ISO 17184:2014
(Main)Soil quality — Determination of carbon and nitrogen by near-infrared spectrometry (NIRS)
Soil quality — Determination of carbon and nitrogen by near-infrared spectrometry (NIRS)
ISO 17184:2014 specifies a method for the determination of carbon and nitrogen in soils by direct measurement of sample spectra in the near-infrared spectral region. The spectra are evaluated by a suitable calibration model derived from the results obtained by reference methods.
Qualité du sol — Dosage du carbone et de l'azote par spectrométrie proche infrarouge (SPIR)
L'ISO 17184:2014 décrit une méthode de dosage du carbone et de l'azote dans les sols par mesurage direct de spectres d'échantillons dans le domaine spectral proche infrarouge. Les spectres sont évalués par un modèle d'étalonnage approprié issu des résultats obtenus avec des méthodes de référence.
General Information
Standards Content (Sample)
INTERNATIONAL ISO
STANDARD 17184
First edition
2014-05-15
Soil quality — Determination of
carbon and nitrogen by near-infrared
spectrometry (NIRS)
Qualité du sol — Dosage du carbone et de l’azote par spectrométrie
proche infrarouge (SPIR)
Reference number
©
ISO 2014
© ISO 2014
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ii © ISO 2014 – All rights reserved
Contents Page
Foreword .iv
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Principle . 1
4 Apparatus . 1
5 Procedure. 2
5.1 Preparation of samples . 2
5.2 Instrument calibration . 2
5.3 Sample measurement . 4
6 Test report . 5
Annex A (informative) Precision data . 6
Bibliography . 9
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).
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constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity
assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical Barriers
to Trade (TBT) see the following URL: Foreword - Supplementary information
The committee responsible for this document is ISO/TC 190, Soil quality, Subcommittee SC 3, Chemical
methods and soil characteristics.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 17184:2014(E)
Soil quality — Determination of carbon and nitrogen by
near-infrared spectrometry (NIRS)
1 Scope
This International Standard specifies a method for the determination of carbon and nitrogen in soils by
direct measurement of sample spectra in the near-infrared spectral region. The spectra are evaluated
by a suitable calibration model derived from the results obtained by reference methods.
2 Normative references
The following documents, in whole or in part, are normatively referenced in this document and are
indispensable for its application. For dated references, only the edition cited applies. For undated
references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 11464, Soil quality — Pretreatment of samples for physico-chemical analysis
3 Principle
Soil samples are measured by reflectance near-infrared (NIR) spectroscopy. Diffuse reflectance NIR
spectroscopy offers a non-destructive means for measurement of soil properties based on reflectance
spectra of illuminated soils. Spectral data are evaluated by a suitable calibrating model derived from the
measurement of a sufficient number of representative soil samples with known content of carbon and/or
nitrogen determined by reference methods. Calibration equations reflect the relationship between the
constituents of the sample and NIR spectral information. The soil samples and the set of calibrating
samples for the NIR measurement are prepared the same way.
NOTE 1 NIR spectrometry is a very fast non-destructive and environmentally friendly analytical technique
when compared to the standard chemical methods used as reference methods.
NOTE 2 Soils generally have similar reflectance spectra in the 1 100 nm to 2 500 nm range. The absorption
peaks for soils in the near-infrared region are difficult to assign to specific chemical components.
4 Apparatus
4.1 Near-infrared instrument, based on measurement of reflectance spectra in the near-infrared
region (wavelength range from 900 nm to 2 500 nm is usually applied). The instrument should be
equipped with a suitable measurement cell for pulverized solid samples. The instrument should measure
sufficiently large sample volume to eliminate any significant influence of inhomogeneity of the sample.
The software shall allow instrument tests, calibration, sample measurement and data evaluation.
Resolution of the instrument should be equal to 8 nm or better.
NOTE Wavelengths of spectra recorded in higher resolution may be averaged to reduce spectra noise and
there is a risk of over fitting of the calibration model. Instruments with lower resolution may be used if their
performance is verified for intended purposes.
5 Procedure
5.1 Preparation of samples
Soil samples shall be prepared the same way as soils used for the instrument calibration. Any difference
in sample preparation may influence the measurement. Sample preparation shall ensure a good
homogenization of the sample.
Sample preparation according to ISO 11464, particle size < 2 mm, is generally used. Air-dried or oven-
dried samples can be used for analysis. The method is not suitable for samples with water content higher
than 10 %. Oven drying is recommended for samples with high specific surface area that are susceptible
to changes in water content due to fluctuations in air humidity.
