><td>LV</td><td>R²-CV</td><td>RMSECV</td><td>RMSEP</td></tr></thead><tbody><tr><td>SNV</td><td>Absorbance</td><td>Corg</td><td>11</td><td>0.68</td><td>4.54</td><td>91</td></tr><tr><td>SNV</td><td>Absorbance</td><td>Ntot</td><td>11</td><td>0.78</td><td>0.28</td><td>10</td></tr></tbody></table>

* Résultats de prédiction sur le jeu indépendant non satisfaisant pour $C_{org}$ et $N_{tot}$

* Causes possibles :

- différence de protocole d'acquisition des spectres sur le terrain

- base de données terrain ne comportant que peu d'échantillons

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# Conclusions et perspectives

<figure><img src="image_54.png" /></figure>
CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES

Les performances en prédiction des modèles dépendent
des jeux de données disponibles.

* Poursuivre l'élargissement de la base de données (par ex. RMQS)

* Publication des données via un data paper sur les données et un data paper sur les modèles.

* Elargissement de la communauté de SpectraSol
CheMOOCs

CheMoocs 1/2 méthodes non supervisées actuellement sur FUN-MOOC.fr : 1500 inscrits

- CheMoocs 2/2 méthodes supervisées début 4 février 2019 sur FUN : inscrivez-vous maintenant !

- Conférence de Chimiométrie à SupAgro-Montpellier du 30 janvier au 1er février 2019

- ChemHouse

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