Δυνατότητες ορατής και εγγύς υπέρυθρης φασματοσκοπίας και φασματικών δεδομένων για την πρόβλεψη βαρέων μετάλλων σε ρυπασμένα εδάφη (Ιράν)
Από RemoteSensing Wiki
Πρότυπος τίτλος: Capability of vis-NIR spectroscopy and Landsat 8 spectral data to predict soil heavy metals in polluted agricultural land (Iran)
Συγγραφείς: Ramin Samiei Fard & Hamid Reza Matinfar
Link: https://link.springer.com/article/10.1007/s12517-016-2780-4
Εισαγωγή
Τα τελευταία χρόνια η ρύπανση του περιβάλλοντος με βαρέα μέταλλα είναι ένα πολύ διαδεδομένο πρόβλημα και αναλόγως την ένταση στην οποία υφίσταται μπορεί να έχει άμεσα ή έμμεσα πολύ αρνητικές συνέπειες στα οικοσυστήματα και στην ανθρώπινη υγεία. Ορισμένα βαρέα μέταλλα, όπως ο χαλκός (Cu) και ο ψευδάργυρος (Zn) (ιχνοστοιχεία) είναι απαραίτητα σε συγκεκριμένες συγκεντρώσεις τόσο στα φυτά όσο και στον άνθρωπο αλλά και σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς. Παρόλ’ αυτά όταν συγκεκριμένες μορφές των βαρέων μετάλλων βρεθούν σε υψηλά επίπεδα στο έδαφος μπορεί να προκαλέσουν τοξικότητα και ρύπανση του εδάφους, η οποία μπορεί με τη σειρά της να αποδοθεί και να μεταφερθεί στα υπόγεια ύδατα, στις καλλιέργειες και εν δυνάμει στον άνθρωπο. Για το λόγο αυτό, κρίνεται απαραίτητος ο υπολογισμός των συγκεντρώσεων των βαρέων μετάλλων στο έδαφος ειδικά σε περιοχές με έντονη βιομηχανία και γεωργία, καθώς τέτοιου είδους δραστηριότητες τείνουν να αυξάνουν αισθητά τα επίπεδά τους στο έδαφος με διάφορους τρόπους. Ο υπολογισμός των βαρέων μετάλλων στο έδαφος αλλά και σε υδρόβια συστήματα μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση πολλών μεθόδων. Οι παραδοσιακές μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση της κατανομής των βαρέων μετάλλων στο έδαφος περιλαμβάνουν χρονοβόρες εργαστηριακές χημικές αναλύσεις και παραστατικές δειγματοληψίες (π.χ. δειγματοληψία + χημικές αναλύσεις + φασματοσκοπία ατομικής απορρόφησης (AAS)). Ωστόσο, με την ανάπτυξη της τηλεπισκόπησης, διάφορες τεχνικές έχουν χρησιμοποιηθεί σε έρευνες για την ταχύτερη κατανομή των βαρέων μετάλλων στις προκαταρκτικές αναλύσεις των εδαφών και πλέον είναι δεδομένο πως η ορατή και εγγύς υπέρυθρη φασματοσκοπία (VNIRS – Visible Near-Infrared Reflectance Spectroscopy) σε φασματική περιοχή από 400 έως 2500 nm μπορεί να χρησιμοποιηθεί για άμεση ανίχνευση συγκεντρώσεων βαρέων μετάλλων στο έδαφος.
