Προσδιορισμός του λόγου άνθρακα προς άζωτο με χρήση φασματοσκοπίας ανάκλασης εδάφους
Creators: name: Βροχίδης, Παρασκευάς Ιωάννη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Φασματοσκοπία
Λόγος άνθρακα-άζωτο
Αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης
Soil spectroscopy
Carbon-nitrogen ratio
Machine learning algorithms

description: Η χρήση φασματοσκοπίας στο έδαφος κρίνεται απαραίτητη, καθώς παρέχει άμεσα και αποδοτικά ως προς το κόστος αποτελέσματα συγκριτικά με τις χημικές αναλύσεις. Σκοπός της εργασίας είναι ο προσδιορισμός του λόγου άνθρακα προς άζωτο με χρήση φασματοσκοπίας ορατού – εγγύς υπέρυθρου (350-2500 nm). Για την καλύτερη μελέτη της σχέσης άνθρακα-αζώτου και για την επίτευξη μεγαλύτερης παραλλακτικότητας, έγιναν μετρήσεις σε έδαφος με διαφοροποιημένη λίπανση. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκε οργανική λίπανση με δύο διαφορετικές ποσότητες, ανόργανη λίπανση, καθώς και έδαφος στο οποίο δεν έγινε καμία εφαρμογή λίπανσης. Μετρήσεις έγιναν πριν αλλά και κατά τη διάρκεια της εφαρμογής της λίπανσης και μελετήθηκαν η οργανική ουσία, το άζωτο, και ο μεταξύ τους λόγος. Για τη λήψη των φασματικών υπογραφών χρησιμοποιήθηκε φασματοφωτόμετρο στο ορατό – εγγύς υπέρυθρο με μεγάλη διακριτική ικανότητα, και ακολουθήθηκε συγκεκριμένο πρωτόκολλο μετρήσεων για την ελαχιστοποίηση των σφαλμάτων. Μετά τη συλλογή των δεδομένων από όλες τις μετρήσεις, έγινε ανάλυση των φασματικών υπογραφών και αναπτύχθηκαν μοντέλα συσχέτισης για τον οργανικό άνθρακα, το άζωτο και τον λόγο μεταξύ τους. Για τα μοντέλα χρησιμοποιήθηκαν διάφοροι αλγόριθμοι μηχανικής μάθησης (Cubist, PLSR, MARS) που χρησιμοποιούνται ευρέως στη φασματοσκοπία εδαφών. Για την ελαχιστοποίηση του θορύβου και την επίτευξη αποτελεσμάτων με μεγαλύτερη ακρίβεια πραγματοποιήθηκαν κάποιες τεχνικές προεπεξεργασίας δεδομένων όπως αυτή της πρώτης παραγώγου, της συνεχούς απομάκρυνσης και της αποροφούμενης ακτινοβολίας. Στη συνέχεια αξιολογήθηκε η ακρίβεια των μοντέλων πρόβλεψης των εδαφοχημικών παραμέτρων εφαρμόζοντας την τεχνική της αναδιπλωμένης διασταυρωμένης επικύρωσης. Το μοντέλο του Cubist έδωσε τα καλύτερα αποτελέσματα για όλες τις εδαφικές παραμέτρους, μαζί με την First Derivative
description: The usage of spectroscopy in soil seems necessary because we can both obtain accurate, rapid and inexpensive, great amount of data in comparison with laboratory analysis. The purpose of this research is to estimate the ratio of carbon to nitrogen using vis-NIR spectroscopy (350-2500 nm). We used plots with different kind of fertilization to achieve greater variability and to study better the carbon-nitrogen ratio. Specifically, the fertilization that was followed was two different volumes of organic fertilization, inorganic fertilization and plots without fertilization at all. Measurements took place through the whole study, before, after and during the application of fertilization. Soil organic matter, nitrogen and the ratio between them was studied. We used a spectrometer in the vis-NIR range with significant spectral resolution to obtain the spectral signatures; a specific measurement protocol was followed during the spectral acquisitions to reduce errors during the measurement. Data were collected and analyzed their spectral signatures and created models for organic carbon, organic matter and the ratio between them. We used regression applying Cubist models, PLSR and MARS which are widely used in soil spectroscopy. To minimize the noise and maximize the accuracy of data, we used some preprocessing methods like First Derivative, Continuum Removal and Absorbances. Also, the accuracy of the prediction models of soil chemical properties was evaluated using the Leave One Out cross validation. The Cubist model gave the best results for all soil parameters along with First Derivative