Termografia aérea e aprendizado de máquina na avaliação de coberturas de solo e predição da produtividade do cafeeiro

dc.contributor.advisorFerraz, Gabriel Araújo e Silva
dc.contributor.refereeCarvalho, Milene Alves de Figueiredo
dc.contributor.refereeVeja, Felipe Andrés Obando
dc.creatorZavala, Elias Horácio
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/4272230261626203
dc.date.accessioned2026-03-26T19:11:38Z
dc.date.issued2026-02-19
dc.description.abstractCoffee farming is of high socioeconomic importance in Brazil and other developing countries, but faces growing challenges associated with climate change, requiring more efficient management strategies and advanced monitoring tools. This study evaluated the influence of different soil covers (polyethylene film, brachiaria grass, and exposed soil) and two Arabica coffee cultivars (Arara and Mundo Novo) on canopy thermal dynamics, as well as the use of artificial intelligence techniques for the automatic classification of flowering levels and their relationship with productivity. Thermal monitoring was performed using aerial thermography with remotely piloted aircraft (RPAs) in monthly campaigns throughout a complete phenological cycle between June 2024 and June 2025. The thermal images were processed in Pix4D Mapper® and QGIS®, and the data were statistically analyzed in R®, using time series, analysis of variance, and regression models. The brachiaria grass cover promoted greater thermal attenuation of the canopy, with reductions of up to 1.76 °C, in addition to significantly reducing the relationship between soil and canopy temperature, limiting the thermal increase to 0.38 °C for the Mundo Novo cultivar and 0.19 °C for Arara. During the flowering period, the Arara cultivar had canopies that were up to 1.1 °C cooler than Mundo Novo, highlighting physiological differences and differences in response to the microclimate. At the same time, RGB aerial images were used for the automatic classification of flowering levels (low, medium, and high) using Convolutional Neural Networks (CNNs). The dataset consisted of 1,593 segmented and standardized images, and four CNN architectures were evaluated, including a customized network and models based on transfer learning (VGG16, ResNet50, and MobileNetV2). The VGG16 architecture performed best, with an accuracy of 92.02% and a loss of 0.2563 in the test set. The extreme flowering classes were classified with greater accuracy, while the intermediate class showed greater confusion, associated with visual overlap between adjacent phenological stages. Agronomic validation demonstrated a positive correlation between the classified flowering levels and actual productivity (kg plant⁻¹), with r = 0.717 and R² = 0.515 considering the two cultivars together. The Arara cultivar showed a stronger association (r = 0.772; R² = 0.596), while Mundo Novo showed a weaker relationship (r = 0.663; R² = 0.439). The simple linear regression adjustment showed moderate error (RMSE = 1.03 kg plant⁻¹; MAE = 0.87 kg plant⁻¹). It can be concluded that aerial thermography is efficient for thermal monitoring of coffee trees, that brachiaria plays a fundamental role in modulating the microclimate of the canopy, and that CNNs are a robust tool for classifying flowering and supporting early productivity estimates, contributing to the sustainable management of coffee farming. Keywords: Coffee farming; Remote sensing; Aerial thermography; Convolutional neural networks.
dc.description.acaoclimatica1. Agricultura de baixa emissão de carbono
dc.description.acaoclimatica2. Uso sustentável da água e do solo
dc.description.acaoclimatica3. Produção orgânica e sustentável
dc.description.areastematicasdaextensaoMeio ambiente
dc.description.areastematicasdaextensaoTecnologia e produção
dc.description.concentrationMaquinas e Mecanização Agrícola
dc.description.notesArquivo retido a pedido da autoria, até fevereiro de 2027.
