Quantifizierung chemischer Parameter anhand von Sedimentreflexionsspektren des Olewiger Baches (Region Trier)
Methodenvergleich PLS-Regression (PLSR) vs. Künstliche Neuronale Netze (ANN)
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Diplomarbeit aus dem Jahr 2003 im Fachbereich Chemie - Biochemie, Note: 1,3, Universität Trier (Geographie/Geowissenschaften FB VI), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Einleitung:Diffuse oder punktuelle Einleitungen anthropogener Schadstoffe führen dazu, dass die Gewässer und deren Sedimente mit einer Vielzahl von organischen und anorganischen Nähr- und Schadstoffen stark belastet werden. Durch die unterschiedlichen Nutzungsansprüche der Gewässer (Trinkwasserreservoir, Erholungs- oder Freizeitraum, Brauchwasserquelle für Industrie und Landwirtschaft, Verkehrswege) entstehen Inter...
Diplomarbeit aus dem Jahr 2003 im Fachbereich Chemie - Biochemie, Note: 1,3, Universität Trier (Geographie/Geowissenschaften FB VI), Sprache: Deutsch, Abstract: Inhaltsangabe:Einleitung:
Diffuse oder punktuelle Einleitungen anthropogener Schadstoffe führen dazu, dass die Gewässer und deren Sedimente mit einer Vielzahl von organischen und anorganischen Nähr- und Schadstoffen stark belastet werden. Durch die unterschiedlichen Nutzungsansprüche der Gewässer (Trinkwasserreservoir, Erholungs- oder Freizeitraum, Brauchwasserquelle für Industrie und Landwirtschaft, Verkehrswege) entstehen Interessenkonflikte, die ein ständiges Monitoring der Gewässerqualität erfordern. In diesem Zusammenhang spielen die Gewässersedimente eine übergeordnete Rolle, da sie als Quelle und Senke für organische und anorganische Nähr- und Schadstoffe wirksam werden können.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der chemischen Analytik von Sedimentproben, die durch den Einsatz der Reflexionsspektrometrie mit Hilfe eines nicht-abbildenden Spektrometers (Field-Spec-II) und chemometrischer Modellbildung quantifiziert werden sollen. Diese Methode kommt vornehmlich bei stark streuenden oder lichtundurchlässigen Proben zum Einsatz, wobei die Reflexion hauptsächlich vom Absorptionsvermögen des Körpers abhängig ist.
Der entscheidende Vorteil dieser Methode ist in der schnellen und wirtschaftlichen Analyse des Probenmaterials zu sehen; es können also in kurzer Zeit sehr viele Proben untersucht und simultan auf mehrere Inhaltstoffe hin analysiert werden. Dazu wird aus Proben mit bekannten Konzentrationen und deren Spektren ein Modell erstellt, aus dem die Konzentrationen unbekannter Proben geschätzt werden können.
Zur Modellierung sollen sowohl die Partial Least Squares Regression als auch Künstliche Neuronale Netze verwendet und deren Ergebnisse miteinander verglichen und diskutiert werden. Voraussetzung dafür ist die Kalibrierung des Modells, die zu einer oder mehreren Schätzfunktionen führt und mit der bzw. denen die Korrelation zwischen spektraler Information und Inhaltsstoffkonzentration der jeweiligen Proben beschrieben werden kann.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
I.Verzeichnis der Abbildungen
II.Verzeichnis der Tabellen
III.Verzeichnis der Abkürzungen
IV.Verzeichnis der Variablen
1.Einleitung1
1.1Zielvorstellungen3
1.2Vorgehensweise3
2.Spektroskopie natürlicher Oberflächen6
2.1Begriffe und Definitionen6
2.1.1Wellen-Teilchen-Dualismus8
2.1.2Wichtige strahlungsphysikalische Größen10
2.1.3Die spektrale Reflexion13
2.1.4Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit Materie15
2.1.4.1Ursachen spektraler Absorption17
2.2Anwendung der Reflexionstechnik für Boden- und Sedimentproben22
2.2.1Geschichtliche Entwicklung der VNIRA und Stand der Forschung bezüglich der Auswertung und Interpretation von Bodenspektren22
2.2.2Betrachtung wichtiger Einflussfaktoren auf die spektrale Reflexion bzw.Absorption26
2.2.2.1Der Einfluss der Rauhigkeit der Probenoberfläche27
2.2.2.2Der Einfluss der Feuchte29
2.2.2.3Der Einfluss der Schichtdicke31
2.2.2.4Der Einfluss der chemischen und mineralischen Zusammensetzung der Probe auf das Reflexionsvermögen32
2.3Theorie zur quantitativen Auswertung von diffusen Reflexionsspektren36
2.3.1Die Theorie von Kubelka & Munk36
2.3.2Die Theorie von Dahm38
3.Datengrundlage und Methoden39
3.1Datengrundlage39
3.2Probenaufbereitung40
3.3Betrachtung von Quellen und Senken für Nähr- und Schadstoffe im Einzugsgebiet41
3.4Analytik43
3.5Spektrale Vermessung der Proben44
3.5.1Vorüberlegungen44
3.5.2Technische Beschreibung des verwendeten Sensors46
3.5.3Aufnahmegeometrie (Sensor und Strahlungsquelle)46
3.5.4Probenvorbereitung und Durchführ...
