Sugarcane yield estimates using time series analysis of spot vegetation images

The current system used in Brazil for sugarcane (Saccharum officinarum L.) crop forecasting relies mainly on subjective information provided by sugar mill technicians and on information about demands of raw agricultural products from industry. This study evaluated the feasibility to estimate the yield at municipality level in São Paulo State, Brazil, using 10-day periods of SPOT Vegetation NDVI images and ECMWF meteorological data. Twenty municipalities and seven cropping seasons were selected between 1999 and 2006. The plant development cycle was divided into four phases, according to the sugarcane physiology, obtaining spectral and meteorological attributes for each phase. The most important attributes were selected and the average yield was classified according to a decision tree. Values obtained from the NDVI time profile from December to January next year enabled to classify yields into three classes: below average, average and above average. The results were more effective for 'average' and 'above average' classes, with 86.5 and 66.7% accuracy respectively. Monitoring sugarcane planted areas using SPOT Vegetation images allowed previous analysis and predictions on the average municipal yield trend.O atual sistema de previsão de safras para a cultura da cana-de-açúcar (Saccharum officinarum L.) usado no Brasil depende, em boa parte, de informações subjetivas, baseadas no conhecimento de técnicos do setor sucroalcooleiro e em informações sobre demanda de insumos na cadeia produtiva. Avaliou-se o uso de imagens decendiais de NDVI do sensor SPOT Vegetation e variáveis meteorológicas do modelo do ECMWF para inferir sobre os dados de produtividade oficiais registrados em municípios e safras previamente selecionados. Foram selecionados 20 municípios e sete safras compreendidas entre o período de 1999 e 2006. O ciclo de desenvolvimento da cultura foi dividido em quatro fases, de acordo com a fisiologia, gerando para cada fase atributos espectrais e meteorológicos. Foram selecionados os atributos mais relevantes para a classificação da produtividade média municipal e, por meio de árvore de decisão, a produtividade média municipal foi classificada. Valores extraídos do perfil temporal do NDVI entre os meses de dezembro e janeiro permitiram classificar a produtividade em três classes: abaixo da média, média e acima da média. Os resultados foram mais efetivos para as classes "média" e "acima da média", com acertos de 86,5 e 66,7%, respectivamente. O monitoramento de áreas canavieiras do estado de São Paulo por meio de imagens SPOT Vegetation permitiu inferir sobre a tendência da produtividade média municipal previamente

Variáveis espectrais e indicadores de desenvolvimento e produtividade da cana-de-açúcar

Spectral information is well related with agronomic variables and can be used in crop monitoring and yield forecasting. This paper describes a multitemporal research with the sugarcane variety SP80-1842, studying its spectral behavior using field spectroscopy and its relationship with agronomic parameters such as leaf area index (LAI), number of stalks per meter (NPM), yield (TSS) and total biomass (BMT). A commercial sugarcane field in Araras/SP/Brazil was monitored for two seasons. Radiometric data and agronomic characterization were gathered in 9 field campaigns. Spectral vegetation indices had similar patterns in both seasons and adjusted to agronomic parameters. Band 4 (B4), Simple Ratio (SR), Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), and Soil Adjusted Vegetation Index (SAVI) increased their values until the end of the vegetative stage, around 240 days after harvest (DAC). After that stage, B4 reflectance and NDVI values began to stabilize and decrease because the crop reached ripening and senescence stages. Band 3 (B3) and RVI presented decreased values since the beginning of the cycle, followed by a stabilization stage. Later these values had a slight increase caused by the lower amount of green vegetation. Spectral variables B3, RVI, NDVI, and SAVI were highly correlated (above 0.79) with LAI, TSS, and BMT, and about 0.50 with NPM. The best regression models were verified for RVI, LAI, and NPM, which explained 0.97 of TSS variation and 0.99 of BMT variation.A informação espectral tem boa relação com variáveis agronômicas e pode contribuir com informações para o monitoramento, acompanhamento e previsão de safras. O presente trabalho descreve a análise multitemporal do comportamento espectral da variedade de cana-de-açúcar SP80-1842 e a relação com variáveis agronômicas como índice de área foliar (IAF), número de perfilhos por metro (NPM), produtividade (TCH) e biomassa total (BMT). Nas safras 2000/2001 e 2001/2002, um talhão comercial, localizada no município de Araras/SP foi monitorado em nove campanhas de coleta de dados radiométricos e agronômicos. O comportamento temporal das variáveis espectrais acompanhou o comportamento das variáveis agronômicas. A banda 4 (B4), o índice de vegetação da razão simples (SR), o índice de vegetação por diferença normalizada (NDVI) e o índice de vegetação ajustado ao solo (SAVI) aumentaram seus valores até o fim da fase de crescimento vegetativo, aproximadamente até os 240 dias após o corte, a partir do qual os valores se estabilizaram e diminuíram em função da entrada da cultura na fase de maturação. A banda 3 (B3) e o índice de vegetação da razão (RVI) tiveram queda em seus valores desde o início do ciclo, com posterior estabilização e aumento em seus valores devido ao aumento da quantidade de palha e da queda da biomassa foliar. As variáveis espectrais B3, RVI, NDVI e SAVI tiveram correlações maiores que 0,79 com as variáveis IAF e BMT e de aproximadamente 0,50 com o NPM. Os melhores modelos de regressão linear múltipla foram os com RVI, IAF e NPM e explicaram 0,97 da variação da TCH e 0,99 da BMT

