Sensoriamento espectroscópico proximal para predição de qualidade de cana-de-açúcar e mapeamento da variabilidade espacial

Sensors for predicting attributes related to the quality of agricultural products have been evaluated and implemented from production lines in industrial sectors to some initiatives in the field of agricultural production. Field applications seek to provide spatial information along the field related to the quality of the harvested product. In constant evolution, and with advanced applications in the industrial sector, the near infrared spectroscopy (NIR) presents itself as the best alternative due to the precision of the equipment, fast analysis, non-destructive, easy operation, low cost and sustainable. In addition, the trend towards miniaturization of the equipment has enabled greater flexibility of applications. The production of thematic maps of product quality, associated to yield data, represents an advance for the practice of management with precision agriculture techniques for understanding spatial variability, cause and effect relationships during the crop cycle, and rational agronomic management of production inputs. NIR sensors have been used in initiatives to understand the spatial variability of grape, grain, and forage quality. However, applications for sugarcane quality monitoring are still incipient. The first study reported in this document (Chapter 2) focused on assessing the spatial variability of sugarcane quality attributes in a commercial field, from samples manually collected in the field and processed for measurement by NIR spectroscopy in defibrated form. In addition, the maps produced were evaluated against maps produced from results obtained by conventional laboratory analysis methods. The second study (Chapter 3) sought to evaluate the potential for predicting sugarcane quality parameters with NIR spectroscopy at different levels of sample preparation: no preparation (stalks), with measurements in different sections, defibrated cane, and raw juice. In addition, we sought to achieve variability in the calibration models as a function of climatic variation with sample collections performed in different periods throughout a harvest. In this step, the experiment was performed in a quality laboratory of a mill, so that NIR and conventional analyses could be performed simultaneously. The calibration and prediction models for both studies were developed by multivariate analysis, with partial least squares regressions (PLSR), and the importance of spectral bands in the prediction of organic compounds was evaluated based on what has been reported in the literature. The third and last study (Chapter 4) was conducted with a on-board micro spectrometer in the elevator of a sugarcane harvester to collect real-time information in three areas of a commercial crop. For this, a measurement platform was built with external light sources. During the harvest, samples were collected directly from the machine, after being read by the sensor, for model calibration and validation. In addition, sub-samples of defibrated cane were taken from the samples processed for analysis by conventional methods, for bench measurement, similar to the first study. These spectra were used to build calibration transfer models to fit the spectra collected in real time at the harvester. Calibration models were then built, validated, and used to estimate sugarcane quality attributes collected in real time. At the end of the harvest, soil samples were collected to evaluate cause and effect relationships with the estimated quality data. The proposed method allowed the construction of variogram models with spatial dependence and the spatialization of sugarcane quality data obtained by measurements with the on-board sensor. Moreover, the cause and effect relationships corroborated the estimated results with previously reported by other studies, by presenting a relationship between quality parameters and soil physical attributes. The results of this research constitute a new stage in the direction of