Diffuse oder punktuelle Einleitungen anthropogener Schadstoffe führen dazu, dass die Gewässer und deren Sedimente mit einer Vielzahl von organischen und anorganischen Nähr- und Schadstoffen stark belastet werden. Durch die unterschiedlichen Nutzungsansprüche der Gewässer (Trinkwasserreservoir, Erholungs- oder Freizeitraum, Brauchwasserquelle für Industrie und Landwirtschaft, Verkehrswege) entstehen Interessenkonflikte, die ein ständiges Monitoring der Gewässerqualität erfordern. In diesem Zusammenhang spielen die Gewässersedimente eine übergeordnete Rolle, da sie als Quelle und Senke für organische und anorganische Nähr- und Schadstoffe wirksam werden können.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der chemischen Analytik von Sedimentproben, die durch den Einsatz der Reflexionsspektrometrie mit Hilfe eines nicht-abbildenden Spektrometers (Field-Spec-II) und chemometrischer Modellbildung quantifiziert werden sollen. Diese Methode kommt vornehmlich bei stark streuenden oder lichtundurchlässigen Proben zum Einsatz, wobei die Reflexion hauptsächlich vom Absorptionsvermögen des Körpers abhängig ist.
Der entscheidende Vorteil dieser Methode ist in der schnellen und wirtschaftlichen Analyse des Probenmaterials zu sehen; es können also in kurzer Zeit sehr viele Proben untersucht und simultan auf mehrere Inhaltstoffe hin analysiert werden. Dazu wird aus Proben mit bekannten Konzentrationen und deren Spektren ein Modell erstellt, aus dem die Konzentrationen unbekannter Proben geschätzt werden können.
Zur Modellierung sollen sowohl die Partial Least Squares Regression als auch Künstliche Neuronale Netze verwendet und deren Ergebnisse miteinander verglichen und diskutiert werden. Voraussetzung dafür ist die Kalibrierung des Modells, die zu einer oder mehreren Schätzfunktionen führt und mit der bzw. denen die Korrelation zwischen spektraler Information und Inhaltsstoffkonzentration der jeweiligen Proben beschrieben werden kann.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
I.Verzeichnis der Abbildungen
II.Verzeichnis der Tabellen
III.Verzeichnis der Abkürzungen
IV.Verzeichnis der Variablen
1.Einleitung1
1.1Zielvorstellungen3
1.2Vorgehensweise3
2.Spektroskopie natürlicher Oberflächen6
2.1Begriffe und Definitionen6
2.1.1Wellen-Teilchen-Dualismus8
2.1.2Wichtige strahlungsphysikalische Größen10
2.1.3Die spektrale Reflexion13
2.1.4Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung mit Materie15
2.1.4.1Ursachen spektraler Absorption17
2.2Anwendung der Reflexionstechnik für Boden- und Sedimentproben22
2.2.1Geschichtliche Entwicklung der VNIRA und Stand der Forschung bezüglich der Auswertung und Interpretation von Bodenspektren22
2.2.2Betrachtung wichtiger Einflussfaktoren auf die spektrale Reflexion bzw.Absorption26
2.2.2.1Der Einfluss der Rauhigkeit der Probenoberfläche27
2.2.2.2Der Einfluss der Feuchte29
2.2.2.3Der Einfluss der Schichtdicke31
2.2.2.4Der Einfluss der chemischen und mineralischen Zusammensetzung der Probe auf das Reflexionsvermögen32
2.3Theorie zur quantitativen Auswertung von diffusen Reflexionsspektren36
2.3.1Die Theorie von Kubelka & Munk36
2.3.2Die Theorie von Dahm38
3.Datengrundlage und Methoden39
3.1Datengrundlage39
3.2Probenaufbereitung40
3.3Betrachtung von Quellen und Senken für Nähr- und Schadstoffe im Einzugsgebiet41
3.4Analytik43
3.5Spektrale Vermessung der Proben44
3.5.1Vorüberlegungen44
3.5.2Technische Beschreibung des verwendeten Sensors46
3.5.3Aufnahmegeometrie (Sensor und Strahlungsquelle)46
3.5.4Probenvorbereitung und Durchführ...
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