dissertação

Discriminação dos planos anatômicos em tábuas de Pinus sp. com dispositivo NIR portátil visando à produção de lápis

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Arquivo retido a pedido da autoria, até junho de 2027.

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Programa de Pós-Graduação em Ciência e Tecnologia da Madeira

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ODS 9: Indústria, inovação e infraestrutura
ODS 12: Consumo e produção responsáveis
ODS 15: Vida terrestre

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Resumo

A classificação da madeira segundo os planos anatômicos é relevante para a fabricação de lápis, pois contribui para a organização da matéria-prima em grupos mais homogêneos. Essa separação é importante porque a variabilidade ao longo da tora pode influenciar o comportamento da madeira no processamento e refletir negativamente no desempenho e na qualidade final dos lápis. Diante disso, avaliou-se o potencial da espectroscopia no infravermelho próximo (NIR), em conjunto com técnicas de análise multivariada, para diferenciar tábuas de Pinus sp. em três classes de planos anatômicos: (1) longitudinal-radial, (2) longitudinal-tangencial externo (próximo à casca) e (3) longitudinal-tangencial interno (próximo à medula), visando à triagem e o controle de qualidade na produção. Obtiveram-se 540 espectros NIR com o equipamento portátil trinamiX Palm NIR, a partir de 90 amostras de madeira com dimensões de 190 × 80 × 4 mm, distribuídas em três classes anatômicas, com 30 amostras por classe e seis pontos de coleta por amostra. Do total de espectros obtidos, 70% (n = 378; 126 por classe) foram utilizados para calibração e 30% (n = 162; 54 por classe) para validação externa (predição). A PCA foi aplicada como análise exploratória, e modelos PLSDA foram ajustados e avaliados por validação cruzada (LOOCV) e por validação externa. Compararam-se pré-processamentos espectrais (dados brutos, SNV, derivada de Savitzky– Golay e combinações), e o desempenho foi acompanhado por especificidade (SPE), sensibilidade (PRE) e acurácia (ACU); na validação externa (predição), pelo percentual de classificações corretas (CCV). Os modelos apresentaram alta capacidade de discriminação entre os planos. Mesmo sem pré-processamento, observou-se desempenho preditivo consistente (CCV = 95,7%) e acurácia média de 97,0%. O uso isolado de SNV reduziu o desempenho (CCV = 92,0%). Embora a derivada tenha atingido métricas classificatórias máximas, apresentou menor consistência na predição (CCV = 63,0%), sugerindo menor capacidade de generalização. Em contraste, as combinações de derivada + SNV forneceram o melhor desempenho na validação externa (CCV = 100%). A espectroscopia NIR associada à PCA/PLS-DA é uma abordagem eficiente para classificar tábuas de Pinus sp. por planos ortogonais de corte, com potencial para triagem rápida e controle de qualidade na produção de lápis, destacando-se a importância de priorizar métricas de validação externa na escolha do pré-processamento.

Abstract

The classification of wood according to anatomical planes is relevant for pencil manufacturing, as it contributes to organizing the raw material into more homogeneous groups. This separation is important because variability along the log may influence wood behavior during processing and negatively affect the performance and final quality of pencils. Therefore, the potential of near-infrared spectroscopy (NIR), combined with multivariate analysis techniques, was evaluated to differentiate Pinus sp. boards into three anatomical plane classes: (1) longitudinal-radial, (2) outer longitudinal-tangential plane (near the bark), and (3) inner longitudinal-tangential plane (near the pith), aiming at sorting and quality control in production. A total of 540 NIR spectra were obtained using a portable trinamiX Palm NIR device from 90 wood samples measuring 190 × 80 × 4 mm, distributed into three anatomical classes, with 30 samples per class and six collection points per sample. Of the total spectra obtained, 70% (n = 378; 126 per class) were used for calibration and 30% (n = 162; 54 per class) for external validation/prediction. PCA was applied as an exploratory analysis, and PLS-DA models were fitted and evaluated by cross-validation (LOOCV) and external validation. Spectral preprocessing methods were compared, including raw data, SNV, Savitzky–Golay derivative, and combinations, and model performance was assessed by specificity (SPE), sensitivity (PRE), and accuracy (ACU); in external validation/prediction, performance was assessed by the percentage of correct classifications (CCV). The models showed high discrimination ability among the planes. Even without preprocessing, consistent predictive performance was observed, with CCV = 95.7% and mean accuracy of 97.0%. The use of SNV alone reduced performance, with CCV = 92.0%. Although the derivative reached maximum classification metrics, it showed lower consistency in prediction, with CCV = 63.0%, suggesting lower generalization ability. In contrast, the combinations of derivative + SNV provided the best performance in external validation, with CCV = 100%. These results indicate that NIR spectroscopy associated with PCA/PLS-DA is an efficient approach for classifying Pinus sp. boards according to orthogonal anatomical cutting planes, with potential for rapid sorting and quality control in pencil production, highlighting the importance of prioritizing external validation metrics when selecting the preprocessing method.

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Ciências e Tecnologia da Madeira

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COSTA, Fabio Freire Ribeiro. Discriminação dos planos anatômicos em tábuas de Pinus sp. com dispositivo NIR portátil visando à produção de lápis. 2026. 54 p. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia da Madeira) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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