Abordagens de aprendizado de máquina em dados espectrais para estimativa de elementos químicos no solo

dc.contributor.advisor1Margarete Guimarães, Alaine
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4366472400277640
dc.contributor.authorRosa, Danilo Alves da
dc.contributor.instituicao-banca1Universidade Estadual de Ponta Grossa (UEPG)
dc.contributor.instituicao-banca2Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)
dc.contributor.referee1Rocha, José Carlos Ferreira da
dc.contributor.referee1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3945991870627440
dc.contributor.referee2Andrade, Mauren Louise Sguario Coelho de
dc.contributor.referee2Latteshttp://lattes.cnpq.br/2322596810080873
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/3866725781786569
dc.date.accessioned2026-05-19T00:00:00Z
dc.date.accessioned2026-05-19T17:13:49Z
dc.date.accessioned2026-06-30T17:48:39Z
dc.date.issued2026-03-09
dc.description.abstractThe need for more efficient, sustainable methods to analyze soil chemical components is driving the integration of innovative technologies in agriculture. This study evaluated the potential of different machine learning (ML) approaches for estimating Total Organic Carbon (TOC) and Total Nitrogen (N) in agricultural soils, using near-infrared spectroscopy data and considering transformations to improve the algorithms' predictive performance. A total of 235 soil samples from the UEPG Soil Fertility Laboratory were used, with spectral data in the 1,100–1,648 nm range, comprising 277 predictive attributes. The methodology included data preprocessing with logarithmic transformation, standardization (Z-score), normalization (Min-Max Scaler), and a Savitzky-Golay filter. Seven ML algorithms were used, and their performance was evaluated in two approaches: using all spectral attributes, and after applying the SPA (Successive Projections Algorithm) attribute selection technique. The results indicated that the models Partial Least Squares Regression (PLSR) and Orthogonal Matching Pursuit (OMP), which are robust to multicollinearity, presented superior performance, with R² of up to 0.9124 for N and 0.8156 for TOC, when using the complete database transformed by the successive combination of logarithmic transformation, standardization (Z-score), and Savitzky-Golay filters. The use of feature selection by the SPA method significantly improved the performance of Linear Regression (R² = 0.8975) for N estimation, but did not bring improvements when associated with the PLSR algorithm. The analysis of variable importance in the PLSR model identified that the spectral bands between 1,394 nm and 1,412 nm were the most relevant for N prediction, while for TOC, the most important bands were between 1,396 nm and 1,450 nm. It is concluded that: (i) the combination of NIR spectroscopy with ML, through the joint use of logarithmic transformation methods, standardization (Z-score) and Savitzky-Golay filters, and associated with the PLSR and OMP algorithms, consists of a promising methodology for the analysis of TOC and N content in the soil, (ii) it is possible to generate simple models based on linear regression for estimating N in the soil, when the SAP attribute selection method is previously used, (iii) the spectral range between 1,394 nm and 1,450 nm is of special interest for the prediction of N and TOC
dc.description.resumoA necessidade de métodos mais eficientes e sustentáveis para a análise de componentes químicos do solo impulsiona a integração de tecnologias inovadoras na agricultura. Este trabalho avaliou o potencial de diferentes abordagens de aprendizado de máquina (AM) para estimar os teores de carbono orgânico total (COT) e de nitrogênio total (N) em solos agrícolas, utilizando dados de espectroscopia na região do infravermelho próximo e considerando transformações aplicadas a esses mesmos dados para aprimorar o potencial preditivo dos algoritmos. Foram utilizadas 235 amostras de solo do Laboratório de Fertilidade do Solo da UEPG, com dados espectrais na faixa de 1.100 a 1.648 nm, totalizando 277 atributos de predição. A metodologia incluiu o pré-processamento dos dados, com transformação logarítmica, padronização (Z-score), normalização (Min-Max Scaler) e aplicação do filtro de Savitzky-Golay. Foram empregados sete algoritmos de AM, cujos desempenhos foram avaliados em duas abordagens: utilizando todos os atributos espectrais e após a aplicação da técnica de seleção de atributos SPA (Successive Projections Algorithm). Os resultados indicaram que os modelos Partial Least Squares Regression (PLSR) e Orthogonal Matching Pursuit (OMP), robustos à multicolinearidade, apresentaram desempenho superior, com R² de até 0,9124 para N e 0,8156 para COT, ao utilizar a base de dados completa transformada por meio da associação sucessiva dos métodos de transformação logarítmica, de padronização (Zscore) e de filtro de Savitzky-Golay. O uso de seleção de atributos pelo método SPA melhorou significativamente o desempenho da Regressão Linear (R² = 0,8975) na estimativa de N, porém não proporcionou melhorias quando associado ao algoritmo PLSR. A análise de importância das variáveis no modelo PLSR identificou que as faixas espectrais entre 1.394 nm e 1.412 nm foram as mais relevantes para a predição de N, enquanto, para o COT, as faixas mais importantes situaram-se entre 1.396 nm e 1.450 nm. Conclui-se que: (i) a combinação de espectroscopia NIR com AM, por meio do uso em conjunto dos métodos de transformação logarítmica, padronização (Z-score) e filtro Savitzky-Golay, e associados aos algoritmos PLSR e OMP, consiste em uma metodologia promissora para a estimativa do teor de COT e N no solo, (ii) é possível gerar modelos simples baseados em regressão linear para estimativa de N no solo, quando o método de seleção de atributos SAP é utilizado previamente, (iii) a faixa espectral entre 1.394 nm e 1.450 nm é de especial interesse para a predição de N e COT.
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)
dc.identifier.citationROSA, Danilo Alves da. Abordagens de aprendizado de máquina em dados espectrais para estimativa de elementos químicos no solo. 2026. Dissertação (Mestrado em Computação Aplicada) - Universidade Estadual de Ponta Grossa, Ponta Grossa, 2026.
dc.identifier.urihttps://ri.uepg.br/handle/123456789/3256
dc.language.isopt
dc.publisherUniversidade Estadual de Ponta Grossa
dc.rightshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazilen
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
dc.subjectInfravermelho próximo
dc.subjectFiltro Savitzky-Golay
dc.subjectBusca de Correspondência Ortogonal
dc.subjectCarbono Orgânico Total
dc.subjectnitrogênio no solo
dc.titleAbordagens de aprendizado de máquina em dados espectrais para estimativa de elementos químicos no solo
dc.typemaster thesis

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