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Impact of wood surface quality on tropical species identification using benchtop and portable NIR spectrometers

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Resumo

A identificação de madeiras em florestas tropicais é um desafio devido à existência de muitas espécies com caraterísticas anatómicas semelhantes, o que dificulta a diferenciação visual. As técnicas tradicionais, como a caraterização anatómica e a análise das características organolépticas, são eficazes, mas lentas e dependentes dos conhecimentos dos anatomistas. A espetroscopia de infravermelho próximo (NIR), combinada com técnicas estatísticas multivariadas, tem mostrado resultados promissores na classificação exata da madeira. O objetivo deste estudo foi avaliar o impacto da qualidade da superfície da madeira no desempenho dos instrumentos NIR na identificação de espécies de madeira tropical. Dezesseis espécies de madeira tropical de interesse comercial foram selecionadas de campos e pátios de toras na microrregião de Lavras, em Minas de Gerais e sua identificação foi confirmada por comparação com amostras padrão da xiloteca do laboratório de anatomia da madeira. As amostras foram preparadas a partir de diferentes ferramentas. Os espectros NIR foram registrados com instrumentos NIR portátil e de bancada nas superfícies transversais das amostras de madeira em cinco situações: (1) condições de campo (sem tratamento), (2) motosserra, (3) serra circular, (4) serra fita e (5) lixa. A análise de componentes principais (PCA) e a análise discriminante de mínimos quadrados parciais (PLS-DA) foram utilizadas para avaliar as assinaturas NIR. Os modelos ajustados por PLS-DA com validação cruzada apresentaram taxas de sucesso elevadas, com classificações que variaram entre 95,3 % até 99,2 % para superfícies não tratadas, preparadas com serra circular, serra de fita e lixadas. As amostras cujas superfícies eram preparadas com motosserra resultaram em classificações menos exatas: 88,7% para sensores NIR de bancada e 92,8% para sensores NIR portáteis. Estes resultados destacam o potencial da espetroscopia NIR para a classificação de madeiras tropicais, mesmo quando há variações na superfície.

Abstract

The identification of wood in tropical forests is a challenge due to the existence of many species with similar anatomical characteristics, which makes visual differentiation difficult. Traditional techniques, such as anatomical characterization and analysis of organoleptic characteristics, are effective, but slow and dependent on the knowledge of anatomists. Near-infrared spectroscopy (NIR), combined with multivariate statistical techniques, has shown promising results in the accurate classification of wood. The aim of this study was to evaluate the impact of wood surface quality on the performance of NIR instruments in identifying tropical wood species. Sixteen tropical timber species of commercial interest were selected from fields and log yards in the Lavras micro-region in Minas Gerais and their identification was confirmed by comparison with standard samples from the wood anatomy laboratory's xylotheque. The samples were prepared using different tools. NIR spectra were recorded with portable and bench NIR instruments on the cross-sectional surfaces of the wood samples in five situations: (1) field conditions (untreated), (2) chainsaw, (3) circular saw, (4) band saw and (5) sandpaper. Principal component analysis (PCA) and partial least squares discriminant analysis (PLS-DA) were used to evaluate the NIR signatures. The models fitted by PLS-DA with cross-validation showed high success rates, with classifications ranging from 95.3 % to 99.2 % for untreated, circular sawed, band sawed and sanded surfaces. Samples whose surfaces were prepared with a chainsaw resulted in less accurate classifications: 88.7% for benchtop NIR sensors and 92.8% for portable NIR sensors. These results highlight the potential of NIR spectroscopy for classifying tropical woods, even when there are variations in the surface.

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HUANCAS, S. H. A. Impact of wood surface quality on tropical species identification using benchtop and portable NIR spectrometers. 2024. 65 p. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia da Madeira) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2024.

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