Σκοπός της εργασίας
Η παρούσα έρευνα επικεντρώνεται στην ανίχνευση Ni (νικελίου), Cd (καδμίου), Pb (μόλυβδου) και As (αρσενικού) σε ρυπασμένα αγροτικά εδάφη στο Ιράν, με την εφαρμογή ανακλαστικής φασματοσκοπίας σε φασματική περιοχή από 350 έως 2500 nm, χρησιμοποιώντας (α) γραμμικό μοντέλο μερικής γραμμικής παλινδρόμησης (PLSR – Partial Least Square Regression) PLSR και (β) μη γραμμικό μοντέλο τεχνητού νευρωνικού δικτύου (ANN – Artificial Neural Network) ANN για την αξιολόγηση των συσχετισμένων δεδομένων των καναλιών προσρόφησης στο εύρος ορατού εγγύς υπέρυθρου (VNIR), με τις μετρούμενες συγκεντρώσεις των βαρέων μετάλλων. Επιπλέον στόχος της παρούσας έρευνας ήταν η χαρτογράφηση της κατανομής των προαναφερθέντων βαρέων μετάλλων μέσω ενός μοντέλου παλινδρόμησης, με τις προβλεπόμενες τιμές και στη συνέχεια η σύγκριση των αξιολογήσεων με τις συγκεντρώσεις των βαρέων μετάλλων που υπολογίσθηκαν με τη χρήση της φασματοσκοπίας ατομικής απορρόφησης (AAS) Atomic Absorption Spectroscopy. Τελικώς, (α) αξιολογήθηκαν οι δυνατότητες εικόνων Landsat 8 για την ανίχνευση Ni, Cd, Pb και As σε εδάφη, (β) αναγνωρίστηκαν τα έγκυρα κανάλια εικόνων Landsat για την ανίχνευση αυτών των μετάλλων και (γ) συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα μεταξύ γραμμικών και μη γραμμικών μοντέλων για την εκτίμηση των παραπάνω μετάλλων. Εν τέλει απώτερος σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας ήταν η επιλογή της καλύτερης μεθόδου για την ανίχνευση βαρέων μετάλλων και συγκεκριμένα του νικελίου, καδμίου, μόλυβδου και αρσενικού, μετά από σύγκριση των αποτελεσμάτων της καθεμιάς.
Υλικά και μέθοδοι
Κανάλια Landsat 8 που χρησιμοποιήθηκαν
Συνολικά, από τα 11 κανάλια που διαθέτει ο Landsat 8 χρησιμοποιήθηκαν μόνο τα πρώτα 7 (1 – 7), τα οποία έχουν ανάλυση 30 m (30 m × 30 m = 900 m2) και μικρό εύρος όσον αφορά τα μήκη προσρόφησης, ενώ παραλείφθηκαν τα θερμικά κανάλια, το παγχρωματικό (ασπρόμαυρο) κανάλι και το κανάλι 9 που χρησιμοποιείται για την ανίχνευση θυσάνων (ειδική κατηγορία νεφών). Συγκεκριμένα,
- 1 – 4 → 430 – 680 nm
- 5 → 845 – 885 nm
- 6 → 1500 – 1660 nm
- 7 → 2100 – 2300 nm
Δειγματοληψία εδάφους
Η δειγματοληψία πραγματοποιήθηκε σε 36 σημεία (Εικόνα 1), τα οποία ανήκουν σε 36 αντίστοιχες διαφορετικές περιοχές του Ιράν, καθεμιά από της οποίες καλύπτει περίπου 900 m2. Τα εδαφικά δείγματα πέρασαν επιτόπου από κόσκινο 200 mm για καλύτερη ομογενοποίηση και έπειτα χωρίστηκαν σε δύο ισομερείς ποσότητες εκ των οποίων μία χρησιμοποιήθηκε για χημικές αναλύσεις και η άλλη για φασματικές αναλύσεις. Τέλος, καταγράφηκε η θέση του κάθε σημείου με GPS (Global Positioning System), θεωρώντας πως το κάθε σημείο βρίσκεται ακριβώς στο κέντρο κάθε περιοχής. Πριν τις χημικές και φασματικές αναλύσεις προηγήθηκε προκατεργασία των εδαφικών δειγμάτων η οποία περιλάμβανε ξήρανση σε φούρνο και περαιτέρω κοσκίνισμα μέχρι 2 mm, με στόχο την εξαγωγή ακριβέστερων αποτελεσμάτων και την παράκαμψη μικροσκοπικών φαινομένων από μακρο-συσσωματώματα αντίστοιχα.
Χημική ανάλυση
Για τα 36 εδαφικά δείγματα, αρχικά υπολογίστηκαν διάφορες φυσικές εδαφικές ιδιότητες, μεταξύ των οποίων η οργανική ουσία του εδάφους, το pH του εδάφους, η ηλεκτρική αγωγιμότητα του εδάφους, η υφή του εδάφους και η περιεκτικότητα του εδάφους σε άργιλο, ιλύ και άμμο. Εν τέλει προσδιορίστηκαν οι συγκεντρώσεις Ni, Cd, Pb και As με τη χρήση φασματοσκοπίας ατομικής απορρόφησης (AAS) σε διαλύματα που παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο Aqua Regia (βασιλικό νερό), προκειμένου να συγκριθούν οι ποσότητες πρόβλεψης βαρέων μετάλλων χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία εγγύς υπέρυθρου.
