Estimation and Mapping of Soil Organic Matter using Visible-Near Infrared Spectroscopy

We assessed the feasibility of discrete wavelet transform (DWT) applied for the spectral processing to enhance the estimation performance quality of soil organic matters using visible-near infrared spectra and mapped their distribution via block Kriging model. Continuum-removal and $1^{st}$ derivative transform as well as Haar and Daubechies DWT were used to enhance spectral variation in terms of soil organic matter contents and those spectra were put into the PLSR (Partial Least Squares Regression) model. Estimation results using raw reflectance and transformed spectra showed similar quality with $R^2$ > 0.6 and RPD> 1.5. These values mean the approximation prediction on soil organic matter contents. The poor performance of estimation using DWT spectra might be caused by coarser approximation of DWT which not enough to express spectral variation based on soil organic matter contents. The distribution maps of soil organic matter were drawn via a spatial information model, Kriging. Organic contents of soil samples made Gaussian distribution centered at around 20 g $kg^{-1}$ and the values in the map were distributed with similar patterns. The estimated organic matter contents had similar distribution to the measured values even though some parts of estimated value map showed slightly higher. If the estimation quality is improved more, estimation model and mapping using spectroscopy may be applied in global soil mapping, soil classification, and remote sensing data analysis as a rapid and cost-effective method.

분광학을 이용한 토양 유기물 추정 및 분포도 작성

본 연구에서는 토양의 가시 근적외선 스펙트럼의 피크중첩에 의한 분석오차를 감소시킴으로써 토양유기물 추정의 정확도 향상을 위해 이산 웨이블릿 변환 (DWT) 신호처리기법의 적용을 검토하고 공간정보모델링을 통해 토양유기물의 분포도를 작성하고자 하였다. 토양유기물 함량에 따른 스펙트럼의 정량적 변화의 강조를 위해 Continuum 제거, 도함수 변환과 함께 Haar, Daubechies DWT 변환된 스펙트럼을 PLSR 모델에 대입하여 산출한 토양유기물 추정식들은 거의 비슷한 결과를 도출하였고 $R^2$ > 0.6, RPD > 1.5 의 '대략적인' 추정 결과를 보였다. 잡음을 줄이고 신호값을 향상시키기 위해 이산 웨이블렛 변환을 적용한 결과에서 오히려 약간 낮은 성능을 나타내었는데 성긴 근사값 (Coarser approximation) 스펙트럼으로 변환되어 추정식의 유의성이 낮아졌을 가능성이 있다. 따라서 토양의 분광스펙트럼에 더 적합한 이산 웨이블렛 필터와 수준 등의 DWT 조건을 찾고 적용함으로써 추정식의 유의성을 향상시킬 수 있을 것으로 본다. 또한, 유기물에 의한 에너지의 흡수, 반사를 일으키는 주요 파장대의 상관성을 분석하여 선택적으로 해당 영역의 스펙트럼이나 파라미터 값을 산출하여 추정모델에 적용하는 시도도 필요할 것으로 사료된다. 이러한 토양유기물의 추정값과 실측값을 이용해 구역 크리깅을 수행하여 분포지도를 작성하였다. 토양 샘플의 유기물 분석값은 평균값을 중심으로 정규분포를 나타내었는데 크리깅 지도에서도 전반적으로 유사한 패턴의 값이 분포하였다. 추정값을 이용한 크리깅 결과도 실측값을 이용한 분포지도와 유사한 공간적 패턴을 나타내었다. 지도의 우하단부와 중앙 부분에서 실측값 분포보다 추정값 분포지도에서 약간 더 높은 경향을 보였는데 이는 토양 유기물의 추정치와 실측치 간의 오차에 의한 것으로 판단된다. 분광 스펙트럼을 이용한 추정 모델은 정확도 제고가 필요한 단계이나 신속성, 용이성 면에 있어서 토양 특성에 대해 광역 단위에서 다량의 시료 분석에 유용할 것으로 보이고, 또한 지역, 세계 규모의 디지털 토양 매핑, 토양 분류 및 원격탐사 자료와의 연계 분석에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.