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Título: Predição decompactação em dois solos sob diferentes conteúdos de água com sensores proximais
Título(s) alternativo(s): Prediction of compaction in two soils under different water contents with proximal sensors
Autor : Victor Enmanuel Rodas, Arano
Lattes: http://lattes.cnpq.br/5991346574036556
Primeiro orientador: Silva, Bruno Montoani
Primeiro coorientador: Silva, Sergio Henrique Godinho
Primeiro membro da banca: Silva, Bruno Montoani
Segundo membro da banca: Silva, Sérgio Henrique Godinho
Terceiro membro da banca: Andrade, Renata
Quarto membro da banca: Serafim, Milson Evaldo
Palavras-chave: Proximal sensors
Soil compaction
Machine learning
Prediction models
Soil electrical resistivity
Soil dielectric constant
Electrical conductivity
X-ray fluorescence
Sensores proximais
Compactação do solo
Aprendizado de máquina
Modelos de previsão
Resistividade elétrica do solo
Constante dielétrica do solo
Condutividade elétrica
Fluorescência de raios X
Data da publicação: 19-Nov-2024
Agência(s) de fomento: Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES
Referência: ARANO, Victor Enmanuel Rodas. Prediction of compaction in two soils under different water contents with proximal sensors. 2024. 91 p. Dissertação ( Mestrado em Ciências do Solo) – Universidade Federal de Lavras, 2024.
Resumo: A predição de fatores adversos na produção agrícola, como a compactação excessiva do solo, é crucial para tomar medidas preventivas que reduzem custos, tempo de secagem, contaminação ambiental e destruição de amostras. Neste estudo, foram coletadas amostras inalteradas de mata nativa (transição entre o Cerrado e Mata Atlântica em Lavras, Minas Gerais) de dois solos (Latossolo Vermelho distroférrico de textura muito argilosa e Latossolo Vermelho Amarelo distrófico de textura argilosa) em cilindros de PVC com diâmetro aproximado de 11,2 cm e altura de 6,8 cm, a uma profundidade de aproximadamente 10 cm abaixo da camada superficial. Após serem submetidas a uma tensão de 10 kPa, as amostras foram compactadas usando um consolidômetro uniaxial modificado para diferentes graus de compactação (70%, 80%, 90%) e um ensaio Proctor para (100% e 110%). Uma vez saturado, as medições foram feitas a cada dois dias com sensores proximais, incluindo fluorescência de raios X (com elementos químicos em porcentagens: Mg, Al, Si, P, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Zr), resistividade elétrica (ρ) com um X5xtal 250 (em Ω m), condutividade elétrica (CE) com um Teros12 (emμS cm-1), constante dielétrica (Ka) com um ML2X (Ɛ adimensional) e conteúdo de água volumétrico (θv em m3 m-3), até que as amostras secassem. Um algoritmo de Random Forest foi utilizado para: (1) predizer o grau de compactação por meio de um modelo de regressão com fusão de dados de sensores proximais; (2) testar o efeito de excluir o conteúdo de água do solo na predição da compactação do solo com sensores proximais; (3) comparar o potencial dos modelos de predição de compactação do solo gerados por sensores de propriedades elétricas (ρ,CE, Ka) com o sensor pXRF; e (4) predições da compactação do solo usando modelos de classificação de Random Forest. O modelo de regressão com Random Forest gerou predições robustas. Apesar de ter umtamanho de amostra menor (n=4600), o LVdf mostrou um desempenho superior ao LVAd (n=4900), atingindo R2=0,79, RMSE=7,18 e MAE=4,66 em base uma validação externa. Ao integrar ambos solos (LVdf+LVAd, n=9500), o modelo alcançou R2=0,93. Embora a exclusão do conteúdo de água (θv) não impacto significativamente na precisão dos modelos, mas alterou a importância das variáveis, especialmente Fe no LVdf e Si, Ti, Zn e ρ no LVAd. Considerando os sensores individualmente, o sensor de fluorescência de raios X (pXRF) foi melhor na predição em comparação com os sensores elétricos, alcançando um R2=0,78 para LVdf e LVAd, e R2=0,91 ao combinar ambos os solos. Apesar de as métricas de precisão dos modelos de classificação serem boas, não foi possível identificar um padrão claro das variáveis com base no grau de compactação. No entanto, pode-se afirmar que certas variáveis perdem sua importância quando são comparadas entre os modelos de classificação e de regressão. As variáveis destacadas foram Si, Al, Cu, Fe, Ti e CE.
Abstract: The prediction of adverse factors in agricultural production, such as excessive soil compaction, is crucial for taking preventive measures that reduce costs, drying time, environmental contamination, and sample destruction. In this study, undisturbed samples were collected from native vegetation (a transition between the Cerrado and Atlantic Forest in Lavras, Minas Gerais) from two soils (very clayey textured Latossolo Vermelho distroférrico and clayey textured Latossolo Vermelho Amarelho distrófico) in PVC cylinders with an approximate diameter of 11.2 cm and height of 6.8 cm, at a depth of approximately 10 cm below the surface layer. After being subjected to a tension of 10 kPa, the samples were compacted using a modified uniaxial consolidometer to different degrees of compaction (70%, 80%, 90%) and a Proctor test for (100% and 110%). Once saturated, measurements were taken every two days with proximal sensors, including X-ray fluorescence (with chemical elements in percentages: Mg, Al, Si, P,K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, As, Zr), electrical resistivity (ρ) with an X5xtal 250 (in Ωm), electrical conductivity (EC) with a Teros12 (in μS cm-1), dielectric constant (Ka) with an ML2X (Ɛ dimensionless), and volumetric water content (θv in m3 m-3), until the samples dried. A Random Forest algorithm was used to: (1) predict the degree of compaction through a regression model with data fusion from proximal sensors; (2) test the effect of excluding soil water content in predicting soil compaction with proximal sensors; (3) compare the potential of soil compaction prediction models generated by sensors of electrical properties (ρ, EC, Ka) with the pXRF sensor; and (4) predict soil compaction using Random Forest classification models. The regression model with Random Forest produced robust predictions. Despite having a smaller sample size (n=4600), LVdf showed better performance than LVAd (n=4900), achieving an R2=0.79, RMSE=7.18, and MAE=4.66 based on external validation. When integrating both soils (LVdf+LVAd, n=9500), the model reached R2=0.93. Although excluding water content (θv) did not significantly impact the accuracy of the models, it altered the importance of the variables, particularly Fe in LVdf and Si, Ti, Zn, and ρ in LVAd. When considering the sensors individually, the X-ray fluorescence (pXRF) sensor was better at predicting compaction compared to the electrical sensors, achieving an R2 of 0.78 for LVdf and LVAd, finally R2=0.91 when combining both soils. Although the accuracy metrics for the classification models were good, no clear pattern of variables based on the degree of compaction could be identified. However, it can be stated that certain variables lose their importance when compared between classification and regression models. The key variables identified were Si, Al, Cu, Fe, Ti, and EC.
metadata.teses.dc.description: Arquivo retido, a pedido do(a) autor(a), até novembro de 2025
URI: http://repositorio.ufla.br/jspui/handle/1/59697
Publicador: Universidade Federal de Lavras
Idioma: por
Aparece nas coleções:DAE - Administração - Mestrado (Dissertações)

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