Soil is known to be an unrenewable limited natural resource. All the ecosystemic functions that it absolves are required for the survival of humanity, such as agricultural and forestal products, regulation of water movement in the landscape, sink for Carbon in the frame of climate change, environmental filter for pollutants, space for infrastructure and recreation. Preserving these functionalities requires to preserve needs an appropriated knowledge and interpretation of the information about soils. Since the biggest limits to data availability are by the spendable amounts of time and money, researches are currently focused on new faster and cheaper instruments of investigation. By the time that multivariate statistical methodologies and computer-based analysis took widely place, visible (Vis) (400–780 nm) and near-infrared reflectance (NIR) (780–2500 nm) (VisNIR) spectroscopy seemed one of the fair solutions for this needing. VisNIR spectroscopy is recognized to be a non-destructive, fast, inexpensive and precise alternative to wet chemistry, enable to obtain a large amount of data partly losing the reliability of traditional analyzes, due to the inevitable error that occur in predicted data. Several studies were carried out primarily to test the predictive power of VisNIR spectroscopy, and several data was been produced by the last three decades. Nevertheless, some potentialities and limits of VisNIR soil spectroscopy are still a little unexplored and new questions may occur as a result of the huge amount of available data. This thesis embodies a collection of novel studies related to the use of multivariate information provided by VisNIR spectroscopy. As a whole they experienced questions: at different reference scales (national and local); with different investigation method (multivariate calibration and multivariate classification); in different field of application (taxonomy, monitoring, scientific purpose). The idea was to focus on some of the main issues that are emerging at the state of the art of knowledge about VisNIR spectroscopy in soil science. Briefly, Chapter 1 contains the object of study, focusing on what is already known and what may need to be further discussed. Thus, the first part is about the soil that is the object of investigation and the second in about the VisNIR spectroscopy. Chapter 2 deals with the possibility to explore VisNIR potentiality over some still poorly explored properties. A case study for taxonomic purpose was carried out over volcanic soils. The results of this chapter show the close connection between soil spectroscopy attribute variation and soil taxonomic units linked to volcanic properties. Chapter 3 deals with a national library used at local scale for organic carbon (OC) monitoring. It highlights the increasing economic advantage of NIR with the decrease of OC change. Chapter 4 focuses on the possibility of using the raw information contained in the VisNIR region of the spectra to characterize the soils rather than using individual soil attributes. In this chapter, VisNIR showed a higher power in detaching slight differences due to effect of a very recent changing in the forest management respect to wet biochemical analyses. Chapter 5 focuses on the status of the large spectral library in Italy. To my knowledge, this PhD represents the first study that included the building of an Italian National Spectral Library. Finally, Chapter 6 discusses the main findings of this thesis.