research to make it feasible to obtain spatialized data of sugarcane quality by means of on-board sensors.Sensores para estimativa de atributos relacionados à qualidade de produtos agrícolas têm sido avaliados e implementados desde linhas de produção em setores industriais até iniciativas em âmbito de produção agrícola. Aplicações em campo buscam fornecer informações espacializadas ao longo do talhão relacionadas à qualidade do produto colhido. Com aplicações avançadas no setor industrial, a espectroscopia no infravermelho próximo (NIR) apresenta-se como a melhor alternativa devido à precisão das medições, realização de análises não destrutivas e rápidas, facilidade de operação, custo reduzido e sustentável. Além disso, a tendência de miniaturização dos equipamentos têm possibilitado maior flexibilidade de aplicações. Sensores NIR tem sido utlizados em iniciativas para identificar a variabilidade espacial da qualidade de uva, grãos e forragens. Entretanto, as aplicações para monitoramento da qualidade da cana-de-açúcar ainda são incipientes. O primeiro estudo deste documento (Capítulo 2) focou na avaliação da variabilidade espacial de atributos de qualidade de cana-de-açúcar em um campo comercial, a partir de amostras coletadas manualmente em campo e processadas para mensuração por espectroscopia NIR sob a forma desfibrada. Além disso, os mapas produzidos foram avaliados comparativamente a mapas produzidos a partir de resultados obtidos por métodos convencionais de análise em laboratório. O segundo estudo (Capítulo 3) buscou avaliar o potenial de predição de parâmetros de qualidade de cana-de-açúcar com espectroscopia NIR em diferentes níveis de preparo de amostra: sem preparo (toletes), com leituras em diferentes secções, cana desfibrada, e caldo cru. Além disso, buscou-se alcançar variabilidade nos modelos de calibração em função da variação climática com coletas realizadas em diferentes períodos ao longo de uma safra. Nessa etapa o experimento foi realizado em um laboratório de qualidade de uma usina, a fim de que análises NIR e convencionais fossem realizadas simultaneamente. Além disso, os modelos de calibração e predição de ambos os estudos foram desenvolvidos por análise multivariada, com regressões por mínimos quadrados parciais (PLSR), e avaliada a importância das bandas espectrais na predição de compostos orgânicos com base no reportado na literatura. O terceiro estudo (Capítulo 4) foi conduzido com um micro espectrômetro NIR embarcado no elevador de uma colhedora de cana-de-açúcar para coleta de informações em tempo real em três áreas de uma lavoura comercial. Para isso, foi construída uma plataforma de mensuração com fontes de iluminação externa. Durante a colheita, foram coletadas amostras diretamente da máquina, após leitura pelo sensor, para calibração e validação dos modelos. Além disso, foram retiradas subamostras de cana desfibrada, a partir das amostras processadas para análise por métodos convencionais, para mensuração em bancada, de forma similar ao realizado no primeiro estudo. Esses espectros foram utilizados para construção de modelos de transferência de calibração para ajuste dos espectros coletados em tempo real na colhedora. Em seguida foram construídos modelos de calibração, validados e utilizados para estimativa de atributos de qualidade de cana- de-açúcar coletados em tempo real. Ao final da colheita, foram coletadas amostras de solo para avaliação de relações de causa e efeito com os dados de qualidade estimados. O método proposto permitiu a construção de modelos variográficos com dependência espacial e a espacialização dos dados de qualidade de cana-de-açúcar obtidos por mensurações com o sensor embarcado. Além disso, as relações de causa e efeito corroboraram com os resultados estimados, ao apresentarem relação entre os parâmetros de qualidade e atributos físicos do solo. Os resultados dessa pesquisa constituem uma nova etapa no direcionamento de pesquisas para viabilizar a obtenção de dados espacializados de qualidade de cana-de-açúcar por meio de sensores embarcados