5.2 Instrument calibration
5.2.1 General
A suitable set of uniformly prepared soil samples is measured by NIR spectroscopy. The spectra and
the results of the content of carbon and/or nitrogen determined by a reference method are used for
calculation of the calibration model. Calibration should include enough samples to cover most of the
possible spectral variability encountered during routine analysis and to predict the composition of
unknown samples accurately. The calibration sample set shall be selected to gain an evenly distributed
coverage of the property range.
The NIR spectra represent cumulative information about the chemical and physical properties of a
sample. Influence of physical properties of a sample (e.g. particle size), is reduced by mathematical
corrections as derivatives, standard normal variate (SNV), multiplicative scatter corrections (MSC),
etc. There are several possible ways for development of calibration equations and no specific procedure
can be given. The choice shall aim at minimising the calibration error. The methods most frequently
applied in the development of calibration equations are: PCR (principal component regression), PLS
(partial least square regression), LWR (locally weighted regression), SMLR (stepwise multiple linear
regression) and ANN (artificial neural network regression). Among these methods, only ANN methods
can give calibration for the whole concentration range for carbon and nitrogen in soils but ANN methods
only apply with more than 500 calibration samples. For other statistical methods, splitting of the
concentration range into two calibrations was found to be the best solution. Removal of outliers from
the calibration set usually reduces the robustness of the calibration and should be avoided.
For samples from different locations and soil types, a minimum of 60 to 100 calibration samples is
required. A smaller number of calibration samples can be used for sample sets with lower variability
such as samples from a defined location.
NOTE 1 Transformations of the reference measurements or the spectra using e.g. log or square root transformed
reference measurements may help to reduce the calibration error.
NOTE 2 It is possible that calibrations developed on a certain instrument may not always be transferred directly
to an identical instrument. It may be necessary to perform bias and slope adjustments to calibration equations.
In many cases it is necessary to standardize the two instruments against each other before calibration equations
can be transferred. Standardization procedures can be used to transfer calibrations between instruments of
different types provided that samples are measured the same way and that the spectral region is identical.
NOTE 3 If the reference method is unbiased and a good linear calibration model is achieved, increasing number
of calibration samples averages out errors in the reference method. Therefore, the lack of repeatability in the
reference method can be compensated for by using high number of calibrating samples.
2 © ISO 2014 – All rights reserved
5.2.2 Validation of the calibration model
5.2.2.1 General
There are two main methods for validation of the calibration model:
— cross (internal) validation (see 5.2.2.2), and
— external validation (see 5.2.2.3).
Cross validation (see 5.2.2.2) is used to determine the number of factors used for PLS by determining
a minimum RMSECV (root mean square error of cross validation), and when not enough samples are
available for external validation. The number of factors shall be as small as possible to avoid over fitting
of the calibration model. An external validation (see 5.2.2.3) shall be used to determine the calibration
error since cross validations tend to underestimate the calibration error.
In all cases, if a new calibration is developed on an expanded calibration set, the validation process
should be repeated. The calibrations should be checked whenever any major part of the instrument
(optical system, detector) has been changed or repaired.
Next to the initial validation, NIR calibrations should be validated on a regular basis against reference
methods to ensure optimal performance of calibrations. The frequency of checkings depends mainly on
the number of changes in the sample population. The number of samples for the continuous checking
should be sufficient for the statistics applied. The validation exercise is valid only for the range and for
the sample types used in the validation.
The prediction ability of the calibration model is given by the correlation coefficient (R) and the root mean
squared error of prediction (RMSEP) which is also called root mean squared error of cross validation
(RMSECV) when using cross validation. These characteristics should be reported with the results. If the
difference between two parallel measurements is higher than RMSECV or RMSEP, the results may not
be valid and should be investigated further.
5.2.2.2 Cross validation
The set of calibration data is divided into K groups, each group has n/K individual samples. One group of
the K groups is retained for validation of the model and the remaining K − 1 groups are used as training
(calibration) data. This step is repeated for all K groups. When cross validation is completed, each
sample is measured once for validation and the set of measured predicted values is used for calculation
of RMSECV.
NOTE 1 For K = n the method is called leave-one-out cross validation
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 17184
Première édition
2014-05-15
Qualité du sol — Dosage du carbone
et de l’azote par spectrométrie proche
infrarouge (SPIR)
Soil quality — Determination of carbon and nitrogen by near-infrared
spectrometry (NIRS)
Numéro de référence
©
ISO 2014
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sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique, y compris la photocopie, l’affichage sur
l’internet ou sur un Intranet, sans autorisation écrite préalable. Les demandes d’autorisation peuvent être adressées à l’ISO à
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Publié en Suisse
ii © ISO 2014 – Tous droits réservés
Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d’application . 1
2 Références normatives . 1
3 Principe . 1
4 Appareillage . 1
5 Mode opératoire. 2
5.1 Préparation des échantillons . 2
5.2 Étalonnage des instruments . 2
5.3 Mesurage de l’échantillon . 5
6 Rapport d’essai . 5
Annexe A (informative) Données de fidélité . 7
Bibliographie .10
Avant-propos
L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.
