Προσδιορισμός εδαφικών ιδιοτήτων με τη χρήση φασματικών αισθητήρων MEMS σε terroir αμπελιού
Creators: name: Παλαιολόγου, Ευγενία Κωνσταντίνου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2023
Subjects: Άμπελος
Φασματοσκοπία εδάφους
Μικρο-ηλεκτρο-μηχανικά συστήματα
Terroir
Soil spectroscopy
MEMS

description: Η καλλιέργεια της αμπέλου αποτελεί σημαντικό κλάδο της γεωργίας χάρη στη συνεισφορά της στον διατροφικό και οικονομικό τομέα. Το terroir, ως έννοια της αμπελουργίας, συνδέει τα ιδιαίτερα ποιοτικά χαρακτηριστικά του οίνου με τις περιβαλλοντικές συνθήκες, στις οποίες καλλιεργείται η άμπελος. Εξηγεί την ιεραρχία των οίνων υψηλής ποιοτικής στάθμης. Ένας από τους παράγοντες που συμβάλλουν στον σχηματισμό του terroir θεωρείται το έδαφος. Αντικείμενο της παρούσας μεταπτυχιακής διατριβής είναι η εκτίμηση τριών ιδιοτήτων του εδάφους, της περιεκτικότητας σε άργιλο, σε ανθρακικό ασβέστιο (CaCO₃) και της τιμής του pH, με τη χρήση οικονομικών και μικρού μεγέθους φασματικών αισθητήρων. Η φασματοσκοπία ανάκλασης λόγω των πολλών πλεονεκτημάτων της καθίσταται ως μια αποτελεσματική εναλλακτική λύση ανάλυσης του εδάφους. Η ανάγκη για πιο οικονομικές, γρήγορες και ακριβείς εκτιμήσεις έχουν στρέψει το ενδιαφέρον σε μικρά, φορητά και οικονομικά φασματοφωτόμετρα, τα μικρο-ηλεκτρο-μηχανικά συστήματα (MEMS). Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας, αρχικά, αξιολογήθηκε η ικανότητα πρόβλεψης της περιεκτικότητας σε άργιλο και της τιμής του pH στα μήκη κύματος των MEMS, 1550-1950 nm και 1750-2150 nm, σε ένα πρώτο σύνολο δεδομένων από 124 δείγματα της ανοιχτής βιβλιοθήκης GEO-CRADLE και συγκεκριμένα από περιοχή της Δημοκρατίας της Βόρειας Μακεδονίας, με τη χρήση του αλγορίθμου Παλινδρόμηση Μερικών Ελαχίστων Τετράγωνων (Partial Least Square regression - PLSR). Αφού διαπιστώθηκε ότι τα παραπάνω μήκη ενδείκνυνται για την πρόβλεψη αυτή με R² = 0.78-0.87 για την άργιλο και R² = 0.53 για το pH, πραγματοποιήθηκε φασματική ανάλυση στο δεύτερο σύνολο, που αποτελούνταν από 102 δείγματα από την ευρύτερη περιοχή γύρω από τη λίμνη Ζάζαρη και από περιοχή της Δημοκρατίας της Βόρειας Μακεδονίας. Επίσης, εξετάστηκε και μια επιπλέον ιδιότητα, το CaCO₃, λόγω της υψηλής συσχέτισής του με το pH. Η ανάλυση αυτή πραγματοποιήθηκε στο τρίτο σύνολο δεδομένων με τα 45 δείγματα της ευρύτερης περιοχής γύρω από τη λίμνη Ζάζαρη. Η βαθμονόμηση και επικύρωση των μοντέλων πραγματοποιήθηκε με την χρήση των στατιστικών μεθόδων, PLSR, Τυχαία Δάση (Random Forest - RF) και Μηχανές Διανυσμάτων Υποστήριξης (Support Vector Machines - SVM). Συγκεκριμένα, για την άργιλο, το μοντέλο SVM, για τον αισθητήρα NIRONE S2.0, παρήγαγε ακρίβεια R² = 0.52, RPD = 0.4 και RMSE = 12.47%, ενώ το μοντέλο RF, για τον αισθητήρα NIRONE S2.2, παρήγαγε ακρίβεια R² = 0.59, RPD = 1.24 και RMSE = 9.85%. Όσον αφορά στη τιμή του pH, η χρήση του SVM και του αισθητήρα NIRONE S2.0 παρουσίασε ακρίβεια R² = 0.53, RPD = 0.81 και RMSE = 0.62%, ενώ η χρήση του RF και του αισθητήρα NIRONE S2.2 παρουσίασε ακρίβεια R² = 0.70, RPD = 1.30 και RMSE = 0.51%. Τέλος, σχετικά με το CaCO₃, το μοντέλο RF, για τον αισθητήρα NIRONE S2.0, παρήγαγε ακρίβεια R² = 0.92, RPD = 1.58 και RMSE = 7.38%, ενώ για τον αισθητήρα NIRONE S2.2, παρήγαγε ακρίβεια R² = 0.93, RPD = 3.00 και RMSE = 5.08%. Αποτελέσματα, τα οποία θεωρούνται ενθαρρυντικά για εκτιμήσεις εδαφικών ιδιοτήτων με τη χρήση των MEMS
description: Vine cultivation is a significant sector of agriculture due to its contribution to both nutrition and economy. Terroir, as an agricultural term, relates quality characteristics of wine, with the environmental conditions, in which vine is cultivated and explains the hierarchy of high-quality wine. One of the factors that is related to terroir is soil. This work presents the estimation of three soil properties, clay and calcium carbonate contents (CaCO₃) and pH, with the use of low cost and small spectral sensors. Owing to a reflectance spectroscopy’s multiple benefits it is considered as an effective alternative solution to analyze soil. The necessity of rapid, low cost and accurate estimations have placed the interest into smaller, portable and also low cost spectrophotometers, called MEMS (micro electro mechanical systems). First of all, in this study, clay content and pH at MEMS wavelengths 1550-1950 nm and 1750-2150 nm, was evaluated on a first dataset from 124 samples of the open library GEO-CRADLE with the model Partial Least Square regression – PLSR. Since it was found that the above are suitable for the soil properties estimation, R² = 0.78-0.87 for clay and R² = 0.53 for pH, spectral measurements on the second dataset were carried out. The measurements were conducting on 102 samples of the broader rural area around lake Zazari and the area of the Republic of North Macedonia. Moreover, CaCO₃ content was estimated, due to the high relate of ph, with the use of the third dataset constituting of 45 samples of the broader rural area around lake Zazari. Calibration and Validation were performed using the Partial Least Square regression – PLSR, Random Forest – RF and Support Vector Machine – SVM methods. Specifically, regarding clay content, the SVM model produced accuracy R² = 0.52, RPD = 0.4, RMSE = 12.47% for the NIRONE S2.0 sensor, while the RF model produced accuracy R² = 0.59, RPD = 1.24, RMSE = 9.85% for NIRONE S2.2 sensor. Considering pH, the use of SVM model and the NIRONE S2.0 sensor presented accuracy R² = 0.53, RPD = 0.81, RMSE = 0.62%, while the use of RF model and the NIRONE S2.2 sensor presented accuracy R² = 0.70, RPD = 1.30, RMSE = 0.51%. Finally, for CaCO₃ content, the RF model demonstrated solid performance R² = 0.92, RPD = 1.58, RMSE = 7.38% and R² = 0.93, RPD = 3.00, RMSE = 5.08%, for the NIRONE S2.0 and NIRONE S2.2 sensors, respectively. Overall, the results are considered encouraging for soil properties assessments using MEMS