Dr. Ulrike Werban
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31.12.2021

Die für den Teilbereich "Erfassung von Zustandseigenschaften mittels Vis-NIR-Spektroskopie". gesteckten Ziele konnten während der Bearbeitung des Projektes erreicht werden. Basierend auf den zur Verfügung stehenden Rückstellproben und den neu gewonnenen Proben aus den zusätzlichen Untersuchungsgebieten wurde eine spektrale Bibliothek aufgebaut. Hierfür wurde zu Beginn des Projektes basierend auf Testmessungen und Literaturrecherche ein Laborprotokoll entwickelt, um die Sicherung der Datenqualität zu gewährleisten und die Variabilität der Proben möglichst gut zu erfassen. Die Bibliothek diente als Grundlage für die Erstellung von Regressionsmodellen für die Humuseigenschaften C und N Gehalt, C/N Verhältnis, pH-Wert, Kationenaustauschkapazität und Basensättigung. Als Algorithmen wurden Partial Least Squares Regression, Support Vector Machine und Cubist Regression verwendet. Die erarbeiteten Ergebnisse wurden auf mehreren wissenschaftlichen Konferenzen präsentiert und sind als wissenschaftliche Publikation bereits erschienen (Thomas, et al, 2021, Datensatz Pangaea) bzw. zum Zeitpunkt der Berichtserstattung unter Begutachtung. Die geschätzten Werte bilden die Grundlage für die Regionalisierungsmodelle, mit denen es gelang, Zustandseigenschaften für das Gebiet Untersuchungsgebiet Zellwald in hoher räumlicher Auflösung darzustellen. Das gesamte entwickelte Verfahren wurde in einem Methodenleitfaden (Räumliche Prognose der Humuseigenschaften von Waldböden mittels Vis-NIR Spektroskopie und digitaler Bodenkartierung) beschrieben und präsentiert. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass MEMS-Spektrometer für die Schätzung von C und N Gehalten mit herkömmlichen Geräten vergleichbare Ergebnisse liefern. Literatur: Thomas, F., Petzold, R., Becker, C., & Werban, U. (2021). Application of Low-Cost MEMS Spectrometers for Forest Topsoil Properties Prediction. Sensors, 21(11), 3927.

Das Ziel des Vorhabens war die Entwicklung eines Verfahrens für die Bereitstellung von räumlich hochauflösenden Informationen von Humuseigenschaften (Kartierung von Zustandseigenschaften). Diese Informationen dienen direkt der besseren Beurteilung der aktuellen Nährstoffverfügbarkeit und damit der Standortsgüte von Waldstandorten hinsichtlich Produktivität und angepassten Bewirtschaftungsstrategien. An vorliegenden Rückstellproben verschiedener Bodenerhebungen sollte die optische Spektroskopie im sichtbaren und nahen Infrarotbereich (Vis-NIR-Spektroskopie) angewendet werden. Die spektroskopischen Informationen sollten zusammen mit den vorliegenden umfangreichen herkömmlichen Laborergebnisse der Rückstellproben hinsichtlich Humuseigenschaften zur Erstellung von Regressionsmodellen verwendet werden. Zusätzliche Probennahmen im Feld und deren Vis-NIR-Spektroskopie sollte die Probendichte erhöhen. Das Gesamtziel bestand darin, durch die Kombination von Vis-NIR-Spektroskopie und digitaler Bodenkartierung ein praxistaugliches und hinreichend genaues Verfahren für die periodische Bodenzustandskartierung im Forstbetrieb zu entwickeln. Das UFZ bearbeitete den Teilbereich "Erfassung von Humuseigenschaften mittels Vis-NIR-Spektroskopie". Die wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele lagen hier im Aufbau einer bodenspezifischen spektralen Datenbank und in der Entwicklung von Schätzmodellen für ausgewählte Zustandsgrößen. Hierfür war auch eine Probenahme in einem neuen Untersuchungsgebiet geplant. Insgesamt sollte ein standardisierter Arbeitsablauf entwickelt werden, mit dem die Erfassung von Zustandseigenschaften mittels Vis-NIR-Spektroskopie in die Praxis überführt werden kann. Im Laufe des Projektes wurden die ursprünglichen Ziele um eine zusätzliche Probenahme, die Untersuchung des Einsatzes preiswerter und portabler MEMS-Spektrometer und der Anschlussverwertung der spektralen Messungen erweitert.