L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui concerne
la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents
critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.
iso.org/directives).
L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant les
références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de l’élaboration
du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de brevets reçues par
l’ISO (voir www.iso.org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de
la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes de l’OMC concernant
les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: Avant-propos — Informations
supplémentaires.
Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 190, Qualité du sol, sous-comité SC 3,
Méthodes chimiques et caractéristiques du sol.
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NORME INTERNATIONALE ISO 17184:2014(F)
Qualité du sol — Dosage du carbone et de l’azote par
spectrométrie proche infrarouge (SPIR)
1 Domaine d’application
La présente Norme internationale décrit une méthode de dosage du carbone et de l’azote dans les sols
par mesurage direct de spectres d’échantillons dans le domaine spectral proche infrarouge. Les spectres
sont évalués par un modèle d’étalonnage approprié issu des résultats obtenus avec des méthodes de
référence.
2 Références normatives
Les documents suivants, en tout ou partie, sont référencés de manière normative dans le présent
document et sont indispensables pour son application. Pour les références datées, seule l’édition citée
s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s’applique (y
compris les éventuels amendements).
ISO 11464, Qualité du sol — Prétraitement des échantillons pour analyses physico-chimiques
3 Principe
Des échantillons de sol sont mesurés par spectroscopie proche infrarouge (SPIR) en réflexion. La
spectroscopie proche infrarouge (SPIR) en réflexion diffuse offre un moyen non destructif de mesurer
les propriétés du sol d’après les spectres de réflexion du sol. Les données spectrales sont évaluées
par un modèle d’étalonnage approprié issu du mesurage d’un nombre suffisant d’échantillons de sol
représentatifs ayant une teneur en carbone et/ou azote connue déterminée avec des méthodes de
référence. Les équations d’étalonnage reflètent la relation entre les constituants de l’échantillon et les
informations spectrales SPIR. Les échantillons de sol et la série d’étalons pour le mesurage SPIR sont
préparés de la même manière.
NOTE 1 La spectrométrie SPIR est une technique analytique non destructive très rapide et écologique
comparée aux méthodes chimiques classiques utilisées comme méthodes de référence.
NOTE 2 Les sols ont généralement des spectres de réflexion similaires dans le domaine de 1 100 nm à 2 500 nm.
Les pics d’absorption pour les sols dans la région proche infrarouge sont difficiles à attribuer à des composants
chimiques spécifiques.
4 Appareillage
4.1 Instrument proche infrarouge, basé sur le mesurage de spectres de réflexion dans la région
proche infrarouge (une gamme de longueurs d’onde de 900 nm à 2 500 nm est généralement appliquée).
Il convient que l’instrument soit équipé d’une cellule de mesure appropriée pour les échantillons solides
pulvérisés. Il convient que l’instrument mesure un volume d’échantillon suffisamment élevé pour éliminer
toute influence significative de l’inhomogénéité de l’échantillon. Le logiciel intégré doit permettre
d’effectuer des essais instrumentaux, un étalonnage, un mesurage de l’échantillon et une évaluation des
données.
Il convient que la résolution de l’instrument soit égale ou supérieure à 8 nm.
NOTE Les longueurs d’onde des spectres enregistrés dans une résolution supérieure peuvent être moyennées
afin de réduire le bruit des spectres et il y a un risque de sur-ajustement du modèle d’étalonnage. Des Instruments
ayant une résolution inférieure peuvent être utilisés si leur performance est vérifiée aux fins prévues.
5 Mode opératoire
5.1 Préparation des échantillons
Les échantillons de sol doivent être préparés de la même manière que les sols utilisés pour étalonner
l’instrument. Toute différence de préparation des échantillons peut influencer le mesurage. La
préparation des échantillons doit garantir une bonne homogénéisation de l’échantillon.
La préparation des échantillons selon l’ISO 11464, avec une granulométrie inférieure à 2 mm, est
généralement utilisée. Des échantillons séchés à l’air ou séchés en étuve peuvent être utilisés pour
l’analyse. La méthode ne convient pas aux échantillons ayant une teneur en eau supérieure à 10 %. Il est
recommandé de sécher en étuve les échantillons qui ont une surface spécifique élevée et qui sont soumis
à des variations de teneur en eau en raison des fluctuations d’humidité de l’air.
