Desenvolvimento de equipamento multiespectral para a determinação de reflectância na agricultura - Viana, Lucas de Arruda (Universidade Federal de Viçosa, 2021)
O crescimento da população mundial, somado às crises econômicas e ambientais, tem acentuado as disparidades sociais e, como consequência, o aumento da pobreza e fome. Aumentar a produção agrícola de forma sustentável com foco em mitigar o problema da fome mundial é o caminho a ser trilhado pela sociedade. Visando aumentar a produtividade com menor uso de recursos, bem como menores danos ambientais, o uso de tecnologias ligadas à agricultura digital tem mostrado ser indispensável. Diferentes estudos científicos apresentam resultados que demostram que o manejo agrícola, com o auxílio de sensores espectrais portáteis, pode contribuir para o aumento da produção e otimização do uso de insumos, em especial os fertilizantes nitrogenados. Os resultados desses estudos ainda ressalvam que o barateamento das tecnologias deva acontecer para uma maior popularização do uso de sensores espectrais na agricultura. Reduzir o custo de uma tecnologia favorece a popularização, em especial nos países em desenvolvimento, onde a atividade agrícola é o pilar de sustentação econômica. Neste contexto, o objetivo principal deste trabalho foi desenvolver um sensor ativo portátil multiespectral, de baixo custo, capaz de medir de forma precisa e confiável a reflectância em dez bandas do espectro eletromagnético. O sensor foi constituído por um circuito eletrônico que une um computador de placa única a um regulador de tensão, a um sistema de iluminação por LEDs de alta potência, a um dispositivo óptico e a uma tela LCD. O processo de medição da reflectância consiste em direcionar uma fonte de luz sobre o alvo a ser analisado, e o sensor converte a parte da radiação refletida que é captada em pulso elétrico, e este pulso é processado e convertido em valores de reflectância. Experimentos de laboratório e de campo foram realizados com o objetivo de avaliar o desempenho do sensor na coleta de dados, bem como sua estabilidade. Para avaliar o desempenho, em ambiente de laboratório, foram comparadas as medidas de reflectâncias do sensor com as medidas feitas pelo espectrorradiômetro, para alvos sintéticos e naturais. A estabilidade foi verificada por meio de um experimentomontado por 12 semanas e nesse experimento foi verificado se houve alterações das medições de reflectância. Para verificar se as medidas de reflectância do sensor são modificadas pela variação da iluminação no ambiente de medida, foram comparadas as medições de reflectância feitas com ausência de qualquer iluminação com as medições feitas em ambiente iluminado. O menor coeficiente de correlação de Pearson entre os dados medidos pelo sensor desenvolvido e pelo espectrorradiômetro foi de r = 0,9731 e o maior 0,9977. O RMSE médio para medida de refletâncias em folhas de plantas e em solos foi de 0,03. Os resultados mostram precisão e exatidão das leituras de reflectância nos dez comprimentos de onda medidos pelo sensor desenvolvido. No experimento de campo foram comparadas as medições de NDVI feitas pelo sensor desenvolvido com as medições de NDVI feitas pelos sensores GreenSeeker e câmera MicaSense-MX. As medidas de NDVI feitas pelo sensor desenvolvido comparadas com as obtidas pelo GreenSeeker obtiveram R2 = 0,8011 e com a MicaSense-MX, R2 = 0,7039. Os resultados em campo mostraram que o sensor desenvolvido é capaz de medir NDVI de forma semelhante em relação às medidas de NDVI feitas pelos sensores GreenSeeker e pela câmera MicaSense-MX. Os resultados comprovaram a estabilidade e a capacidade de medir, de forma confiável, as reflectâncias em dez bandas espectrais e monitorar de forma indireta a saúde das plantas por meio do índice de vegetação NDVI. O sensor multiespectral desenvolvido mostrou ter potencial para ser usado na agricultura, podendo contribuir para uma produção mais sustentável e com otimização de uso de insumos agrícolas. Palavras-chave: Sensor espectral. Sensor óptico. Sensor ativo. Agricultura digital. Agricultura de precisão. Índice de vegetação. Reflectância.

Overpopulation and its exponential growth, and to the economic and environmental crises have accentuated social disparities and, consequently, the increase in poverty and hunger. The necessary increase in agricultural production should be achieved to mitigate world hunger. To increase crop yield with less use of resources and minor environmental damage, the use of technologies related to digital agriculture has proven to be indispensable. Different scientific studies have shown that agricultural management, with the aid of portable spectral sensors, can contribute to increased production and optimization of the use of inputs, especially nitrogen fertilizers. The results of these studies still emphasize that low-cost technologies must be available for the widespread use of spectral sensors in agriculture. In this context, the main objective of this work was to develop a low-cost portable multispectral active sensor, capable of accurately and reliably measuring the reflectance in ten bands of the electromagnetic spectrum. This sensor consists of an electronic circuit that links a single-board computer to a voltage regulator, a high-power LED lighting system, an optical device and an LCD screen. The reflectance measurement process consists of directing a light source on the target to be analyzed, and the sensor converts the part of the reflected radiation that is received into an electrical pulse, which is processed and converted into reflectance values. Laboratory and field experiments were carried out to evaluate the performance of the sensor in data collection, as well as its stability. To assess performance, in a laboratory environment, the reflectance measurements of the sensor were compared to the measurements made by the spectroradiometer, for synthetic and natural targets. The stability was verified employing an experiment set up for 12 weeks, in which it was verified if there were any changes in the reflectance measurements. To verify if the reflectance measurements of the sensor could be modified by the variation of the illumination in the measurement environment, the reflectance measurements made in the absence of any illumination were compared to the measurements made in an illuminated environment. The lowest Pearsoncorrelation coefficient between the data measured by the developed sensor and the spectroradiometer was r = 0.9731 and the highest 0.9977. The average RMSE for measuring reflectance on plant leaves and soil was 0.03. The results show the precision and accuracy of the reflectance readings at the ten wavelengths measured by the developed sensor. In the field experiment, the NDVI measurements made by the developed sensor were compared to the NDVI measurements made by the GreenSeeker sensors and the MicaSense-MX camera. NDVI measurements made by the developed sensor compared to those obtained by GreenSeeker obtained R2 = 0.8011 and with MicaSense-MX, R2 = 0.7039. The results in the field showed that the developed sensor is capable of measuring NDVI similarly concerning the NDVI measurements made by the GreenSeeker sensors and by the MicaSense-MX camera. The results confirmed the stability and ability to reliably measure reflectances in ten spectral bands and indirectly monitor plant health using the NDVI vegetation index. The developed multispectral sensor has shown the potential to be used in agriculture, being able to contribute to more sustainable production and with optimization of the use of agricultural inputs. Keywords: Spectral sensor. Optical sensor. Active sensor. Digital agriculture. Precision agriculture. Vegetation index. Reflectance.
Development of a multiespectral equipment for the determination of reflectance in agriculture
Keywords: Agricultura de precisão; Vegetação - Mapeamento; Agricultura - Processamento de dados; Reflectância; Detectores opticos; Máquinas e Implementos Agrícolas