Quantitative reflectance spectroscopy as an alternative to traditional wet lab analysis of foliar chemistry: near-infrared and mid-infrared calibrations compared

Quantitative reflectance spectroscopy offers an alternative to traditional analytical methods for the determination of the chemical composition of a sample. The objective of this study was to develop a set of spectroscopic calibrations to determine the chemical composition (nutrients, carbon, and fiber constituents, determined using standard wet lab methods) of dried conifer foliage samples (N = 72), and to compare the predictive ability of calibrations based on three different spectral regions: visible and shortwave near infrared (VIS–sNIR, 400to 1100-nm wavelengths), near infrared (NIR, 1100to 2500-nm wavelengths), and mid infrared (MIR, 2500to 25 000-nm wavelengths). To date, most quantitative reflectance spectroscopy has been based on the VIS–sNIR–NIR, and the ability of MIR calibrations to predict the composition of tree foliage has not been tested. VIS–sNIR calibrations were clearly inferior to those based on longer wavelengths. For 8 of 11 analytes, the MIR calibrations had the lowest standard error of crossvalidation, but in most cases the difference in accuracy between NIR and MIR calibrations was small, and against an independent validation set, there was no clear evidence that either spectral region was superior. Although quantitative MIR spectroscopy is at a more primitive state of development than NIR spectroscopy, these results demonstrate that the mid infrared has considerable promise for quantitative analytical work. Résumé : La spectroscopie quantitative par réflectance offre une alternative aux méthodes analytiques traditionnelles pour déterminer la composition chimique d’un échantillon. L’objectif de cette étude consistait à développer un ensemble de courbes de calibration pour déterminer la composition chimique (composition en nutriments, carbone et fibres mesurée à l’aide de méthodes standards de laboratoire d’analyse par voie humide) d’échantillons (N = 72) d’aiguilles séchées de conifères et de comparer la capacité de prédiction des courbes basées sur trois régions spectrales différentes : visible et proche infrarouge ondes courtes (VIS/PIRoc, 400–1100 nm), proche infrarouge (PIR, 1100–2500 nm) et infrarouge moyen (IRM, 2500 – 25 000 nm). À ce jour, la spectroscopie quantitative par réflectance a surtout été basée sur le VIS/PIRoc/PIR mais la possibilité de prédire la composition du feuillage des arbres avec des courbes basées sur l’IRM n’a pas été testée. Les courbes VIS/PIRoc étaient nettement inférieures à celles qui étaient basées sur des longueurs d’onde plus longues. Pour huit des onze substances analysées, les courbes basées sur l’IRM avaient la plus faible erreur type de validation croisée. Par contre, dans la plupart des cas, il y avait peu de différence de précision entre les courbes basées sur le PIR et celles basées sur l’IRM. La supériorité de l’une ou l’autre de ces régions spectrales était loin d’être évidente avec des données de validation indépendantes. Bien que la spectroscopie dans l’IRM soit à un stade de développement plus primitif que la spectroscopie dans le PIR, les résultats démontrent que l’IRM est très prometteur pour le travail d’analyse quantitative. [Traduit par la Rédaction] Richardson and Reeves 1130