dc.description.odsODS 2: Fome zero e agricultura sustentável
dc.description.odsODS 12: Consumo e produção responsáveis
dc.description.odsODS 13: Ação contra a mudança global do clima
dc.description.researchLineMaquinas e Mecanização Agrícola
dc.description.resumoA cafeicultura possui elevada relevância socioeconômica no Brasil e em países em desenvolvimento, mas enfrenta desafios crescentes associados às mudanças climáticas, exigindo estratégias de manejo mais eficientes e ferramentas avançadas de monitoramento. Neste estudo, avaliou-se a influência de diferentes coberturas do solo (filme de polietileno, capim braquiária e solo exposto) e de duas cultivares de café arábica (Arara e Mundo Novo) na dinâmica térmica da copa, bem como o uso de técnicas de inteligência artificial para a classificação automática dos níveis de floração e sua relação com a produtividade. O monitoramento térmico foi realizado por meio de termografia aérea com veículos aéreos remotamente pilotados (RPAs), em campanhas mensais ao longo de um ciclo fenológico completo, entre junho de 2024 e junho de 2025. As imagens térmicas foram processadas no Pix4D Mapper® e no QGIS®, e os dados analisados estatisticamente no R®, utilizando séries temporais, análise de variância e modelos de regressão. A cobertura com capim braquiária promoveu maior atenuação térmica da copa, com reduções de até 1,76 °C, além de reduzir significativamente a relação entre a temperatura do solo e da copa, limitando o aumento térmico a 0,38 °C para a cultivar Mundo Novo e 0,19 °C para a Arara. Durante o período de floração, a cultivar Arara apresentou copas até 1,1 °C mais frias em comparação à Mundo Novo, evidenciando diferenças fisiológicas e de resposta ao microclima. Paralelamente, imagens aéreas RGB foram utilizadas para a classificação automática dos níveis de floração (baixa, média e alta) por meio de Redes Neurais Convolucionais (CNNs). O conjunto de dados foi composto por 1.593 imagens segmentadas e padronizadas, e foram avaliadas quatro arquiteturas de CNN, incluindo uma rede customizada e modelos baseados em aprendizado por transferência (VGG16, ResNet50 e MobileNetV2). A arquitetura VGG16 apresentou o melhor desempenho, com acurácia de 92,02% e loss de 0,2563 no conjunto de teste. As classes extremas de floração foram classificadas com maior precisão, enquanto a classe intermediária apresentou maior confusão, associada à sobreposição visual entre estágios fenológicos adjacentes. A validação agronômica demonstrou correlação positiva entre os níveis de floração classificados e a produtividade real (kg planta⁻¹), com r = 0,717 e R² = 0,515 considerando as duas cultivares em conjunto. A cultivar Arara apresentou associação mais forte (r = 0,772; R² = 0,596), enquanto a Mundo Novo apresentou relação de menor magnitude (r = 0,663; R² = 0,439). O ajuste por regressão linear simples apresentou erro moderado (RMSE = 1,03 kg planta⁻¹; MAE = 0,87 kg planta⁻¹). Conclui-se que a termografia aérea é eficiente para o monitoramento térmico dos cafeeiros, que a brachiaria desempenha papel fundamental na modulação do microclima da copa, e que as CNNs constituem uma ferramenta robusta para a classificação da floração e apoio à estimativa antecipada da produtividade, contribuindo para a gestão sustentável da cafeicultura. Palavras-chave: Cafeicultura; Manejo do solo; Sensoriamento remoto; Redes neurais convolucionais; Previsão de produtividade.
dc.description.tipodeimpactoSociais
dc.description.tipodeimpactoTecnológico
dc.description.tipodeimpactoEconômicos
dc.identifier.citationZAVALA, Elias Horácio. Termografia aérea e aprendizado de máquina na avaliação de coberturas de solo e predição da produtividade do cafeeiro. 2026. 96 p. Dissertação (Mestrado Acadêmico) - Universidade Federal de Lavras, 2026.
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufla.br/handle/1/60670
dc.language.isopt_BR
dc.publisherUniversidade Federal de Lavras
dc.publisher.collegeEscola de Engenharia (EENG)
dc.publisher.countrybrasil
dc.publisher.initialsUFLA
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação: Engenharia Agrícola
dc.relation.dadosabertosNão
dc.rightsAttribution 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by/3.0/br/
dc.subjectCafeicultura
dc.subjectManejo do solo
dc.subjectSensoriamento remoto
dc.subjectRedes neurais convolucionais
dc.subjectPrevisão de produtividade
dc.subject.cnpq50301004 MÁQUINAS E IMPLEMENTOS AGRÍCOLAS
dc.titleTermografia aérea e aprendizado de máquina na avaliação de coberturas de solo e predição da produtividade do cafeeiro
dc.title.alternativeAerial thermography and machine learning in the assessment of ground cover and prediction of coffee tree productivity
dc.typedissertação

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