Il suolo è una risorsa naturale limitata e non rinnovabile e le funzioni ecosistemiche da esso assolte sono indispensabili alla sopravvivenza dell’uomo. Tra queste: le produzioni agricole e forestali, la regolazione del movimento dei corpi idrici, lo stoccaggio del carbonio nella cornice del cambiamento climatico, l’azione filtrante per le sostanze inquinanti, e infine superficie per le infrastrutture e le attività ricreative. Preservate tali funzionalità richiede una profonda e dettagliata conoscenza della risorsa suolo e un adeguata interpretazione delle informazioni. Dal momento che diponibilità di tempo e disponibilità economiche rappresentano i maggiori limiti alla raccolta di dati relativi alla risorsa suolo, le ricerche sono attualmente incentrate su nuovi strumenti di indagine più veloci e meno costosi. Con la diffusione di metodologie statistiche multivariate e l'analisi computerizzata, la spettroscopia visibile (Vis) (400-780 nm) e nel vicino infrarosso (NIR) (780-2500 nm) (VisNIR) ha iniziato a prendere piede come valida alternativa alla chimica tradizionale. La spettroscopia VisNIR è riconosciuta come uno strumento non distruttivo, veloce, economico e preciso, consente di ottenere una grande quantità di dati, perdendo in parte l'affidabilità delle analisi tradizionali, a causa dell'inevitabile errore che si verifica nei modelli di stima. Negli ultimi tre decenni sono stati condotti diversi studi principalmente per testare la potenza predittiva della spettroscopia VisNIR e sono stati raggiunti numerosi risultati. Tuttavia, alcune potenzialità e limiti della spettroscopia del suolo VisNIR rimangono ancora poco esplorate e in virtù dell’ingente quantità di informazione che si sta producendo, nuovi interrogativi potrebbero insorgere nella comunità scientifica. Questa tesi comprende una raccolta di studi su tematiche attuali e innovative relative all'uso della spettroscopia VisNIR in abito pedologico. Nel complesso le attività di ricerca sono state svolte: a diverse scale di riferimento (nazionali e locali); con diversi metodi di indagine (calibrazione multivariata e classificazione multivariata); in diversi campi di applicazione (tassonomia, monitoraggio, finalità scientifica). L'idea era di affrontare alcuni dei principali problemi che stanno emergendo allo stato dell'arte dell’uso della spettroscopia VisNIR nella scienza del suolo. In breve, il Capitolo 1 contiene l'oggetto di studio, riassumendo ciò che è già noto e ciò che potrebbe essere necessario discutere ulteriormente. Quindi, la prima parte riguarda il suolo che è l'oggetto di indagine e il secondo la spettroscopia VisNIR. Il capitolo 2 riguarda le potenzialità del VisNIR nella predizione di alcune proprietà ancora poco esplorate, nello specifico: le proprietà vulcaniche dei suoli. Rappresenta un caso di studio di uso del VIsNIR per scopi tassonomici. I risultati di questo capitolo mostrano la stretta connessione tra la variazione dell'attributo della spettroscopia del suolo e le unità tassonomiche del suolo legate alle proprietà vulcaniche. Il capitolo 3 viene affrontato il tema dell’uso di una libreria spettrale nazionale a livello locale per il monitoraggio del carbonio organico (OC), con l’obiettivo di evidenziare per quali range di variabilità e differenze attese da monitorare, l’uso del Vis NIR è da preferisti alla chimica tradizionale. Il capitolo 4 si concentra sulla possibilità di tracciare la qualità relative di un suolo, utilizzando le informazioni grezze contenute nella regione VisNIR degli spettri piuttosto che i singoli attributi biochimici del suolo. Sono stati indagati campioni di suolo relativi ad aree boschive avviate a differenti tipi di gestioni forestali Il VisNIR ha mostrato una maggiore potenza nel l’evidenziare le lievi differenze dovute all'effetto di un cambiamento molto recente dei trattamenti, rispetto alle analisi biochimiche tradizionali. Il capitolo 5 riguarda la costruzione di un’ampia libreria spettrale dei suoli in Italia. Per quanto è a mia conoscenza, questo dottorato di ricerca rappresenta il primo tentativo di costruzione di una biblioteca nazionale spettrale dei suoli italiani.