Φασματική ανάλυση
Τα 36 εδαφικά δείγματα μετρήθηκαν φασματικά στο εργαστήριο, χρησιμοποιώντας το φασματοφωτόμετρο SVC (Spectra Vista Corporation), HR-1024 / HR-768 HR-1024i, το οποίο καλύπτει τα μήκη κύματος του υπεριώδους, ορατού και εγγύς υπέρυθρου από 350 έως 2500 nm με φασματικό διάστημα 1 nm. Το SVC HR-1024 / HR-768 χρησιμοποιεί τρία φασματόμετρα πλέγματος περίθλασης, ένα πυριτίου με 512 διακριτούς ανιχνευτές και δύο InGaAs με 256 διακριτούς ανιχνευτές ο καθένας, με αποτέλεσμα να έχει τη δυνατότητα ανάγνωσης 1024 διαφορετικών καναλιών.
Γραμμικό μοντέλο PLSR (Partial Least Square Regression)
Στη συγκεκριμένη εργασία η προσέγγιση PLSR χρησιμοποιήθηκε με στόχο να αξιολογηθούν τα συσχετισμένα δεδομένα των καναλιών προσρόφησης στο εύρος του ορατού και εγγύς υπέρυθρου, με τις χημικώς μετρούμενες συγκεντρώσεις των υπό εξέταση μετάλλων (Ni, Cd, Pb και As). Η όλη διαδικασία πραγματοποιήθηκε με τη χρήση του προγράμματος MATLAB. Μη γραμμικό μοντέλο ANN (Artificial Neural Network – Τεχνητό Νευρωνικό Δίκτυο) Το μοντέλο ANN στη συγκεκριμένη έρευνα χρησιμοποιήθηκε για τον ίδιο λόγο όπως και η προσέγγιση PLSR. Συγκριτικά όμως, το μοντέλο ANN στην παρούσα έρευνα ήταν ένα μη γραμμικό μοντέλο πιο ευέλικτο από το PLSR.
Αποτελέσματα και συζήτηση
Χημική ανάλυση
Τα αποτελέσματα των χημικών εργαστηριακών αναλύσεων παρουσιάζονται στην Εικόνα 2.
Άμεση ανίχνευση Ni, Cd, Pb και As με φασματοσκοπία ανάκλασης βαρέων μετάλλων (CRS – Continuum Removed Spectra, FDS - First Derivative Spectra)
Αφαίρεση προσροφητικών φασματικών καναλιών
Τα κανάλια με εύρος 950 έως 1000, 1350 έως 1440 και 1850 έως 2100 nm, αφαιρέθηκαν, καθώς είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στην απορρόφηση νερού, η οποία τα επηρεάζει δραματικά.
CRS (Continuum Removed Spectra)
- Οι εμφανείς συσχετίσεις για το νικέλιο έγιναν στο φασματικό εύρος από 500 έως 850 nm αλλά και στα 1300, 1700 και 2100 nm, όπου οι συντελεστές συσχέτισης (Pearson) ήταν ≥ 0.35 (Εικόνα 3).
- Οι εμφανείς συσχετίσεις για το κάδμιο έγιναν στα φασματικά εύρη από 350 έως 400 και από 800 έως 850 nm , όπου οι συντελεστές συσχέτισης (Pearson) ήταν ≥ 0.35 (Εικόνα 3).
- Οι εμφανείς συσχετίσεις για το μόλυβδο έγιναν στα φασματικά εύρη από 350 έως 400 και 1300 έως 1800 nm, όπου οι συντελεστές συσχέτισης (Pearson) ήταν ≥ 0.3 (Εικόνα 3).
- Οι εμφανείς συσχετίσεις για το αρσενικό έγιναν στο φασματικό εύρος από 1600 έως 2400 nm, όπου ο συντελεστής συσχέτισης (Pearson) ήταν ≥ 0.3 (Εικόνα 3).
FDS (First Derivative Spectra)
Παρατηρώντας την Εικόνα 5 και συγκρίνοντάς την με την Εικόνα 3 προκύπτει πως η εξέχουσα συσχέτιση μεταξύ των υπό εξέταση μετάλλων (Ni, Cd, Pb, As) και των FDS είναι μεγαλύτερη από τις συσχετίσεις των βαρέων μετάλλων και των CRS, πράγμα που επαληθεύεται και από το συντελεστή συσχέτισης (Pearson), ο οποίος κατά μέσο όρο κυμάνθηκε γύρω στο 0.45.