Use of optical sensors to determine the variable rate nitrogen fertilization in Brachiaria brizantha cv. Xaraés

A compreensão da variabilidade espacial e temporal de um determinado atributo do solo ou das plantas é essencial para atingir as almejadas eficiências produtiva e econômica, por meio da aplicação de técnicas de agricultura de precisão. O Brasil, como um dos líderes mundiais de produção de carne bovina, busca alcançar eficiência e sustentabilidade na atividade. O maior custo de produção dessa atividade é a alimentação do rebanho, composta principalmente por forragem. Entre os macronutrientes necessários à maior produtividade de plantas forrageiras destaca-se o nitrogênio (N), essencial para a síntese de clorofila e, muitas vezes, aplicado de forma ineficiente.O uso de clorofilômetros portáteis e câmeras comunspara realizar diagnósticos nutricionais têm sido foco de estudo em diversas culturas agrícolas, por serem aparelhos de fácil manuseio, baixo custo e principalmente, por poderem fornecer um diagnóstico rápido e preciso do teor de N foliar, possibilitando assim a aplicação de N a taxas variadas. Esse trabalho teve como objetivos avaliar a produtividade de Brachiaria brizantha cv. Xaraés sob adubação à taxa variada utilizando a metodologia do índice de suficiência de nitrogênio (NSI), utilizando o clorofilômetro portátil SPAD-502 para estimar o teor de N foliar e avaliar seu uso para aplicação de adubação à taxa variada em pastagens de Xaraés. Além disso, teve por objetivo avaliar o uso de uma câmera comum para estimar o status de N foliar por meio de diferentes índices de vegetação coloridos (IVC). O trabalho foi desenvolvido no munícipio de Leopoldina-MG em área consolidada com capim Xaraés, onde, a priori, foram avaliados três NSIs (0,85; 0,90 e 0,95) com uso do clorofilômetro. Após isso, avaliou-se a correlação dos resultados obtidos com os IVCs calculados a partir de imagens digitais obtidas com uma câmera comum. A aplicação de adubo nitrogenado a taxa variada obteve mesma produtividade que o manejo convencional com aplicação de doses fixas, resultando em economia no uso do insumo. A economia com uso de uréia chegou a 64% no período seco e 59% no período chuvoso. Além disso, a eficiência de uso de N foi maior para o NSI de 0,85, produzindo, estatisticamente, mesma quantidade de matéria seca que os outros tratamentos, incluindo o tratamento a dose única de N. O uso de câmera convencional no diagnóstico do status de N foliar obteve correlação significativa com as leituras de SPAD para três índices de vegetação, entre os sete testados. Concluiu-se com esse estudo que o manejo de pastagens de Xaraés com aplicação de adubo nitrogenado a taxa variada gera economia e produtividade sustentável. Além disso, o uso de câmeras comuns em substituição ao SPAD mostrou-se eficaz para recomendação de aplicação de adubo nitrogenado, pela metodologia do NSI.Understanding the spatial and temporal variability of a given soil or plant attribute is essential to achieve the desired productive and economic efficiencies through the application of precision agriculture techniques.Brazil, as one of the world leaders in beef production, seeks to achieve efficiency and sustainability in the activity.The highest cost of production of this activity is the feeding of the herd, composed mainly by forage.Among the macronutrients required for higher productivity of forage plants, nitrogen (N), essential for the synthesis of chlorophyll and often inefficiently applied, stands out.The use of portable chlorophyllometers and common cameras to perform nutritional diagnoses have been the focus of study in several agricultural crops, because they are easy to handle, low cost and mainly because they can provide a fast and accurate diagnosis of foliar N content, allowing the variable rate N fertilization. The objective of this study was to evaluate the productivity of Brachiaria brizantha cv. Xaraés fertilization at a variable rate using the methodology of the nitrogen sufficiency index (NSI), using the portable chlorophyllometer SPAD-502 to estimate the leaf N content and to evaluate its use for fertilizer application at a varied rate in Xaraés pastures.In addition, it aimed to evaluate the use of a common camera to estimate the status of N foliar by means of different color vegetation indices (IVC). The work was carried out in the municipality of Leopoldina-MG in a consolidated area with Xaraés grass, where three NSIs (0.85, 0.90 and 0.95) were evaluated a priori using chlorophyll meter.After that, we evaluated the correlation of the results obtained with the IVCs calculated from the digital images obtained with a common camera.The application of nitrogen fertilizer at varied rates obtained the same productivity as the conventional management with fixed dose application, resulting in savings in the use of the input.The economy with the use of urea reached 64% in the dry period and 59% in the rainy season.In addition, the efficiency of N use was higher for the NSI of 0.85, producing, statistically, the same amount of dry matter as the other treatments, including the single dose treatment of N.The use of conventional camera in the diagnosis of N foliar status obtained a significant correlation with the SPAD readings for three vegetation indices among the seven viii tested.In addition, the use of common cameras in place of the SPAD proved to be effective for the application of nitrogen fertilizer, according to the NSI methodology.Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológic

Is It Possible to Measure the Quality of Sugarcane in Real-Time during Harvesting Using Onboard NIR Spectroscopy?

