Quantifizierung chemischer Parameter anhand von Sedimentreflexionsspektren des Olewiger Baches (Region Trier)

Kapitel 3: Datengrundlage und Methoden 3.7 Auswertung der Reflexionsspektren 3.7.1 Vorüberlegungen zur Datenauswertung Die in Kapitel 2.1.4.1 erläuterten Prozesse bedingen eine ganz charakteristische Spektralsignatur („fingerprinting“) der Sedimentspektren, die am stärksten durch H20 und OH- - Banden geprägt sind. Die zur Quantifizierung der Nähr- und Schadstoffe relevanten Bindungsmechanismen (z. B. O-H-Bindungen), welche sich zumeist durch Schwingungsabsorptionen im Reflexionsspektrum niederschlagen, treten in der Regel in mehreren Konfigurationen und unterschiedlichen Inhaltsstoffen auf. Zudem sollte man bedenken, dass sich ein Absorptionsbereich stets aus mehreren primären und sekundären Schwingungsbanden unterschiedlicher Bindungsstrukturen bzw. verschiedener Molekülkomplexe zusammensetzt. Deshalb ist es nicht möglich, eine einzelne Reflexionsmessung einer Wellenlänge als Maß für die chemische Konzentration bestimmter Inhaltsstoffe heranzuziehen. Aus diesen Vorüberlegungen heraus erschließt sich die Hypothese, dass für die Modellierung chemischer und mineralogischer Parameter aus deren Spektralsignatur lediglich multivariate Methoden zum Einsatz kommen können. Die Verfahren der multivariaten Analyse basieren ausschließlich auf den in Kapitel 3.8 beschriebenen mathematischen Zusammenhängen zwischen den in diese Verfahren eingehenden Datensätzen. Die Rohspektren (Originalspektren) weisen aufgrund aufnahme-, multivariaten systemAnalyse und auf objektspezifischer ihre Qualität zu Eigenschaften überprüfen und unterschiedliche gegebenenfalls Streubereiche auf, woraus sich die Notwendigkeit ergibt, die Spektren vor Beginn der (problemspezifisch) zu bearbeiten. 3.7.2 Qualitative Analyse der Spektralsignaturen Zur Beurteilung der Qualität der gemessenen Reflexionsspektren und zur Detektion verrauschter Wellenlängenbereiche wurde eine Varianzanalyse der Parallelmessungen durchgeführt, wobei der Reflexionsfaktor R einer Wellenlänge nur dann für weitere Betrachtung in Frage kommt, wenn der Variationskoeffizient über die Parallelmessungen für diese Wellenlänge im Mittel aller Messungen einen festgesetzten Grenzwert nicht übersteigt. Als maximaler Variationskoeffizient wurde 0,025 festgelegt. 52 [...]

3.5.4 Probenvorbereitung und Durchführung der Messung Im ersten Schritt wurden die zu messenden Proben auf schwarzer Pappe ausgebreitet, um somit - bei eventueller unzureichender Probendicke - zusätzliche Reflexionen vom Untergrund zu vermeiden. Dabei wurde ca. 5 Gramm des Probenmaterials kreisrund auf der Pappe verteilt, mit einem Hilfsmittel glattgestrichen und mit dem geschätzten Kreismittelpunkt senkrecht unter dem Sensorkopf und im Bereich des Lichtkegels der künstlichen Strahlungsquelle ausgerichtet. Die Messoptik hat einen Öffnungswinkel (FOV = Field of view) von 23°. Aus Öffnungswinkel und Abstand des Sensors zur Probe ergibt sich der Durchmesser, in welchem die Probe mindestens vorliegen muss um nicht Teile der Umgebung mit zu messen. Die darunter stehende Abbildung soll diesen Rechenschritt näher erläutern. Umgebungsreflexionen konnten zusätzlich durch Messen im abgedunkelten Laborraum minimiert werden. arctan(y/x) = α = (FOV full angle)/2 y/x = tan α y = x tan α y = 11 cm • tan (23/2) = 2,24 cm [...]

Kapitel 3: Datengrundlage und Methoden ► Reflexionsstandard und Messprobe müssen das Sichtfeld des Sensors ausfüllen. ► Reflexionseigenschaften der Referenz sind bekannt und bleiben während der Messkampagne konstant. ► Das Sensorsignal verhält sich zu Änderungen der am Sensor ankommenden Strahldichte linear. 3.5.2 Technische Beschreibung des verwendeten Sensors Das Spektroradiometer deckt den Spektralbereich (spectral range) von 350 bis 2500 nm bei einer spektralen Auflösung (spectral resolution) von 10 nm und einer spektralen Bandweite (spectral bandwitdth) von 1 nm ab. Das Spektroradiometer kombiniert insgesamt drei verschiedene Detektoren. Ein Silizium-Detektor mit starrem Beugungsgitter deckt dabei den Bereich von 350 bis 1000 nm (UV/VNIR) ab und zwei separate (SWIR 2). Die minimale zeitliche Auflösung beträgt 0,1 s. Meistens werden die Einzelmessungen über einen Mittelwertmodus zu einer Gesamtmessung integriert, um damit den systemimmanenten Rauschanteil des Ausgabesignals zu unterdrücken (Signal-toNoise-Ratio, SNR). Der Öffnungswinkel des Sichtfeldes der Optik beträgt 23°. Zur Optik führt ein Kabel aus Fiberglas, welches in einen Pistolengriff eingefasst ist und auf einem Stativ befestigt werden kann. Das Spektrometer ist über einen Parallelport an ein Notebook angeschlossen. 3.5.3 Aufnahmegeometrie (Sensor und Strahlungsquelle) Die Messungen wurden gemäß Abb. 3.1 unter folgenden geometrischen Verhältnissen durchgeführt: Nadirposition des Sensors gegenüber der Probe 11 cm Abstand des Messkopfes zur Probe Beleuchtung: 1000 W Halogenlampe aus 30 cm Entfernung bei 30° Einstrahlwinkel zum Nadir Indium-Gallium-Arsenid-Detektoren mit oszillierenden Beugungsgittern erfassen den Bereich von 1000 bis 1800 nm (SWIR 1) und von 1800 bis 2500 nm [...]