5.2 Étalonnage des instruments
5.2.1 Généralités
Une série appropriée d’échantillons de sol préparés de manière uniforme est mesurée par SPIR. Les
spectres et les résultats de la teneur en carbone et/ou azote déterminée avec une méthode de référence
sont utilisés pour calculer le modèle d’étalonnage. Il convient que l’étalonnage inclue suffisamment
d’échantillons pour couvrir la majeure partie de la variabilité spectrale possible rencontrée lors de
l’analyse de routine et pour prévoir avec précision la composition d’échantillons inconnus. La série
d’étalons doit être choisie de façon à obtenir une couverture uniformément répartie de la gamme de
propriétés.
Les spectres SPIR représentent des informations cumulées sur les propriétés chimiques et physiques
d’un échantillon. L’influence des propriétés physiques d’un échantillon (par exemple, la granulométrie)
est réduite par des corrections mathématiques telles que dérivés, loi normale standard (SNV),
corrections de dispersion multiplicative (MSC), etc. Il existe plusieurs façons de développer des équations
d’étalonnage et aucune méthode spécifique ne peut être donnée. Le choix a pour objectif de réduire
le plus possible l’erreur d’étalonnage. Les méthodes les plus fréquemment appliquées pour développer
des équations d’étalonnage sont: la PCR (régression sur composantes principales), la PLS (régression
des moindres carrés partiels), la LWR (régression localement pondérée), la SMLR (régression linéaire
multiple pas à pas) et l’ANN (réseau de neurones artificiels). Parmi ces méthodes, seule les méthodes ANN
peuvent permettre d’étalonner l‘ensemble de la gamme de concentrations en carbone et en azote des
sols. Toutefois, les méthodes ANN s’appliquent uniquement avec un nombre d’étalons supérieur à 500.
Pour les autres méthodes statistiques, la division de la gamme de concentrations en deux étalonnages
s’est révélée être la meilleure solution. L’élimination des valeurs aberrantes de la série d’étalons réduit
généralement la robustesse de l’étalonnage et il convient de ne pas y avoir recours.
Pour les échantillons provenant de lieux différents et contenant des types de sol différents, au moins 60
à 100 étalons sont requis. Un petit nombre d’étalons peut être utilisé pour les séries d’échantillons ayant
une variabilité inférieure, par exemple les échantillons provenant d’un lieu défini.
NOTE 1 Les transformations des mesurages de référence ou des spectres à l’aide, par exemple, de mesurages
de référence transformés par la fonction logarithme ou-racine carrée, peuvent favoriser la réduction de l’erreur
d’étalonnage.
NOTE 2 Les étalonnages établis sur un instrument spécifique ne peuvent pas toujours être directement
transférés sur un instrument identique. Il peut être nécessaire d’ajuster le biais et la pente des équations
d’étalonnage. Bien souvent, il est nécessaire de normaliser les deux instruments avant de pouvoir transférer
les équations d’étalonnage. Des modes opératoires de normalisation peuvent être utilisés pour transférer les
étalonnages entre les instruments de différents types à condition que les échantillons soient mesurés de la même
manière et que le domaine spectral soit identique.
NOTE 3 Si la méthode de référence n’est pas biaisée et si un modèle d’étalonnage linéaire correct est obtenu,
augmenter le nombre d’échantillons permet d’établir la moyenne des erreurs dans la méthode de référence. Par
conséquent, un défaut de répétabilité de la méthode de référence peut être compensé par l’utilisation d’un nombre
élevé d’étalons.
2 © ISO 2014 – Tous droits réservés
5.2.2 Validation du modèle d’étalonnage
5.2.2.1 Généralités
Il existe deux principales méthodes de validation du modèle d’étalonnage:
— la validation croisée (interne) (voir en 5.2.2.2) et
— la validation externe (voir en 5.2.2.3).
La validation croisée (voir en 5.2.2.2) est utilisée pour déterminer le nombre de facteurs utilisés pour
la PLS en déterminant une erreur quadratique moyenne de validation croisée (RMSECV) minimale
et lorsque un nombre d’échantillons insuffisant est disponible pour la validation externe. Le nombre
de facteurs doit être le plus petit possible pour éviter le sur-apprentissage du modèle d’étalonnage.
Une validation externe (voir en 5.2.2.3) doit être utilisée pour déterminer l’erreur d’étalonnage car la
validation croisée tend à sous-estimer l’erreur d’étalonnage.
Dans tous les cas, si un nouvel étalonnage est développé sur une série d’étalons élargie, il convient de
répéter le processus de validation
...
Questions, Comments and Discussion
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