In-field quality prediction in agricultural products is mainly based on near-infrared spectroscopy (NIR). However, initiatives applied to sugarcane quality are only observed under laboratory-controlled conditions. This study proposed a framework for NIR spectroscopy sensing to measure sugarcane quality during a real harvest operation. A platform was built to support the system composed of the NIR sensor and external lighting on the elevator of a sugarcane harvester. Real-time data were acquired in commercial fields. Georeferenced samples were collected for calibration, validation, and adjustment of the multivariate models by partial least squares (PLS) regression. In addition, subsamples of defibrated cane were NIR-acquired for the development of calibration transfer models by piecewise direct standardization (PDS). The method allowed the adjustment of the spectra collected in real time to predict the quality properties of soluble solids content (Brix), apparent sucrose in juice (Pol), fiber, cane Pol, and total recoverable sugar (TRS). The results of the relative mean square error of prediction (RRMSEP) were from 1.80 to 2.14%, and the ratio of interquartile performance (RPIQ) was from 1.79 to 2.46. The PLS-PDS models were applied to data acquired in real-time, allowing estimation of quality properties and identification of the existence of spatial variability in quality. The results showed that it is possible to monitor the spatial variability of quality properties in sugarcane in the field. Future studies with a broader range of quality attribute values and the evaluation of different configurations for sensing devices, calibration methods, and data processing are needed. The findings of this research will enable a valuable spatial information layer for the sugarcane industry, whether for agronomic decision-making, industrial operational planning, or financial management between sugar mills and suppliers

Definition of Optimal Maize Seeding Rates Based on the Potential Yield of Management Zones

The decision on crop population density should be a function of biotic and abiotic field parameters and optimize the site-specific yield potential, which can be a real challenge for farmers. The objective of this study was to investigate the yield of maize hybrids subjected to variable rate seeding (VRS) and in differentiated management zones (MZs). The experiment was conducted between 2013 and 2015 in a commercial field in the Central-West region of Brazil. First, MZ were delineated using the K-means algorithm with layers involving soil electrical conductivity, yield maps from previous years, and elevation. Seven maize hybrids at five seeding rates were evaluated in the context of each MZ and the cause-and-effect relationship with soil attributes was investigated. Optimal yields were obtained for crop population densities between 70,000 plants ha−1 and 80,000 plants ha−1. Hybrids which perform well under higher densities are key in achieving positive results using VRS. The plant population densities that resulted in maximum yields were obtained for densities at least 27% higher than the recommended seeding rates. The yield variance between MZs can be explained by the variance in soil attributes, while the yield variance within MZs can be explained by the variance in plant population densities. The study shows that on-farm experimentation can be key for obtaining information concerning yield potential. The management by VRS in different MZs is a low-cost technique that can reduce input application costs and optimize yield according to the site-specific potential of the field

