יישום וחקירת טכנולוגיית הדמיה היפרפרקטלית בגילוי מיקרו -פלסטי קרקע

הבעיה של זיהום מיקרו-פלסטי באדמה הופכת לחמורה יותר ויותר, אך מחקר מעמיק על מיקרו-פלסטיקה במערכות אקולוגיות יבשתיות עדיין אינו מספיק. מחקר זה נועד לזהות ולדמיין ישירות את התפלגות המיקרו -פלסטיקה באדמה על ידי שילוב טכנולוגיית הדמיה היפרפרקטית עם אלגוריתמים כימומטריים מתקדמים, ובכך למלא את פער המחקר הזה.

1. איסוף ועיבוד מדגם

ראשית, מצאנו ואספנו כמה שברי פלסטיק מבולבלים ודגימות אדמה עבות של 5 ס"מ סביבם על פני האדמה, במשקל כולל של כ -3 ק"ג. לאחר שהוחזרו דגימות אלה למעבדה, הן חולקו לשתי קבוצות. קבוצה אחת שימשה לחילוץ וזיהוי הרכיבים הספציפיים של מיקרו -פלסטיקה בשיטת פתרון מימית NaCl רוויה; הקבוצה האחרת שימשה לבניית מודל זיהוי מיקרו -פלסטי המבוסס על טכנולוגיית הדמיה היפרפרקטית ואלגוריתמים כימומטריים.

כדי לדמות את קיומם של מיקרו -פלסטיקה בסביבות אדמה אמיתיות, הכנו עוד יותר דגימות אדמה מדומות. באמצעות גזירה ידנית ומסננת, חילקנו את המיקרו-פלסטיקה המופקת (לבן ושחור) לשני טווחי גודל חלקיקים של 1-5 מ"מ ו -0.5-1 מ"מ, וערבבו אותם עם חומרים טבעיים כמו עלים טריים, עלים קמלים, סלעים וענפים כדי הדמה את סביבת אדמת השדה המורכבת. כל דגימות האדמה יובשו בתנור ואקום בחום של 80 מעלות צלזיוס למשך 8 שעות כדי להסיר לחות ולהבטיח את דיוק הניסוי.

2. רכישת תמונות היפר -ספקטרלית וניתוח נתונים

בעזרת מערכת הדמיה היפרספרטלית, ערכנו סריקה מקיפה של דגימות מיקרו -פלסטיות מדומה ואדמה והתקבלנו תמונות היפרפרקטליות המכילות מידע ספקטרלי עשיר. בתמונות, חומרים שונים (כמו מיקרו -פלסטיקה לבנה, מיקרו -פלסטיקה שחורה, עלים טריים וכו ') מסומנים בצבעים שונים כדי להקל על הניתוח שלאחר מכן.

על ידי ניתוח העקומות הספקטרליות של אזור העניין (ROI) של כל חומר על התמונה, מצאנו כי עלים טריים, עשירים בכלורופיל, מציגים מאפיינים ספקטרליים משמעותיים באזור האור הנראה, מה שמקל עליהם להבחין בין חומרים אחרים. לעומת זאת, מיקרו -פלסטיקה של PE לבנה ושחורה נבדלים זה מזה במאפיינים הספקטרליים, ובמיוחד מיקרו -פלסטיקה של PE שחורה, שיש להם את ההשתקפות הנמוכה ביותר בכל הטווח הספקטרלי, מה שמקשה על הזיהוי.

3. השוואה ואופטימיזציה של שיטות סיווג מפוקחות

על מנת למצוא את האלגוריתם הטוב ביותר לזיהוי מיקרו -פלסטי, השתמשנו בשלוש שיטות סיווג בפיקוח: ניתוח מפלה רב -משתני (MD), למידת מכונה (ML) ומכונת וקטור תמיכה (SVM). על ידי חישוב הדיוק (P) וקצב ההתאוששות (R) של כל שיטה, מצאנו כי אלגוריתם ה- SVM הראה יחס גבוה יותר של אות לרעש ופחות רעשי רקע בעת עיבוד תמונות היפרפרקטריות, ובכך שיפר משמעותית את זיהוי המיקרו-פלסטיקה.

ערכנו בדיקות סיווג במיקרו-פלסטיקה בגדלי חלקיקים שונים (1-5 מ"מ ו -0.5-1 מ"מ). התוצאות הראו כי עבור מיקרו -פלסטיקה עם גדלי חלקיקים גדולים יותר, אלגוריתם ה- SVM הצליח להשיג דיוק זיהוי גבוה יותר; ולגבי מיקרו -פלסטיקה עם גדלי חלקיקים קטנים יותר, אפקט ההכרה שופר משמעותית על ידי אופטימיזציה של עיבוד מקדים מורפולוגי של תמונה (כמו פעולות שחיקה והרחבה).

Iv. אימות מודל ויישום מורחב

כדי לאמת את היישום הרחב של המודל, אספנו שישה פולימרים פלסטיים ביתיים בצבעים שונים ויצירות כימיות ובדקנו את השפעות ההכרה שלהם בטכנולוגיית הדמיה היפרפרקטלית. התוצאות הראו כי עבור שישה מיקרו-פלסטיקה נפוצה עם גדלי חלקיקים של 1-5 מ"מ ו -0.5-1 מ"מ, המודל הראה יכולת זיהוי טובה, כאשר דיוק ממוצע ושיעורי התאוששות הגיעו לרמות גבוהות. בפרט, השפעת ההכרה של מיקרו -פלסטיקה צבעונית הייתה יוצאת מן הכלל במיוחד בגלל המאפיינים הספקטרליים הברורים יותר שלהם.

V. סיכום ותפיסה

מחקר זה שילב בהצלחה טכנולוגיית הדמיה היפרפרקטית עם אלגוריתמים כימומטריים כדי להשיג זיהוי ישיר והדמיה של מיקרו -פלסטיקה באדמה. על ידי השוואה בין שיטות סיווג בפיקוח שונות, מצאנו כי לאלגוריתם SVM יש יתרונות משמעותיים בזיהוי מיקרו -פלסטי. בנוסף, המחקר חשף גם את ההשפעה של גודל החלקיקים המיקרו -פלסטי על זיהוי והציעו אסטרטגיות אופטימיזציה תואמות.

בעתיד אנו מתכננים להרחיב עוד יותר את היקף היישום של טכנולוגיה זו, כמו בחינת ההשפעה של סוגי אדמה שונים ותנאי סביבה על זיהוי מיקרו-פלסטי, ופיתוח ציוד הדמיה היפר-ספקטרלית ניידים ויעילים יותר כדי לענות על צרכיו של מהיר באתר איתור. יחד עם זאת, נמשיך לבצע אופטימיזציה של מודל האלגוריתם, לשפר את דיוק ההכרה והיציבות ולספק תמיכה טכנית חזקה יותר לניטור ובקרה של זיהום מיקרו -פלסטי באדמה.