Indicadores de crescimento e produtividade da cana-de-açúcar

O conhecimento do desenvolvimento temporal de variáveis agronômicas da cultura da cana-de-açúcar é um aspecto preponderante, e ainda pouco explorado, para o desenvolvimento de modelos de entendimento e predição da produção em estudos de sensoriamento remoto. O presente descreve a análise da evolução temporal de variáveis agronômicas da cana-de-açúcar como a biomassa total (BMT), produtividade (TCH), índice de área foliar (IAF) e número de plantas por metro (NPM). Durante duas safras um talhão comercial em Araras/SP cultivado com a variedade SP80-1842 no 4º e 5º cortes foi acompanhado em oito campanhas de campo para a coleta de dados. O IAF, o NPM, a TCH e a BMT foram coletados em 18 amostras de 2 m em três linhas de cana-de-açúcar. Análise de regressão linear e múltipla foram usadas para a análise do crescimento da cultura e para o estudo da correlação e ajuste de modelos entre as variáveis agronômicas e a BMT e a TCH. O modelo Gompertz, de curva sigmoidal, foi o modelo que melhor se ajustou para a curva de BMT e para a TCH com r² = 0,8987 e r² = 0,9682, respectivamente. A BMT e o IAF tiveram melhores ajustes com curvas exponencial cúbica e exponencial quadrática, respectivamente. A BMT e a TCH foram bem relacionadas com o IAF nas duas primeiras fases do ciclo, ajustando-se regressões lineares. Para a fase de maturação, a BMT e a TCH foram mais relacionadas com o NPM que com o IAF e as curvas obtiveram valores menores de que r² que as demais fases do ciclo.A knowledge about the temporal development of agronomic variables in sugarcane is a very important aspect for the development of crop yield prediction models using remote sensing, and further studies are still needed. This paper describes the temporal evolution of sugarcane biophysical parameters, such as total biomass, leaf area index, number of plants per meter, and productivity. During two seasons, a commercial field in Araras/SP, planted with variety SP80-1842, on the 4th and 5th cuts, was monitored on eight different dates, and data were obtained for 2 m of sugarcane in three crop rows at 18 sampling points. Linear and multiple regression analyses were used to study growth analysis and to correlate agronomic variables (leaf area index and number of plants per meter) with biomass and productivity. Gompertz model, a sigmoidal curve, was the best adjustment curve for total biomass and yield in relation to days after cutting (r² = 0.8987 and r² = 0.9682, respectively); number of plants and leaf area index showed best fit with a cubic exponential model and a quadratic exponential model, respectively. Total biomass and cane productivity were well correlated with LAI in the first two stages of the sugarcane cycle using linear regression. At the end of the cycle, total biomass and cane productivity were more related to number of plants, and lower r² values than in other stages were obtained by the models

Variáveis espectrais orbitais, indicadoras de desenvolvimento e produtividade da cana-de-açúcar