As microalgas como alternativa à produção de biocombustíveis

As microalgas podem ser usadas para capturar e aproveitar o CO2 emitido por usinas termoelétricas ou por outras fontes. A mitigação das emissões dos gases do efeito estufa (GEE) resulta da conversão da biomassa colhida das microalgas em biocombustíveis renováveis, tais como o biodiesel, bioetanol, biogás e outros produtos de substituição dos combustíveis fósseis. As microalgas são usualmente cultivadas em grandes tanques com agitação promovida por pás rotativas ou em equipamentos tecnicamente projetados, os fotobiorreatores. Seu crescimento ocorre em suspensão na água quando são fornecidos todos os nutrientes necessários e, numa velocidade maior, quando há o fornecimento adequado de CO2. Comparadas a outras opções biológicas para a captura e a utilização do CO2, as culturas de microalgas têm como principais vantagens: potencial para alta produtividade, habilidade para capturar nutrientes das águas residuárias, das fontes de água salgada, alem de ter elevada eficiência no uso da água. As microalgas são uma atrativa alternativa às oleaginosas como soja, e palmáceas. Isso por causa da sua elevada densidade de lipídios, convertendo em maior produtividade de óleo por hectare. As microalgas podem ser cultivadas em uma instalação industrial, requerendo área muito menor, não exigindo fertilidade de solo. Diante do exposto, esta revisão tem por objetivo apresentar algumas atualizações sobre o potencial do cultivo de microalgas para a produção dos biocombustíveis.The microalgae can be used to capture and utilize CO 2 emitted by thermoelectric power plants or other sources. Mitigation of emissions of greenhouse effect gases results from converting biomass harvested from microalgae into renewable energy source such as biodiesel, bioethanol, biogas and other substitutes for fossil fuels. The microalgae are usually cultivated in large tanks with agitation produced by rotating blades or technically projected photobioreactors. Algae multiply suspended in water when supplied with the necessary nutrients and the multiplication rate increases on supply of additional CO 2 . Compared to other biological options to capture and use CO 2 , microalgae cultivation has advantages of high productivity potential, ability to capture nutrients from wastewater, waste utilization, sources of salt water and high efficiency in water use. Microalgae are an attractive alternative to oilseeds such as soybeans and palms, because of high lipid content leading to higher oil output per hectare. The microalgae can be cultivated in industrial areas, require much less space and low soil fertility. This review aims to present some updates about the potential of cultivating microalgae for biofuel production

As microalgas como alternativa à produção de biocombustíveis

As microalgas podem ser usadas para capturar e aproveitar o CO2 emitido por usinas termoelétricas ou por outras fontes. A mitigação das emissões dos gases do efeito estufa (GEE) resulta da conversão da biomassa colhida das microalgas em biocombustíveis renováveis, tais como o biodiesel, bioetanol, biogás e outros produtos de substituição dos combustíveis fósseis. As microalgas são usualmente cultivadas em grandes tanques com agitação promovida por pás rotativas ou em equipamentos tecnicamente projetados, os fotobiorreatores. Seu crescimento ocorre em suspensão na água quando são fornecidos todos os nutrientes necessários e, numa velocidade maior, quando há o fornecimento adequado de CO2. Comparadas a outras opções biológicas para a captura e a utilização do CO2, as culturas de microalgas têm como principais vantagens: potencial para alta produtividade, habilidade para capturar nutrientes das águas residuárias, das fontes de água salgada, alem de ter elevada eficiência no uso da água. As microalgas são uma atrativa alternativa às oleaginosas como soja, e palmáceas. Isso por causa da sua elevada densidade de lipídios, convertendo em maior produtividade de óleo por hectare. As microalgas podem ser cultivadas em uma instalação industrial, requerendo área muito menor, não exigindo fertilidade de solo. Diante do exposto, esta revisão tem por objetivo apresentar algumas atualizações sobre o potencial do cultivo de microalgas para a produção dos biocombustíveis.The microalgae can be used to capture and utilize CO 2 emitted by thermoelectric power plants or other sources. Mitigation of emissions of greenhouse effect gases results from converting biomass harvested from microalgae into renewable energy source such as biodiesel, bioethanol, biogas and other substitutes for fossil fuels. The microalgae are usually cultivated in large tanks with agitation produced by rotating blades or technically projected photobioreactors. Algae multiply suspended in water when supplied with the necessary nutrients and the multiplication rate increases on supply of additional CO 2 . Compared to other biological options to capture and use CO 2 , microalgae cultivation has advantages of high productivity potential, ability to capture nutrients from wastewater, waste utilization, sources of salt water and high efficiency in water use. Microalgae are an attractive alternative to oilseeds such as soybeans and palms, because of high lipid content leading to higher oil output per hectare. The microalgae can be cultivated in industrial areas, require much less space and low soil fertility. This review aims to present some updates about the potential of cultivating microalgae for biofuel production