New applications of visnir spectroscopy for the prediction of soil properties

LORENZETTI, ROMINA
2019-06-10

Abstract

Il suolo è una risorsa naturale limitata e non rinnovabile e le funzioni ecosistemiche da esso assolte sono indispensabili alla sopravvivenza dell’uomo. Tra queste: le produzioni agricole e forestali, la regolazione del movimento dei corpi idrici, lo stoccaggio del carbonio nella cornice del cambiamento climatico, l’azione filtrante per le sostanze inquinanti, e infine superficie per le infrastrutture e le attività ricreative. Preservate tali funzionalità richiede una profonda e dettagliata conoscenza della risorsa suolo e un adeguata interpretazione delle informazioni. Dal momento che diponibilità di tempo e disponibilità economiche rappresentano i maggiori limiti alla raccolta di dati relativi alla risorsa suolo, le ricerche sono attualmente incentrate su nuovi strumenti di indagine più veloci e meno costosi. Con la diffusione di metodologie statistiche multivariate e l'analisi computerizzata, la spettroscopia visibile (Vis) (400-780 nm) e nel vicino infrarosso (NIR) (780-2500 nm) (VisNIR) ha iniziato a prendere piede come valida alternativa alla chimica tradizionale. La spettroscopia VisNIR è riconosciuta come uno strumento non distruttivo, veloce, economico e preciso, consente di ottenere una grande quantità di dati, perdendo in parte l'affidabilità delle analisi tradizionali, a causa dell'inevitabile errore che si verifica nei modelli di stima. Negli ultimi tre decenni sono stati condotti diversi studi principalmente per testare la potenza predittiva della spettroscopia VisNIR e sono stati raggiunti numerosi risultati. Tuttavia, alcune potenzialità e limiti della spettroscopia del suolo VisNIR rimangono ancora poco esplorate e in virtù dell’ingente quantità di informazione che si sta producendo, nuovi interrogativi potrebbero insorgere nella comunità scientifica. Questa tesi comprende una raccolta di studi su tematiche attuali e innovative relative all'uso della spettroscopia VisNIR in abito pedologico. Nel complesso le attività di ricerca sono state svolte: a diverse scale di riferimento (nazionali e locali); con diversi metodi di indagine (calibrazione multivariata e classificazione multivariata); in diversi campi di applicazione (tassonomia, monitoraggio, finalità scientifica). L'idea era di affrontare alcuni dei principali problemi che stanno emergendo allo stato dell'arte dell’uso della spettroscopia VisNIR nella scienza del suolo. In breve, il Capitolo 1 contiene l'oggetto di studio, riassumendo ciò che è già noto e ciò che potrebbe essere necessario discutere ulteriormente. Quindi, la prima parte riguarda il suolo che è l'oggetto di indagine e il secondo la spettroscopia VisNIR. Il capitolo 2 riguarda le potenzialità del VisNIR nella predizione di alcune proprietà ancora poco esplorate, nello specifico: le proprietà vulcaniche dei suoli. Rappresenta un caso di studio di uso del VIsNIR per scopi tassonomici. I risultati di questo capitolo mostrano la stretta connessione tra la variazione dell'attributo della spettroscopia del suolo e le unità tassonomiche del suolo legate alle proprietà vulcaniche. Il capitolo 3 viene affrontato il tema dell’uso di una libreria spettrale nazionale a livello locale per il monitoraggio del carbonio organico (OC), con l’obiettivo di evidenziare per quali range di variabilità e differenze attese da monitorare, l’uso del Vis NIR è da preferisti alla chimica tradizionale. Il capitolo 4 si concentra sulla possibilità di tracciare la qualità relative di un suolo, utilizzando le informazioni grezze contenute nella regione VisNIR degli spettri piuttosto che i singoli attributi biochimici del suolo. Sono stati indagati campioni di suolo relativi ad aree boschive avviate a differenti tipi di gestioni forestali Il VisNIR ha mostrato una maggiore potenza nel l’evidenziare le lievi differenze dovute all'effetto di un cambiamento molto recente dei trattamenti, rispetto alle analisi biochimiche tradizionali. Il capitolo 5 riguarda la costruzione di un’ampia libreria spettrale dei suoli in Italia. Per quanto è a mia conoscenza, questo dottorato di ricerca rappresenta il primo tentativo di costruzione di una biblioteca nazionale spettrale dei suoli italiani.
Soil is known to be an unrenewable limited natural resource. All the ecosystemic functions that it absolves are required for the survival of humanity, such as agricultural and forestal products, regulation of water movement in the landscape, sink for Carbon in the frame of climate change, environmental filter for pollutants, space for infrastructure and recreation. Preserving these functionalities requires to preserve needs an appropriated knowledge and interpretation of the information about soils. Since the biggest limits to data availability are by the spendable amounts of time and money, researches are currently focused on new faster and cheaper instruments of investigation. By the time that multivariate statistical methodologies and computer-based analysis took widely place, visible (Vis) (400–780 nm) and near-infrared reflectance (NIR) (780–2500 nm) (VisNIR) spectroscopy seemed one of the fair solutions for this needing. VisNIR spectroscopy is recognized to be a non-destructive, fast, inexpensive and precise alternative to wet chemistry, enable to obtain a large amount of data partly losing the reliability of traditional analyzes, due to the inevitable error that occur in predicted data. Several studies were carried out primarily to test the predictive power of VisNIR spectroscopy, and several data was been produced by the last three decades. Nevertheless, some potentialities and limits of VisNIR soil spectroscopy are still a little unexplored and new questions may occur as a result of the huge amount of available data. This thesis embodies a collection of novel studies related to the use of multivariate information provided by VisNIR spectroscopy. As a whole they experienced questions: at different reference scales (national and local); with different investigation method (multivariate calibration and multivariate classification); in different field of application (taxonomy, monitoring, scientific purpose). The idea was to focus on some of the main issues that are emerging at the state of the art of knowledge about VisNIR spectroscopy in soil science. Briefly, Chapter 1 contains the object of study, focusing on what is already known and what may need to be further discussed. Thus, the first part is about the soil that is the object of investigation and the second in about the VisNIR spectroscopy. Chapter 2 deals with the possibility to explore VisNIR potentiality over some still poorly explored properties. A case study for taxonomic purpose was carried out over volcanic soils. The results of this chapter show the close connection between soil spectroscopy attribute variation and soil taxonomic units linked to volcanic properties. Chapter 3 deals with a national library used at local scale for organic carbon (OC) monitoring. It highlights the increasing economic advantage of NIR with the decrease of OC change. Chapter 4 focuses on the possibility of using the raw information contained in the VisNIR region of the spectra to characterize the soils rather than using individual soil attributes. In this chapter, VisNIR showed a higher power in detaching slight differences due to effect of a very recent changing in the forest management respect to wet biochemical analyses. Chapter 5 focuses on the status of the large spectral library in Italy. To my knowledge, this PhD represents the first study that included the building of an Italian National Spectral Library. Finally, Chapter 6 discusses the main findings of this thesis.
Soil spectroscopy; Soil organic carbon; Monitoring; Spectral library; Volcanic soils
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