Dados de satélites são tradicionalmente utilizados em monitoramento de culturas. O presente trabalho busca contribuir no entendimento da evolução temporal de indicadores de crescimento da cana-de-açúcar como a biomassa total (BMT), produtividade (TSS), índice de área foliar (LAI) e número de plantas por metro (NPM) por meio de dados orbitais dos satélites Landsat 5 e 7, e verificar o seu potencial para o monitoramento desta. Durante as safras 2000 e 2001, uma área comercial em Araras, SP, cultivada com a variedade SP80-1842 no 4º e 5º cortes, foi acompanhada por imagens, buscando-se correlacionar dados espectrais com dados agronômicos. Os dados espectrais foram coletados de duas formas: uma com janelas de quatro pixels e outra com dados médios do talhão (DMt). Regressão linear e múltipla foram usadas para a análise temporal das bandas 3 e 4 e de índices de vegetação. As correlações e ajuste de modelos entre os dados espectrais orbitais e as variáveis agronômicas não apresentaram diferenças estatísticas. Os modelos quadráticos e cúbicos melhor descreveram o desenvolvimento temporal das variáveis espectrais, em função dos dias após o corte e apresentaram significância com os índices de vegetação da razão e por diferença normalizada (NDVI). As correlações entre os dados espectrais médios do talhão e as variáveis agronômicas foram significativas para banda3 e LAI, e entre NDVI e TSS/BMT. Os dados médios do talhão (DMt), para primeira safra (1ªS), para a segunda safra (2ªS) e ambas juntas geraram regressões múltiplas, com coeficientes determinação (r²) variando de 0,68 a 0,97 para a TSS e a BMT, mostrando que os dados espectrais orbitais estudados podem ser empregados no monitoramento da cultura da cana-de-açúcar.Temporal analysis of crop development in commercial fields requires tools for large area monitoring, such as remote sensing. This paper describes the temporal evolution of sugar cane biophysical parameters such as total biomass (BMT), yield (TSS), leaf area index (LAI), and number of plants per linear meter (NPM) correlated to Landsat data. During the 2000 and 2001 cropping seasons, a commercial sugarcane field in Araras, São Paulo state, Brazil, planted with the SP80-1842 sugarcane variety in the 4th and 5th cuts, was monitored using nine Landsat images. Spectral data were correlated with agronomic data, obtained simultaneously to the imagery acquisition. Two methodologies were used to collect spectral data from the images: four pixels (2 × 2) window and average of total pixels in the field. Linear and multiple regression analysis was used to study the spectral behavior of the plants and to correlate with agronomic variables (days after harvest-DAC, LAI, NPM, BMT and TSS). No difference was observed between the methodologies to collect spectral data. The best models to describe the spectral crop development in relation to DAC were the quadratic and cubic models. Ratio vegetation index and normalized difference vegetation index demonstrated correlation with DAC, band 3 (B3) was correlated with LAI, and NDVI was well correlated with TSS and BMT. The best fit curves to estimate TSS and BMT presented r² between 0.68 and 0.97, suggesting good potential in using orbital spectral data to monitor sugarcane fields

Indicadores de crescimento e produtividade da cana-de-açúcar

A knowledge about the temporal development of agronomic variables in sugarcane is a very important aspect for the development of crop yield prediction models using remote sensing, and further studies are still needed. This paper describes the temporal evolution of sugarcane biophysical parameters, such as total biomass, leaf area index, number of plants per meter, and productivity. During two seasons, a commercial field in Araras/SP, planted with variety SP80-1842, on the 4th and 5th cuts, was monitored on eight different dates, and data were obtained for 2 m of sugarcane in three crop rows at 18 sampling points. Linear and multiple regression analyses were used to study growth analysis and to correlate agronomic variables (leaf area index and number of plants per meter) with biomass and productivity. Gompertz model, a sigmoidal curve, was the best adjustment curve for total biomass and yield in relation to days after cutting (r² = 0.8987 and r² = 0.9682, respectively); number of plants and leaf area index showed best fit with a cubic exponential model and a quadratic exponential model, respectively. Total biomass and cane productivity were well correlated with LAI in the first two stages of the sugarcane cycle using linear regression. At the end of the cycle, total biomass and cane productivity were more related to number of plants, and lower r² values than in other stages were obtained by the models.O conhecimento do desenvolvimento temporal de variáveis agronômicas da cultura da cana-de-açúcar é um aspecto preponderante, e ainda pouco explorado, para o desenvolvimento de modelos de entendimento e predição da produção em estudos de sensoriamento remoto. O presente descreve a análise da evolução temporal de variáveis agronômicas da cana-de-açúcar como a biomassa total (BMT), produtividade (TCH), índice de área foliar (IAF) e número de plantas por metro (NPM). Durante duas safras um talhão comercial em Araras/SP cultivado com a variedade SP80-1842 no 4º e 5º cortes foi acompanhado em oito campanhas de campo para a coleta de dados. O IAF, o NPM, a TCH e a BMT foram coletados em 18 amostras de 2 m em três linhas de cana-de-açúcar. Análise de regressão linear e múltipla foram usadas para a análise do crescimento da cultura e para o estudo da correlação e ajuste de modelos entre as variáveis agronômicas e a BMT e a TCH. O modelo Gompertz, de curva sigmoidal, foi o modelo que melhor se ajustou para a curva de BMT e para a TCH com r² = 0,8987 e r² = 0,9682, respectivamente. A BMT e o IAF tiveram melhores ajustes com curvas exponencial cúbica e exponencial quadrática, respectivamente. A BMT e a TCH foram bem relacionadas com o IAF nas duas primeiras fases do ciclo, ajustando-se regressões lineares. Para a fase de maturação, a BMT e a TCH foram mais relacionadas com o NPM que com o IAF e as curvas obtiveram valores menores de que r² que as demais fases do ciclo.2330Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP

