09:10 Uhr
Detektion von Schichtung oder Horizontierung durch Bohrloch-Gammspektrometrie
Daniel Pfarr | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn | Germany
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Autor:innen:
Daniel Pfarr | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn | Germany
Dr. Stefan Pätzold | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
Prof. Dr. Wulf Amelung | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn
Gammaspektrometrie ist eine mittlerweile gut etablierte Methode mit relativ geringem Arbeits- und Beprobungsaufwand zur flächigen Untersuchung der Textur von Böden. Dem liegt zugrunde, dass verschiedene lithogene und pedogene (Ton-)Minerale Gamma-Nuklide wie K-40 und Th-232 enthalten. Durch die Abschirmung der Gammastrahlung aus größerer Tiefe durch den Oberboden beziehen sich diese Untersuchungen aber nur auf die obersten ca. 40 cm des Bodens. In dieser Studie möchten wir darlegen inwiefern sich die Erkenntnisse aus der bisherigen Arbeit mit Gammasensoren vom Oberboden auch in die Tiefe übertragen lassen. Dazu wurde von der Fa. Medusa in Groningen (Niederlande) ein Gammaspektrometer mit einem 98,2 cm³ CsI-Kristall konstruiert, der sich an einem Stativ hängend mit einem Stahlseil in ein Bohrloch mit 6 cm Durchmesser absenken lässt. Inwiefern sich mit diesem Sensor Schichtungen und Horizonte von einer Mächtigkeit > 10 cm detektieren lassen, soll ebenfalls in der vorliegenden Studie erörtert werden. Auf der Sensorteststrecke der AG Allg. Bodenkunde und Bodenökologie an der Universität Bonn wurden zunächst Vorversuche durchgeführt; die Teststrecke umfasst auf 3x3 m Plots acht verschiedene Substrate und Böden in 50 cm Mächtigkeit über einer Lage homogen bis 1 m Tiefe eingebauten Filterkieses. Wir konnten feststellen, dass sich Korrelationen zwischen Gammacounts und der Körnung der Substrate, sie bisher schon aus flächigen Messungen im Oberboden bekannt sind, auch vertikal in die Tiefe übertragen lassen. Die verschiedenen Böden ließen sich von der unterlagernden Kiesschicht scharf abgrenzen. Folgeuntersuchungen auf verschiedenen Ackerflächen und im Grünland bestätigen diese ersten Ergebnisse. Die Gammacounts lassen sich bei lokaler Kalibration linear mit den Ton- und Sandgehalten der verschiedenen Tiefen korrelieren. Erwartungsgemäß ließ sich auf einer Versuchsfläche des ZALF im Endmoränengebiet Brandenburgs die Mächtigkeit des Decksandes über dem Geschiebemergel detektieren. Auch in einer mächtigen Lössdecke wurden Gammaspektren in verschiedenen Tiefen aufgenommen. Der Bt- Horizont einer Parabraunerde konnte anhand der höheren K-40 Counts deutlich identifiziert werden. Gammaspektrometrie kann also mit dieser Bohrloch-Methode valide Informationen aus Tiefen > 40 cm bieten und Schichtungen oder Horizontierungen, sofern diese mit Änderungen in der Korngrößenfraktion einher gehen, detektieren.
09:30 Uhr
Standortübergreifende Kalibrierungen des Tongehalts in Weinbergsböden mittels mobiler Gammaspektrometrie und Methoden des maschinellen Lernens
Dr. Ralf Wehrle | Universität Bonn | Germany
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Autor:innen:
Dr. Ralf Wehrle | Universität Bonn | Germany
Dr. Stefan Pätzold
Die Gammaspektrometrie (GS) kann räumlich hochaufgelöste Informationen über die Bodentextur, insbesondere den Tongehalt, liefern. Lineare Kalibrierungen sind jedoch meist standortspezifisch und Vorhersagen für flächenübergreifende Kalibrierungen scheitern häufig. Daher soll Bewertung verschiedener Kalibrierungsverfahren des maschinellen Lernens eine allgemeinere Anwendung der GS ermöglichen. Die Ziele dieser Studie waren (i) die Entwicklung eines standortübergreifenden Kalibrierungsmodells für den Tongehalt auf der Grundlage stationärer Messungen durch den Vergleich von Random-Forest-Kalibrierungen (RF) mit anderen Ansätzen des maschinellen Lernens (ML), (ii) die Bewertung von standortübergreifenden Kalibrierungen auf der Feldskala sowie (iii) die Erstellung von Tongehalts-Karten auf der Grundlage von mobilen GS-Messungen und RF-Vorhersagen. Zu diesem Zweck wurde RF mit K-Nearest Neighbors, Neuronalen Netzen und Support Vector Machines für einen Datensatz von acht Weinbergen in Deutschland mit einem breiten Spektrum an geopedologischen Situationen und großen Variationen des Tongehalts (62-647 g kg-1; n= 245) verglichen. Die Messungen wurden mit einem traktormontierten Spektrometer mit zwei 4,2-Liter-Natriumjodidkristallen durchgeführt und anhand der Radionuklide 40K und 232Th, des Verhältnisses 232Th/40K sowie der Gesamtradioaktivität ausgewertet. Für die Validierung der Tonvorhersage im gesamten Datensatz übertraf das standortübergreifende RF-Modell andere Kalibrierungen mit hoher Genauigkeit (R2 = 0,87), Modellrobustheit (RPIQ = 4,64) und geringem Vorhersagefehler (RMSE = 57,6 g kg-1). Bei der Auswertung des standortübergreifenden Modells auf der Feldskala wurde jedoch deutlich, dass nur einige Weinberge präzise vorhergesagt werden konnten. Dies war auf die unterschiedliche Anzahl der Proben und den unterschiedlichen Grad der Heterogenität der einzelnen Flächen zurückzuführen. Das RF-Modell wurde dann zur Auswertung von GS-Messungen „on-the-go“ für vier Weinberge (n = 7617) verwendet. Für die Weinberge mit ausreichender Heterogenität ergaben die abgeleiteten Tonkarten präzise und genaue räumliche Vorhersagen. Es kann festgehalten werden, dass mobile GS in Kombination mit RF-Kalibrierungen ein leistungsfähiges Instrument für die standortunabhängige Vorhersage des Tongehalts in Weinbergsböden sein kann. Die entsprechenden Tonkarten können wertvolle Informationen für den Präzisionsweinbau und die hochauflösende Bodenkartierung liefern.