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dc.creatorFaria, Alvaro José Gomes de-
dc.date.accessioned2022-07-06T17:37:12Z-
dc.date.available2022-07-06T17:37:12Z-
dc.date.issued2022-07-06-
dc.date.submitted2022-05-20-
dc.identifier.citationFARIA, A. J. G. de. Prediction of soil agronomic and geochemical attributes: comparison of the performance of spectral ranges from proximal sensors. 2022. 59 p. Tese (Doutorado em Ciência do Solo) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2022.pt_BR
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufla.br/jspui/handle/1/50482-
dc.description.abstractSoil characterization provides a solid support for decision-making related to geochemical mapping, environmental monitoring, and food production. For that, quick, environmentally friendly, non-invasive, cost-effective, and reliable methods for soil chemical properties assessment are desirable. As such, this dissertation used proximal sensors like portable X-ray fluorescence (pXRF) spectrometry and Nix ProTM color sensor data to accurately predict soil properties in Brazil. The objectives were to: i) predict soil fertility properties in Brazilian Coastal Plains biome; ii) predict soil organic matter content via proximal sensors (pXRF and Nix ProTM); iii) predict elementary soil contents via USEPA 3051a through elementary data delivered by pXRF, evaluating samples preparation methods (field, post-field, air-dried fine earth, macerated, and macerated and sieved) and linear and non-linear regression methods. Four regression models - simple linear regression (SLR), stepwise multiple linear regressions (SMLR), support vector machine (SVM) with Linear Kernel and random forest (RF) - were tested for prediction of different soil agronomic attributes and assessment geochemical. The soil samples were collected in both surface and subsurface horizons in profiles of different soil classes, under several land uses, management practices, sampling sites, and with varying parent materials. Prediction models were built for surface, and subsurface horizons separately and combined for the following soil agronomic properties: pH (H2O), sum of bases (SB); cation exchange capacity at pH 7.0 (CEC), and base saturation (BS) (first chapter). For soil organic matter (SOM) (second chapter) and 28 elements (third and fourth chapters) samples from surface and subsurface horizons were combined for building the prediction models. Samples were scanned with the Nix ProTM in the laboratory under both dry and moist conditions, while with pXRF only in dry condition also in laboratory. Samples were randomly separated into 70% for training and 30% for testing the prediction models. The performance of the prediction models was evaluated by the metrics: R2, root mean square error (RMSE), normalized RMSE (NRMSE), mean absolute error (MAE), and residual prediction deviation (RPD). For soil agronomic properties, the results showed that SB was predicted with high accuracy (R2 = 0.82, RMSE = 1.02 cmolc dm–3, MAE = 1.17 and RPD = 2.3) using SVM models via pXRF data. Conversely, SOM was predicted with high accuracy using combined data from pXRF and Nix Pro™ (in moist soil samples) (R2 = 0.73, RMSE = 1.09% and RPD = 2.00) via RF models. Prediction of elemental contents commonly determined by the USEPA 3051a method via pXRF data after scanning samples treated as air-dried fine earth (<2 mm) is indicated. Since, it can provide better predictions compared to other sample preparation procedures indicated above. Machine learning algorithms (SVM and RF) performed better than SLR and SMLR for the prediction of Al, Ca, Cr, Cu, Fe, Mn, Pb, Sr, Ti, V, Zn, Zr, Ba, Bi, Cd, Ce, Co, Mg and Tl in tropical soils, whose R² and RPD values ranged from 0.52 to 0.94 and 1.43 to 3.62, respectively, as well as the lowest values of RMSE and NRMSE values (0.28 to 0.70 mg kg-1). The results reported in this dissertation represent alternative methods for reducing costs and time needed for assessing such soil properties data, supporting agronomic and environmental decision making.pt_BR
dc.description.sponsorshipFundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG)pt_BR
dc.languageengpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal de Lavraspt_BR
dc.rightsacesso abertopt_BR
dc.subjectPropriedades químicas do solopt_BR
dc.subjectFertilidade do solopt_BR
dc.subjectModelagem de atributos químicospt_BR
dc.subjectSensores proximaispt_BR
dc.subjectAlgoritmos de aprendizado de máquinapt_BR
dc.subjectAnálise do solopt_BR
dc.subjectSolos tropicaispt_BR
dc.subjectPedologiapt_BR
dc.subjectGeoquímicapt_BR
dc.subjectSoil chemical propertiespt_BR
dc.subjectSoil fertilitypt_BR
dc.subjectChemical attributes modelingpt_BR
dc.subjectProximal sensorspt_BR
dc.subjectMachine learning algorithmspt_BR
dc.subjectSoil analysispt_BR
dc.subjectSoil fertilitypt_BR
dc.subjectTropical soilspt_BR