Συνολικά
Τα αποτελέσματα της άμεσης ανίχνευσης Ni, Cd, Pb και As με φασματοσκοπία ανάκλασης συνοψίζονται στην Εικόνα 7, ο οποίος σε συνδυασμό με την Εικόνα 4 και την Εικόνα 6, δείχνουν πως τα FDS είναι πιο αποτελεσματικά στην ανίχνευση βαρέων μετάλλων συγκριτικά με τα CRS, καθώς προσεγγίζουν καλύτερα τις μετρήσεις από τη φασματοσκοπία ατομικής απορρόφησης (AAS) (χημική ανάλυση). Συγκεκριμένα, για το νικέλιο τα CRS ήταν πιο αποτελεσματικά, ενώ για το κάδμιο και το μόλυβδο τα FDS έδωσαν καλύτερα αποτελέσματα ανίχνευσης. Όσον αφορά το αρσενικό καμία από τις προσεγγίσεις δεν ήταν ιδιαίτερα αποτελεσματική λόγω χαμηλού συντελεστή προσδιορισμού (R2) ή υψηλής ρίζας μέσης τετραγωνικής απόκλισης (Root Mean Square Error).
Έμμεση ανίχνευση Ni, Cd, Pb και As με φασματοσκοπία ανάκλασης εδαφικού οργανικού άνθρακα (CRS – Continuum Removed Spectra, FDS – First Derivative Spectra)
Όπως και με την άμεση ανίχνευση Ni, Cd, Pb και As με τη χρήση φασματοσκοπίας ανάκλασης βαρέων μετάλλων, έτσι και στην έμμεση ανίχνευσή τους με φασματοσκοπία ανάκλασης εδαφικού οργανικού άνθρακα, αφού πρώτα αφαιρέθηκαν τα κανάλια προσρόφησης του νερού (950, 1400 και 1900 nm), χρησιμοποιήθηκαν η ανάλυση του συντελεστή συσχέτισης Pearson και το μοντέλο PLSR προκειμένου να προσδιοριστούν οι συντελεστές συσχέτισης μεταξύ φασματικών καναλιών και εδαφικού οργανικού άνθρακα. Έπειτα από τον υπολογισμό του προβλεπόμενου εδαφικού οργανικού άνθρακα και τη σύγκρισή του με τον χημικά μετρούμενο οργανικό άνθρακα με τη χρήση τόσο CRS και FDS, υπολογίστηκαν μέσω μοντέλου PLSR και μαθηματικών εξισώσεων οι προβλεπόμενες συγκεντρώσεις Ni, Cd, Pb και As. Σύμφωνα με τις Εικόνες 8 και 10 τα FDS ξεκάθαρα φαίνεται πως έχουν μεγαλύτερη ικανότητα ανίχνευσης εδαφικού οργανικού άνθρακα σε σχέση με τα CRS αφού ο συντελεστής προσδιορισμού (R2) στην περίπτωση των FDS ήταν υψηλός και γύρω στο 0.78. Όσον αφορά τις συγκεντρώσεις των υπό εξέταση μετάλλων (Ni, Cd, Pb, As) με την μέθοδο της φασματοσκοπίας ανάκλασης εδαφικού οργανικού άνθρακα, τα αποτελέσματά τους φαίνονται στην Εικόνα 11 και όπως ήταν αναμενόμενο τα FDS ήταν πιο αποτελεσματικά από τα CRS (μεγαλύτερα R2).
Άμεση ανίχνευση Ni, Cd, Pb και As με τη χρήση εικόνων Landsat 8
Όπως προαναφέρθηκε (βλ. Κανάλια Landsat 8 που χρησιμοποιήθηκαν) για την ανίχνευση Ni, Cd, Pb και As στο έδαφος με τη χρήση εικόνων Landsat 8, από τα 11 συνολικά κανάλια του δορυφόρου, χρησιμοποιήθηκαν τα πρώτα 7 με εύρος στο ορατό και εγγύς υπέρυθρο αλλά και στο βραχύ υπέρυθρο. Συγκεκριμένα, (α) οι πληροφορίες των 36 εδαφικών δειγμάτων περαστήκαν σε εικόνες δια μέσου του προγράμματος ENVI 4.8, (β) τα φάσματά τους υποδιαιρέθηκαν στις εικόνες και (γ) εφαρμόστηκαν τα μοντέλα παλινδρόμησης μεταξύ των φασματικών δεδομένων των εικόνων και των συγκεντρώσεων των υπό εξέταση βαρέων μετάλλων καθένα ξεχωριστά. Αυτό συντέλεσε στην παραγωγή ορισμένων συντελεστών, οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν για την απεικόνιση των εικονοστοιχείων στις εικόνες. Έτσι, δημιουργήθηκαν οι χάρτες της κατανομής βαρέων μετάλλων οι οποίοι παρουσιάζονται στην Εικόνα 12.
