Polarized Multiangular Reflectance Measurements Applied in Analysis of Soils Contaminated with Petroleum Hydrocarbons and Lead

Näytä kaikki kuvailutiedot

Permalink

http://hdl.handle.net/10138/175709
Julkaisun nimi: Polarized Multiangular Reflectance Measurements Applied in Analysis of Soils Contaminated with Petroleum Hydrocarbons and Lead
Tekijä: Järvinen, Juha
Muu tekijä: Helsingin yliopisto, Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, Geotieteiden ja maantieteen laitos
Opinnäytteen taso: pro gradu -tutkielmat
Tiivistelmä: Öljyhiilivedyt ja raskasmetallit ovat yleisiä maaperää pilaavia aineita, jotka voivat olla haitallisia kasveille ja vaarantaa ihmisten sekä eläinten terveyden. Pilaantuneiden alueiden tutkiminen sekä kartoittaminen kunnostusta varten on siten tärkeää, ja nopean menetelmän kehittäminen jo olemassa olevien rinnalle olisi hyödyllistä. VNIR-SWIR -heijastusspektroskopia (350–2500 nm) on tunnettu tutkimusmenetelmä, joka on osoittautunut potentiaaliseksi työkaluksi myös pilaantuneiden maiden nopeaa ja kustannustehokasta kartoitusta varten. Aiemmat menetelmää hyödyntäneet tutkimukset ovat kuitenkin keskittyneet suurelta osin pilaavien aineiden spektriominaisuuksiin, eikä heijastuvan valon anisotrooppista luonnetta tai polarisoitumista ole otettu huomioon. Näiden ominaisuuksien karakterisoiminen voisi potentiaalisesti tarjota arvokasta uudenlaista tietoa pilaavien aineiden heijastusominaisuuksista, jota on mahdollista hyödyntää kehitettäessä kaukokartoitusmenetelmiä sekä matemaattisia sirontamalleja pilaantuneiden maiden kvantitatiivista ja kvalitatiivista analysointia varten. Öljyhiilivetyjen ja lyijyn monisuuntaisten heijastusominaisuuksien mittaamiseksi valmistettiin dieselillä, moottoriöljyllä sekä lyijyllä pilaantuneita hiekkanäytteitä laboratoriossa. Lisäksi kentällä mitattiin kasvillisuutta ja maaperänäytteitä lyijyllä pilaantuneella alueella Suomenlinnan Kustaanmiekassa. Tutkimuslaitteena käytettiin paikkatietokeskuksen kenttägoniospektrometriä (FIGIFIGO) ja näytteitä mitattiin kaiken kaikkiaan 23. Tulokset vahvistavat aiempien tutkimusten havainnot, joiden mukaan öljyhiilivetyjä on mahdollista tunnistaa maanäytteiden spektristä karakterististen absorptioalueiden perusteella. Tämän lisäksi vahvistettiin 1730 nm absorptioalueen olevan tärkein öljyhiilivetyjen havaitsemista varten. Savimineraalien havaittiin kuitenkin merkittävästi alentavan absorptiopiirteiden intensiteettiä. Tästä huolimatta öljyhiilivetyjen absorptio-ominaisuuksia tunnistettiin kaikista näytteistä alimman pitoisuuden ollessa 0.5 p-%. Polarisaation todettiin vähenevän takasuuntaan diesel- ja moottoriöljypitoisuuksien kasvaessa, mutta lisääntyvän etusuuntaan alhaisilla katsekulmilla. Lisää tutkimuksia tarvitaan, jotta voidaan paremmin ymmärtää savimineraalien, veden, öljyhiilivetyjen ja kvartsin yhteisvaikutuksia maaperää pilaavien aineiden heijastusominaisuuksiin. Laboratoriossa mitattujen lyijynäytteiden sironnan ja polarisaation havaittiin lisääntyvän merkittävästi etusuuntaan, mutta vähenevän takasuuntaan SWIR-alueella. Nämä ominaispiirteet voisivat tulevaisuudessa osoittautua käyttökelpoisiksi lyijyllä pilaantuneiden maiden tunnistamista varten. Kenttänäytteistä lyijyä ei onnistuttu luotettavasti havaitsemaan, mutta kontrolloidummat tutkimukset maaperää pilaavien aineiden vaikutuksista kasvillisuuden polarisaatioon ovat suositeltavia.Petroleum hydrocarbons (PHCs) and heavy metals are common soil contaminants, which when released in the environment have the potential to damage plants as well as endanger the health of both humans and animals. Investigating these contaminations for cleanup purposes is therefore important, and developing new rapid techniques to aid in this process would be beneficial. VNIR-SWIR (350–2500 nm) reflectance spectroscopy is a well-known method that has been shown to be a promising tool for the rapid and costeffective mapping and monitoring of various soil contaminations. However, previous studies have mainly focused on the spectral features of soil contaminants; the anisotropic nature of reflectance and polarization have been largely ignored. Characterization of these reflectance properties has the potential to provide valuable additional information, that can be used to improve remote-sensing methods and help develop reflectance models for the quantitative and qualitative analysis of contaminants in soil. To study the bidirectional reflectance and polarization properties of petroleum hydrocarbons and lead, the Finnish Geodetic Institute Field Goniospectrometer (FIGIFIGO) was used to measure samples artificially contaminated with diesel, motor oil and lead in the laboratory as well as lead contaminated soil and vegetation at Suomenlinna, Finland. In total, 23 samples were measured. It was confirmed that petroleum hydrocarbons can be detected from their characteristic absorption bands, and that the 1730 nm band is the most significant for this purpose. However, clay minerals appeared to considerably lower the intensity of these bands and affect the reflectance. Despite this, hydrocarbon absorption features were successfully detected from all samples at a lowest measured concentration of 0.5 wt.%. The polarization in the backward direction was found to decrease when diesel or motor oil was added, while the polarization increased in the forward direction on low zenith angles. In order to better understand the relationships between clay, water, hydrocarbon and quartz contents and their combined effects on the reflectance, more studies are needed. The reflectance and polarization of the laboratory Pb samples were found to increase significantly in the forward direction, while the polarization decreased in the backward direction in the SWIR region. This characteristic, if investigated further, could prove useful for the detection of heavy metals in soil. Lead was not reliably detected from the field samples, but more controlled studies on the relationship between soil contaminations and polarization properties of vegetation should be considered.
Kuvaus: Vain tiivistelmä. Opinnäytteiden arkistokappaleet ovat luettavissa Helsingin yliopiston kirjastossa. Hae HELKA-tietokannasta (http://www.helsinki.fi/helka/index.htm).Abstract only. The paper copy of the whole thesis is available for reading room use at the Helsinki University Library. Search HELKA online catalog (http://www.helsinki.fi/helka/index.htm).Endast avhandlingens sammandrag. Pappersexemplaret av hela avhandlingen finns för läsesalsbruk i Helsingfors universitets bibliotek. Sök i HELKA-databasen (http://www.helsinki.fi/helka/index.htm).
URI: http://hdl.handle.net/10138/175709
Päiväys: 2017-02-20
Oppiaine: Geologia


Tiedostot

Tiedosto(t) Koko Formaatti Näytä

Tähän julkaisuun ei ole liitetty tiedostoja

Viite kuuluu kokoelmiin:

Näytä kaikki kuvailutiedot