dc.subjectGeochemistrypt_BR
dc.titlePrediction of soil agronomic and geochemical attributes: comparison of the performance of spectral ranges from proximal sensorspt_BR
dc.title.alternativePredição de atributos agronômicos e geoquímicos do solo: comparação do desempenho de faixas espectrais de sensores proximaispt_BR
dc.typetesept_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Ciência do Solopt_BR
dc.publisher.initialsUFLApt_BR
dc.publisher.countrybrasilpt_BR
dc.contributor.advisor1Silva, Sérgio Henrique Godinho-
dc.contributor.advisor-co1Melo, Leônidas Carrijo Azevedo-
dc.contributor.referee1Curi, Nilton-
dc.contributor.referee2Carvalho, Geila Santos-
dc.contributor.referee3Guzman, Salvador Francisco Acunã-
dc.contributor.referee4Poppiel, Raul Roberto-
dc.description.resumoA caracterização do solo fornece um suporte sólido para a tomada de decisões relacionadas ao mapeamento geoquímico, monitoramento ambiental e produção de alimentos. Para isso, métodos rápidos, ecologicamente corretos, não invasivos, econômicos e confiáveis para avaliação das propriedades químicas do solo são desejáveis. Como tal, esta tese utilizou sensores proximais como espectrometria de fluorescência de raios X portátil (pXRF) e dados do sensor de cor Nix ProTM para prever de forma pontual as propriedades do solo no Brasil. Especificamente, os objetivos foram: i) predizer as propriedades de fertilidade do solo no bioma Planície Costeira Brasileira; ii) predizer o teor de matéria orgânica do solo por meio de sensores proximal (pXRF e Nix ProTM); iii) predizer conteúdos elementares do solo via método USEPA 3051a através de dados elementares entregues por pXRF, avaliando métodos de preparação de amostras (e.g., campo, pós-campo, terra fina seca ao ar, macerado e macerado e peneirado) e métodos de regressão linear e não linear. Quatro modelos de regressão - simple linear regression (SLR), stepwise multiple linear regressions (SMLR), support vector machine (SVM) com Linear Kernel and random forest (RF) - foram testados para predição de diferentes atributos agronômicos do solo e avaliação geoquímica. As amostras de solo foram coletadas em horizontes superficiais e subsuperficiais em perfis de diferentes classes de solo, sob diversos usos da terra, práticas de manejo, locais de amostragem e com diferentes materiais de origem. Modelos de predição foram construídos para horizontes superficiais e subsuperficiais separadamente e combinados para as seguintes propriedades agronômicas do solo: pH (H2O), soma de bases (SB); capacidade de troca catiônica em pH 7,0 (CEC) e saturação por bases (BS) (primeiro capítulo). Para a matéria orgânica do solo (MOS) (segundo capítulo) e 28 elementos (terceiro e quarto capítulos) amostras de horizontes superficiais e subsuperficiais foram combinadas para construir os modelos de predição. As amostras foram escaneadas com o sensor Nix ProTM em laboratório sob a condições secas e úmidas, enquanto com pXRF apenas em condições secas também em laboratório. As amostras foram separadas aleatoriamente em 70% para treinamento e 30% para teste dos modelos de predição. O desempenho dos modelos de predição foi avaliado pelas métricas: R2, root mean square error (RMSE), normalized RMSE (NRMSE), mean absolute error (MAE) e residual prediction deviation (RPD). Para as propriedades agronômicas do solo, os resultados mostraram que a SB foi prevista com alta precisão (R2 = 0,82, RMSE = 1,02 cmolc dm–3, MAE = 1,17 e RPD = 2,3) usando modelos SVM via dados de pXRF. Por outro lado, a MOS foi prevista com alta precisão usando dados combinados de pXRF e Nix Pro™ (em amostras de solo úmido) (R2 = 0,73, RMSE = 1,09% e RPD = 2,00) por meio de modelos de RF. A predição dos teores elementares comumente determinados pelo método USEPA 3051a via dados do pXRF após escaneamento de amostras tratadas como terra fina seca ao ar (<2 mm) é indicada. Uma vez que, pode fornecer as melhores predições em comparação com outros procedimentos de preparação de amostras indicas acima. Algoritmos de aprendizado de máquina (SVM e RF) tiveram um desempenho melhor que SLR e SMLR para a previsão de Al, Ca, Cr, Cu, Fe, Mn, Pb, Sr, Ti, V, Zn, Zr, Ba, Bi, Cd, Ce, Co, Mg e Tl em solos tropicais, cujos valores de R² e RPD variaram de 0,52 a 0,94 e 1,43 a 3,62, respectivamente, assim como os menores valores de RMSE e NRMSE (0,28 a 0,70 mg kg-1). Os resultados relatados nesta tese representam métodos alternativos para redução de custos e tempo necessário para a avaliação desses dados de propriedades do solo, auxiliando na tomada de decisões agronômicas e ambientais.pt_BR
dc.publisher.departmentDepartamento de Ciência do Solopt_BR
dc.subject.cnpqCiência do Solopt_BR
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/7574755354727460pt_BR
Aparece nas coleções:Ciência do Solo - Doutorado (Teses)



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