تحقیقات آب و خاک ایران

تحقیقات آب و خاک ایران

مروری بر کارایی و محدودیت‌های طیف‌سنجی مرئی- مادون قرمز نزدیک در برآورد ویژگی‌های خاک‌های مناطق خشک و نیمه‌خشک

نوع مقاله : مروری

نویسنده
مرکز تحقیقات، اموزش و ترویج کشاورزی استان اصفهان، بخش تحقیقات خاک وآب
چکیده
طیف‌سنجی مرئی– مادون‌قرمز نزدیک (Vis–NIR) در سال‌های اخیر به‌عنوان روشی سریع، غیرمخرب و نسبتاً کم‌هزینه، کاربرد گسترده‌ای در برآورد ویژگی‌های خاک و توسعه نقشه‌برداری رقومی خاک پیدا کرده است. این مقاله با هدف مرور و تحلیل کارایی و محدودیت‌های این فناوری در برآورد ویژگی‌های خاک‌های مناطق خشک و نیمه‌خشک، مطالعات انجام‌شده در ایران و جهان را بررسی کرده و جنبه‌های مختلف شامل اصول طیف‌سنجی، آماده‌سازی نمونه، روش‌های پیش‌پردازش، الگوریتم‌های مدل‌سازی و رویکردهای تلفیق داده‌ها را تحلیل می‌کند. نتایج این مرور نشان داد که Vis–NIR در برآورد ویژگی‌هایی مانند ماده آلی، بافت، رطوبت، هدایت الکتریکی و کربنات کلسیم، به‌ویژه در صورت استفاده از الگوریتم‌های پیشرفته یادگیری ماشین، عملکرد مطلوبی دارد. با این حال، در خاک‌های مناطق خشک و نیمه‌خشک، وجود مقادیر زیاد کربنات، گچ و شوری، همراه با تنوع کانی‌شناسی و تفاوت در روش‌های پیش‌پردازش و مدل‌سازی، موجب کاهش دقت و قابلیت تعمیم مدل‌ها می‌شود. بررسی مطالعات همچنین نشان داد که اختلاف قابل‌توجه دقت پیش‌بینی در پژوهش‌های مختلف، بیش از آنکه ناشی از نوع الگوریتم باشد، به کیفیت داده‌های مرجع، توسعه کتابخانه‌های طیفی بومی و اعتبارسنجی منطقه‌ای وابسته است. در مجموع، طیف‌سنجی Vis–NIR ظرفیت بالایی برای کشاورزی دقیق، مدیریت پایدار خاک و نقشه‌برداری رقومی دارد، اما توسعه کتابخانه‌های طیفی بومی، استانداردسازی روش‌های اندازه‌گیری و تلفیق داده‌های طیفی با اطلاعات سنجش از دور و متغیرهای محیطی، مهم‌ترین پیش‌نیازهای گسترش کاربرد عملی آن در خاک‌های مناطق خشک و نیمه‌خشک به شمار می‌روند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Efficiency and limitations of visible-near infrared spectroscopy for estimating soil properties in arid and semi-arid regions (A review)

نویسنده English

Fatemeh Khayamim
Department of Soil and Water Research, Isfahan Agricultural and Natural Resources Research and Educational Center, Isfahan, Iran.
چکیده English

Visible and Near-Infrared (Vis–NIR) spectroscopy has emerged as a rapid, non-destructive, and cost-effective technique for estimating soil properties and supporting digital soil mapping. This review critically evaluates the performance and limitations of Vis–NIR spectroscopy for predicting soil properties in arid and semi-arid regions by synthesizing findings from studies conducted in Iran and elsewhere. The review covers the fundamental principles of soil spectroscopy, sample preparation, spectral preprocessing techniques, multivariate modeling approaches, and recent advances in multi-source data fusion. The reviewed studies demonstrate that Vis–NIR spectroscopy provides satisfactory predictions for several soil properties, including soil organic matter, texture, moisture, electrical conductivity, and calcium carbonate, particularly when coupled with advanced machine learning algorithms. However, predictive performance varies widely in arid and semi-arid soils due to the complex effects of high carbonate, gypsum, and salinity contents, mineralogical heterogeneity, and differences in spectral preprocessing, calibration strategies, and modeling techniques. The review further indicates that variations in model performance are primarily associated with the quality and representativeness of reference datasets, the availability of regional spectral libraries, and site-specific calibration rather than the choice of prediction algorithm alone. Consequently, developing regional spectral libraries, standardizing spectral measurement protocols, and integrating Vis–NIR data with remote sensing and environmental covariates are identified as key priorities for improving model transferability and practical implementation. Overall, Vis–NIR spectroscopy has considerable potential to support precision agriculture, sustainable soil management, and digital soil mapping in arid and semi-arid environments, provided that region-specific calibration and robust validation procedures are adopted.

کلیدواژه‌ها English

Arid regions
Carbonate
Gypsum
Partial least square regression
Spectroscopy