Representation of harmonic cycles of Modis time series for the analysis of sugarcane cultivation

The objective of this work was to evaluate sugarcane cultivation, in a harmonic analysis applied to a time series of Modis vegetation indices, with the representation of harmonic terms. Daily rainfall data were obtained from Agritempo for the state of São Paulo, Brazil, and accumulated for a period of 16 days of Modis compositions, from the 2004/2005 to 2011/2012 crop seasons. The normalized difference vegetation index (NDVI) and the enhanced vegetation index (EVI) were used in time-series decomposed in harmonic terms by the harmonic analysis. In order to visualize the growing conditions of vegetation in agricultural areas, specially the phase information, the HLS transformation was applied to the harmonic terms obtained by the Hants algorithm, using Envi software. Sugarcane cultivation in the state of São Paulo shows spatial patterns that are coherent with the sugarcane development cycle and consistent with the variability of seasonal rainfall that directly affect the maximum period of vegetation indices. The peak growth stage of sugarcane occurs in years of normal rainfall; however, in years with below normal rainfall, sugarcane maturation phase is anticipated, and, in years with above normal rainfall, the growth phase is anticipated, which causes maturation delay

Estimation of summer crop areas in the state of Paraná, Brazil, using multitemporal EVI/Modis images

The objective of this work was to estimate and map crop areas with soybean and corn in the state of Paraná, Brazil, using EVI/Modis images. The crop seasons from 2004/2005 to 2007/2008 were evaluated. Due to the high temporal dynamics and difference in sowing dates of the cultures within the state, scenes containing the pre‑planting and initial crop development phases were used to obtain the minimum EVI image (IMIE), and scenes at the peak of the crop cycle were used to obtain the maximum EVI image (IMAE). These images were used to generate the RGB color composition (R, IMAE; GB, IMIE), which allowed for the creation of masks of the areas planted with soybean and corn. The estimation of masked areas by municipality was compared with the municipal agricultural production official data, and good fits (R²>0.84, d>0.95, c>0.85) were observed between data. For spatial accuracy assessment, Landsat‑5/TM and AWiFS/IRS images were used as references to build the error matrix. The obtained results indicate that the proposed methodology is highly efficient and may be used as a model for cropland mapping.O objetivo deste trabalho foi estimar e mapear as áreas com as culturas de soja e milho, no Paraná, com uso de imagens multitemporais EVI/Modis. Foram avaliados os anos‑safra de 2004/2005 a 2007/2008. Em razão da alta dinâmica temporal e da heterogeneidade de datas de semeadura das culturas no estado, foram utilizadas cenas que contemplavam as fases de pré‑plantio e de desenvolvimento inicial das culturas, para gerar a imagem de mínimo EVI (IMIE), e cenas que consideravam o pico vegetativo das culturas, para gerar a imagem de máximo EVI (IMAE). Estas imagens foram utilizadas para gerar a composição colorida RGB (R, IMAE; GB, IMIE), o que permitiu a confecção de máscara das áreas com soja e milho. As estimativas das áreas de máscara por município foram comparadas com dados oficiais de produção agrícola municipal, tendo-se observado bons ajustes (R²>0,84, d>0,95, c>0,85) entre os dados. Para a avaliação da exatidão espacial das máscaras, imagens Landsat‑5/TM e AWiFS/IRS foram usadas como referência para construção da matriz de erros. Os resultados obtidos são indicativos de que a metodologia proposta é altamente eficiente e pode ser utilizada para mapeamento dessas culturas.1295130

Estimation of summer crop areas in the state of Paraná, Brazil, using multitemporal EVI/Modis images

