Kombinierte Anwendung stationärer und mobiler infrarot- und röntgenfluoreszenz-spektroskopischer Analyseverfahren zur räumlich-vertikalen Charakterisierung von Stichproben ausgewählter Bodengesellschaften

• Antragsteller: Professor Dr. Bernard Ludwig; Professor Dr. Michael Vohland
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 459985119

Sensorbasiertes Bodenmonitoring, welches infrarotspektroskopische (IR)-Verfahren (Vis/NIRS, MIRS) und energiedispersive Röntgenfluoreszenzspektroskopie (XRF) einsetzt, kann Bodeneigenschaften, die essentiell zur Ableitung und Bewertung von Bodenfunktionen sind, in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung quantifizieren. Bestehende Defizite der optimalen Datenerhebung und Datenauswertung bei stationären und mobilen sensorbasierten Verfahren erschweren jedoch kritische Beurteilungen der Möglichkeiten und Grenzen dieser Verfahren.Im Rahmen des Antrags wird eine Optimierung der stationären und mobilen IR- und XRF-Datenerhebungen für spektral aktive Bodeneigenschaften für repräsentative Bodentypenkomplexe ausgewählter Bodenlandschaften angestrebt. Die Einzelmethoden werden hinsichtlich Messmodi (diffuse Reflexions-Infrarot Fourier-Transformation vs. abgeschwächter Totalreflexionsmodus für MIRS, Pulver vs. Presslinge für XRF), Probenvorbereitungen (in-situ, getrocknet, getrocknet und gesiebt, getrocknet und gemahlen), Messbedingungen und notwendiger Stichprobenanzahlen optimiert. Spezifische Tiefenfunktionen für die unterschiedlichen Bodeneigenschaften werden für ausgewählte Musterprofile definiert.Ein systematischer Vergleich von Kalibrations-Algorithmen zur Quantifizierung spektral aktiver Bodeneigenschaften mittels Vis/NIRS, MIRS und XRF erfolgt bei Verwendung linearer und nicht-linearer Ansätze und Spektren-Dekonvolution in Abhängigkeit von unterschiedlichen Stichprobengrößen in multiplen Partitionierungen. Dabei werden Spektralvariablenselektion und Spiking bei Verwendung bestehender Datenbanken eingesetzt. Die Genauigkeit der Bodenprofilcharakterisierung durch portable und laborbasierte spektroskopische Verfahren sowie die potentielle Übertragbarkeit kalibrierter Schätzmodelle werden systematisch an einzelnen Profilen der betrachteten Bodentypenkomplexe untersucht. Die Analyse der standortspezifischen Beziehungen zwischen spektral aktiven und inaktiven bzw. spektral schlecht definierten Bodeneigenschaften erfolgt chemometrisch und mittels Regressionsanalysen unter Einsatz der spektral aktiven Bodeneigenschaften als Prädiktoren. Die synergetische IR- und XRF-Datenanalyse der stationären und mobilen Ansätze erfolgt auf Basis von low-, mid- und high-level sowie hybrider Datenfusionsansätze mit Schwerpunkten auf der Outer-Product-Analyse, einer low-level-Fusion mit nachfolgender automatischer Wellenlängenbereichs-Selektion, einer mid-level-Fusion bei jeweiliger Verwendung der Hauptkomponenten und high-level-Fusionen bei Verwendung der Ansätze nach Bates-Granger und nach Granger-Ramanathan.Dieses Projekt liefert die Werkzeuge, um die Datenerhebungen des sensorbasierten Bodenmonitorings zu optimieren, die Bestimmungsgenauigkeiten von unterschiedlich komplexen Bodeneigenschaften durch Datenfusionsansätze zu verbessern und die Anwendbarkeit sensorbasierten Monitorings für ausgewählte Bodentypenkomplexe räumlich und profilbezogen zu bewerten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen