برآورد خصوصیات مختلف خاک با استفاده از داده‌های سریع و ارزان حسگر رنگ

Abstract

معمولاً رنگ خاک با بسیاری از خصوصیات فیزیک و شیمیایی در ارتباط بوده و اندازه­گیری آن ساده، سریع و کم هزینه است. حسگر رنگ نیکس پرو (NixTMpro) از جمله وسایلی است که می­تواند رنگ خاک را با استفاده از سیستم­های مختلف با دقت زیادی تعیین کند. این حسگر در مقایسه با روش مرسوم دفترچه مانسل برای تعیین رنگ خاک، نسبت به شرایط محیطی و ذهنی کاربر حساسیت کمتری دارد و استفاده از آن بسیار آسان است. بنابراین، در این مطالعه از حسگر رنگ نیکس پرو برای برآورد سریع و ارزان خصوصیات مختلف خاک استفاده شد. به همین منظور، 150 نمونه خاک از منطقه مطالعاتی نیمه‌خشک استان قزوین جمع‌آوری و مقادیر مربوط به هر ویژگی خاک در آزمایشگاه اندازه­گیری شد. سپس با استفاده از این حسگر رنگ، طیف­های مربوط به هر سیستم رنگ برای هر نمونه خاک ثبت شدند. برای این منظور دو روش مورد استفاده قرار گرفت. در روش اول با بررسی همبستگی بین متغیرهای سیستم رنگ سعی شد یک سیستم رنگ استاندارد که دارای بالاترین ضریب همبستگی با همه ویژگی­های خاک است معرفی شود. در روش دوم همه متغیر­های سیستم­های مختلف رنگ با روش حذف ویژگی بازگشتی مورد بررسی قرار گرفت، که این روش با انتخاب مهم­ترین ویژگی­ها، ویژگی­هایی که دارای بالاترین دقت هستند، انتخاب می­کند. با توجه به نتایج هر دو روش و به جهت معرفی یک سیستم رنگ استاندارد، در این مطالعه از سیستم رنگ CIEL*a*b برای برآورد خصوصیات خاک استفاده شد، زیرا این سیستم نسبت به سیستم‌­های دیگر رنگ همبستگی بیشتری را با خصوصیات مختلف خاک نشان داد. سپس با استفاده از الگوریتم جنگل تصادفی (Random Forest) مقادیر مربوط به هر ویژگی خاک برآورد شد. خصوصیات خاک شامل مقادیر شن، سیلت، رس، میزان شوری، مقدار کربنات کلسیم (CaCO3)، مقدار ماده آلی و جرم مخصوص ظاهری خاک بودند. با توجه به نتایج حاصل از برآورد مدل جنگل تصادفی، میزان رﯾﺸﻪ دوم ﻣﯿﺎﻧﮕﯿﻦ ﻣﺮﺑﻌﺎت ﺧﻄﺎ (RMSE)، میانگین خطا (ME)ارزیابی فاصله چارکی (PRIQ) و مقدار ضریب همبستگی (r) برای هر ویژگی خاک تعیین شد. برای ذرات شن، سیلت و رس مقدار RMSE به ترتیب برابر با 07/10، 28/6، 26/7 درصد و میزان ضریب همبستگی به ترتیب برابر با 70/0، 49/0، 77/0 بود. میزان آماره PRIQ برای ذرات شن (09/2)، رس (37/2) و کربنات کلسیم (78/1) در سطح مناسب و قابل‌قبول می‌باشد. مقادیر RMSE برای ماده آلی، کربنات کلسیم و جرم مخصوص ظاهری به ترتیب 57/0، 25/2، 11/0 درصد و میزان ضریب همبستگی به ترتیب 55/0، 78/0، 70/0 بود. با توجه به این نتایج می‌توان گفت که طیف­های حاصل از حسگر رنگ نیکس پرو می‌تواند برای پیش­بینی سریع خصوصیات خاک مفید باشد.