O objetivo deste trabalho foi estimar e mapear as áreas com as culturas de soja e milho, no Paraná, com uso de imagens multitemporais EVI/Modis. Foram avaliados os anos‑safra de 2004/2005 a 2007/2008. Em razão da alta dinâmica temporal e da heterogeneidade de datas de semeadura das culturas no estado, foram utilizadas cenas que contemplavam as fases de pré‑plantio e de desenvolvimento inicial das culturas, para gerar a imagem de mínimo EVI (IMIE), e cenas que consideravam o pico vegetativo das culturas, para gerar a imagem de máximo EVI (IMAE). Estas imagens foram utilizadas para gerar a composição colorida RGB (R, IMAE; GB, IMIE), o que permitiu a confecção de máscara das áreas com soja e milho. As estimativas das áreas de máscara por município foram comparadas com dados oficiais de produção agrícola municipal, tendo-se observado bons ajustes (R²>0,84, d>0,95, c>0,85) entre os dados. Para a avaliação da exatidão espacial das máscaras, imagens Landsat‑5/TM e AWiFS/IRS foram usadas como referência para construção da matriz de erros. Os resultados obtidos são indicativos de que a metodologia proposta é altamente eficiente e pode ser utilizada para mapeamento dessas culturas.The objective of this work was to estimate and map crop areas with soybean and corn in the state of Paraná, Brazil, using EVI/Modis images. The crop seasons from 2004/2005 to 2007/2008 were evaluated. Due to the high temporal dynamics and difference in sowing dates of the cultures within the state, scenes containing the pre‑planting and initial crop development phases were used to obtain the minimum EVI image (IMIE), and scenes at the peak of the crop cycle were used to obtain the maximum EVI image (IMAE). These images were used to generate the RGB color composition (R, IMAE; GB, IMIE), which allowed for the creation of masks of the areas planted with soybean and corn. The estimation of masked areas by municipality was compared with the municipal agricultural production official data, and good fits (R²>0.84, d>0.95, c>0.85) were observed between data. For spatial accuracy assessment, Landsat‑5/TM and AWiFS/IRS images were used as references to build the error matrix. The obtained results indicate that the proposed methodology is highly efficient and may be used as a model for cropland mapping

SUPERVISED CLASSIFICATION APPLIED TO VEGETATION MAPPING IN THE BARÃO DE MELGAÇO MUNICIPALITY (MATO GROSSO STATE, BRAZIL), USING MODIS IMAGERY

The use of remote sensing images and geoprocessing techniques has contributed to a fast and effective monitoring of the Pantanal region. Barão de Melgaço municipality, in Mato Grosso State, has 99.2% of its land area inserted in this biome, with flooding dynamics which result in rapid changes in vegetation cover. Accordingly, this study aimed to map the vegetation of this municipality, in both dry and rainy seasons, using supervised classification (Parallelepiped and SVM) of images from MODIS sensor. The classifications were applied, for each date, both on composite R(MIR) G(NIR) B(RED) and on composite with the fraction images R(wet soil) G(vegetation) B(water) for the rainy season, and R(dry soil) G(vegetation) B(water) for the dry season. The fraction images were derived from a Linear Spectral Mixture Model. A total of eight maps were created and evaluated using an error matrix. The best result for each season was the Parallelepiped classifier applied to the composition with the original bands from MODIS. These results were compared with the map of phyto-ecological regions of Barão de Melgaço. They allowed concluding that the presence of soil in Savanna Woodland and in Tree and/or Shrub Savanna prevented the classification of these vegetation types in the images of the dry seaso

Mapping and discrimination of soya bean and corn crops using spectro-temporal profiles of vegetation indices

The use of remote-sensing technology has been studied as a way to make the monitoring of agricultural crops more efficient, dynamic, and reliable. The use of data from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) has proved to be an interesting tool regarding the mapping of large areas, however, some challenges still need to be addressed. One of these is the identification of specific types of crops, especially when they have similar phenologies. The purpose of this study was to perform discrimination and mapping of soya bean and corn crops in the state of Parana, Brazil, for the 2010/2011 and 2011/2012 crop years. A methodology using spectro-temporal profile information of the crops derived from vegetation indices (VIs), the normalized difference vegetation index (NDVI), enhanced vegetation index (EVI), and the wide dynamic range vegetation index (WDRVI) based on MODIS data was appraised. This method generated a series of maps of the respective crops that were later qualitatively or quantitatively appraised. Some of the maps drawn showed a global accuracy rate above 80% and a kappa coefficient (kappa) of over 0.7. The data areas showed an average difference of 6% for the cultivation of soya beans, and 11% for corn when compared to official data. The WDRVI and EVI were similar and showed better performance when compared to the NDVI in the assessments made. The results demonstrate that the soya bean crop was better mapped compared to corn, particularly in terms of the size of the crop area. The use of spectro-temporal profiles of the VIs assisted in obtaining important information, enabling better identification of crops from regional scale mapping using the MODIS data36718091824CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO - CNPQCOORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DE PESSOAL DE NÍVEL SUPERIOR - CAPE