LOCAÇÃO DE CORREDORES ECOLÓGICOS E ÁREA DE PRESERVAÇÃO PERMANENTE NA UNIVERSIDADE FEDERAL DE VIÇOSA

A Zona da Mata Mineira foi alvo do intenso cultivo de café, contribuindo para redução, e consequente fragmentação, da Mata Atlântica na Região. A Universidade Federal de Viçosa (UFV) possui, em seu Campus sede situado na cidade de Viçosa/MG, fragmentos de vegetação de Mata Atlântica, que são importantes para a manutenção da flora e fauna locais. Sendo assim o presente trabalho teve como objetivo, num primeiro momento, propor adequações para as áreas de vegetação permanente, e, posteriormente, indicar corredores ecológicos interligando os fragmentos de vegetação de modo a garantir o fluxo gênico entre os remanescentes florestais dentro do Campus. Para isso foi utilizada uma imagem Ikonos do ano de 2007 do campus da universidade e por meio dela mapeou-se a hidrografia e também foi feita a classificação do uso do solo adotando como critério a interpretação visual. Em seguida, procedeu-se com a delimitação das áreas de preservação permanente de acordo com os critérios do Novo Código Florestal Brasileiro (Lei 12.651/2012). Como resultado, obteve-se a necessidade de se recuperar 54,68 ha de Áreas de Preservação Permanente (APP) para adequá-la a legislação vigente, assim como a criação de 9,58 ha de corredores ecológicos para a ligação entre os remanescentes florestais.Palavras-chave: área de preservação permanente, uso e ocupação do solo, Mata Atlântica. INDICATING OF ECOLOGICAL CORRIDORS AND PERMANENT PRESERVATION AREA IN THE FEDERAL UNIVERSITY OF VIÇOSA ABSTRACTThe Atlantic Forest of Minas Gerais was specially reached by coffee agriculture that caused reduction and fragmentation of the forest. The main campus of Federal University of Viçosa, has Atlantic Forest fragmentation that is very important for flora and fauna conservation. This paper had the objective to propose adequation for permanent vegetation areas and indicate ecological corridors location linking the vegetation fragments to ensure the gene flow of forest species in the university Campus. It was utilized an IKONOS image corresponding to 2007 which was used to map the hydrography and to classify the soil use by visual interpretation. The permanent vegetation areas was delimitating according New Brazilian Forest Code (Law 12.651/2012). As result, is necessary to recover 54,68 ha of permanent conservation areas (APP), for legal regularization, and to create 9,58 ha of ecological corridors to link fragment vegetation.Keywords: permanent preservation area, land use, Atlantic Forest. DOI: http://dx.doi.org/10.14583/2318-7670.v04n06a1

Análise de tendência em séries históricas de vazão e precipitação: uso de teste estatístico não paramétrico

A detecção de tendência em séries de vazão e precipitação apresenta expressiva importância para a gestão de recursos hídricos e ela pode ser feita por meio de testes estatísticos não paramétricos. O objetivo do trabalho foi avaliar a significância das tendências em série temporais de vazões e precipitações mensal e anual, por meio do teste de Pettitt. Foram utilizadas séries históricas de precipitações e vazões correspondentes ao período de 1939 a 2005, registradas nas estações 02041003 e 57450000, pertencentes à rede hidrometeorológica da Agência Nacional de Águas (ANA), localizadas no município de Alegre-ES. Foi possível identificar, com o teste de Pettitt, mudança de tendência na vazão média mensal do mês de outubro a partir do ano 1963. A vazão média deste mês aumentou 34,2% a partir do ano 1963. Já a série de precipitações apresentou tendência positiva nos meses de agosto e setembro a partir dos anos 1967 e 1964, respectivamente. O aumento da vazão média do mês de outubro pode ser consequência do aumento da precipitação nos meses de agosto e setembro, havendo a necessidade de estudos adicionais que levem em consideração a influência de fatores climáticos e antrópicos neste componente do ciclo hidrológico. Após a análise dos resultados obtidos concluiu-se que o teste de Pettit apresentou desempenho satisfatório para a detecção de tendências nas séries históricas de vazões e de precipitações