Έμμεση ανίχνευση Ni, Cd, Pb και As με τη χρήση εικόνων Landsat 8
Για την έμμεση ανίχνευση Ni, Cd, Pb και As με τη χρήση εικόνων Landsat 8 σε σχέση με τον εδαφικό οργανικό άνθρακα ακολουθήθηκε η ίδια διαδικασία με πριν. Οι χάρτες που παρήχθησαν με τη συγκεκριμένη μέθοδο παρουσιάζονται στην Εικόνα 13. Σύγκριση άμεσης και έμμεσης ανίχνευσης Ni, Cd, Pb και As με τη χρήση εικόνων Landsat 8 Τα συγκριτικά αποτελέσματα φαίνονται στην Εικόνα 14. Παρατηρώντας την Εικόνα 14 αλλά και τις Εικόνες 12 και 13, φαίνεται ξεκάθαρα ότι η έμμεση μέθοδος ανίχνευσης με τη χρήση εικόνων Landsat 8 είναι δραματικά λιγότερο αποτελεσματική σε σχέση με την άμεση (χαμηλά R2).
Χρήση τεχνητού νευρωνικού δικτύου (ANN) για την ανίχνευση βαρέων μετάλλων χρησιμοποιώντας εικόνες Landsat 8
Η χρήση του ANN στις εικόνες Landsat 8 της συγκεκριμένης έρευνας έδωσαν χάρτες που παρουσιάζονται στην Εικόνα 15 αλλά και θετικά αποτελέσματα τα οποία φαίνονται στην Εικόνα 16.
Συμπεράσματα
Συνολικά από την έρευνα προκύπτει πως από όλες τις μεθόδους που χρησιμοποιήθηκαν, η άμεση ανίχνευση βαρέων μετάλλων και κυρίως του νικελίου, καδμίου, μόλυβδου και αρσενικού μέσω εικόνων Landsat 8 είναι πιο ακριβής και αποτελεσματική σε σχέση με τις έμμεσες μεθόδους ανίχνευσης. Παρόλ’ αυτά η φασματική ανάλυση με άμεση φασματοσκοπία ανάκλασης (κυρίως FDS) στο ορατό και εγγύς υπέρυθρο που πραγματοποιήθηκε στο εργαστήριο, είχε εξίσου πολύ ακριβή αποτελέσματα που συμφωνούσαν με τις τιμές που προέκυψαν από τη χημική ανάλυση και τη φασματοσκοπία ατομικής απορρόφησης (AAS). Από την άλλη, το μοντέλο ANN έδωσε ικανοποιητικά αποτελέσματα στην ανίχνευση βαρέων μετάλλων. Αυτό σε συνδυασμό με το γεγονός ότι πρόκειται για ένα μη γραμμικό μοντέλο, το καθιστά πολύ πιο ευέλικτο από τα κλασσικά χρησιμοποιούμενα γραμμικά μοντέλα, με αποτέλεσμα να μπορεί να αντιμετωπίζει ορθότερα τον συνεχώς μεταβαλλόμενο πολυδιάστατο χαρακτήρα του εδάφους. Όμως το πρόβλημα που προκύπτει από τη χρήση του μοντέλου ANN είναι ότι οι διεργασίες του είναι τυχαίες και έτσι κάθε φορά προκύπτουν διαφορετικά αποτελέσματα. Σε κάθε περίπτωση, η ανίχνευση βαρέων μετάλλων στο έδαφος μπορεί να επιτευχθεί με πολλές διαφορετικές μεθόδους και χρήσεις της ψηφιακής τηλεπισκόπησης, με επικρατέστερες τις τρεις που μόλις προαναφέρθηκαν, καθώς αυτές προσεγγίζουν σε μεγαλύτερο βαθμό την ακρίβεια των χημικών αναλύσεων και της φασματοσκοπίας ατομικής απορρόφησης (AAS).
