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Beyond prediction: Gaining pedologic knowledge from sensors and machine-learning models

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Universidade Federal de Lavras

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Departamento em Ciência do Solo

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Programa de Pós-Graduação em Ciência do Solo

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Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)
Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG)
Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

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Tecnológico
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Meio ambiente
Tecnologia e produção

Objetivos de Desenvolvimento Sustentável

ODS 2: Fome zero e agricultura sustentável
ODS 12: Consumo e produção responsáveis
ODS 13: Ação contra a mudança global do clima

Dados abertos

Resumo

Solos são heterogêneos e variam muito no espaço e no tempo. Recentemente, sensoreamento de solos tornou-se uma técnica popular, facilitando a análise de solos e suas propriedades, especialmente quando combinada com modelos de aprendizado de máquina. Essa tese explora a aplicação de sensores próximos e remotos na caracterização de perfis de solo, na otimização da amostragem de solos, e na estimação de atributos do solo. Adicionalmente, a confiabilidade de modelos caixa-preta é avaliada usando métodos de interpretação de modelos de aprendizado de máquina. O espectrômetro portátil de fluorescência de raios-X (pXRF), a espectroscopia nas faixas do visível e infravermelho próximo (Vis-NIR), espectroscopia na faixa do infravermelho médio (MIR), o colorímetro Nix, e imagens do satélite Sentinel-2 foram usados em estudos com o objetivo de caracterizar solos e estimar seus atributos. Gráficos de dependência parcial, esperança condicional individual, importância de covariáveis por permutação, a valores Shapley foram utilizados para investigar a confiabilidade de modelos preditivos de textura do solo e carbono orgânico. Quando aplicados à caracterização de perfis de solos, Vis-NIR e MIR foram capazes de identificar variações no teor de matéria orgânica e mineralogia, enquanto o pXRF desvendou descontinuidades litológicas ao longo dos perfis. Tendências temporais extraídas de imagens de Sentinel-2 serviram como proxies de umidade do solo e vegetação que permitiram a otimização da amostragem do solo. Malhas de amostragem definidas com base em tendências temporais extraídas de sensoreamento remoto combinadas com hipercubo latino condicionado representaram a variabilidade do solo com menos amostras quando comparadas à estratégias de amostragem convencionais, como as malhas aleatória e regular. Utilizando 1749 amostras de solo de cinco países, o pXRF foi capaz de estimar os teores de areia, silte, e argila com exatidão (R2>0.84), assim como carbono orgânico (R2=0.74), mesmo com as grandes diferenças no clima, material de origem, e intensidades de intemperismo. Técnicas de interpretação de modelos de aprendizado de máquina indicaram que os modelos aprenderam correlações físicas adequadas entre covariáveis e a textura do solo. Si foi associado com o teor de quartzo na fração areais dos solos, enquanto o Fe e o Al agiram como identificadores da fração argila. A fração silte foi particularmente difícil de modelar utilizando dados de pXRF, provavelmente devido à ausência de minerais característicos presentes apenas na fração silte e não em outras frações. Si, Fe, e Al foram os elementos químicos mais relevantes para a estimação da textura do solo. O uso de métodos de interpretação de aprendizado de máquina é recomendado para diagnosticar potenciais inconsistências em modelos e para aprender sobre as relações entre covariáveis ambientais e atributos do solo. Sensoreamento de solos percorreu um longo caminho nas últimas décadas e se provou um método confiável. A combinação de sensores e aprendizado de máquina pode ser seguramente aplicada à caracterização e ao mapeamento de solos se utilizados em conjunto com técnicas adequadas de modelagem.

Abstract

Soils are heterogeneous and vary greatly through space and time. Recently, soil sensing has become popular, facilitating the assessment of soils and their properties, especially when combined with machine-learning models. This thesis explores the application of proximal and remote sensors in the characterization of soil profiles, optimization of soil sampling, and in the estimation of soil properties. In addition, the reliability of black-box models is assessed using machine-learning interpretation tools. Portable X-ray fluorescence (pXRF), visible and near-infrared diffuse reflectance spectroscopy (Vis-NIR), mid-infrared spectroscopy (MIR), the Nix colorimeter, and Sentinel-2 imagery were used in several studies aiming to characterize soils and estimate their properties. Partial differential plots, individual conditional expectation, permutation feature importance, and Shapley values were applied to investigate the reliability of soil texture and organic carbon estimation models. When applied to the characterization of soil profiles, Vis-NIR and MIR were able to identify variations in soil organic matter and mineralogy, whereas pXRF unveiled lithologic discontinuities in soil profiles. Temporal trends extracted from Sentinel-2 imagery acted as proxies of soil moisture and vegetation variations that allowed for the optimization of soil sampling. Sampling grids guided by remotely sensed temporal trends coupled with conditioned Latin hypercube sampling represented soil variability with fewer samples compared to conventional random and grid sampling strategies. When using 1749 soil samples from five countries, pXRF was capable of estimating sand, silt, and clay contents accurately (R2>0.84), as well as soil organic carbon (R2=0.74), regardless of the very different climate, parent materials, and weathering intensities. Machine-learning model interpretation techniques indicated that models learned physically sound relationships between covariates and soil texture. Si was mostly related to quartz contents in the sand fraction of soils, while Fe and Al acted as fingerprints of clay content. Silt was particularly difficult to model using pXRF data, likely because it lacks characteristic minerals present only in the silt fraction. Si, Fe, and Al were the most relevant chemical elements for estimating soil texture. The use of machine-learning interpretation methods is advised to diagnose potential inconsistencies in models and to learn about the relationships between covariates and soil properties. Soil sensing has come a long way and has proven reliable. Sensors and machine-learning combined can reliably be applied to soil characterization and mapping if coupled with sound modeling techniques.

Descrição

Área de concentração

Recursos ambientais e uso da terra

Linha de pesquisa

Química, mineralogia, poluição e degradação do solo

Agência de desenvolvimento

Palavra chave

Marca

Objetivo

Procedência

Impacto da pesquisa

Resumen

ISBN

DOI

Citação

MANCINI, Marcelo. Beyond prediction: Gaining pedologic knowledge from sensors and machine-learning models. 2026. 170 p. Tese (Doutorado em Ciência do Solo) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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