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Tipo: Tese
Título: Espectroscopia de reflectância vis-NIR-SWIR-MIR na caracterização de perfis e avaliação de atributos de solos típicos do Nordeste do Brasil
Título em inglês: Vis-NIR-SWIR-MIR reflectance spectroscopy in the characterization of profiles and evaluation of attributes of typical soils from Northeast Brazil.
Autor(es): Souza, Francisca Evelice Cardoso de
Orientador: Toma, Raul Shiso
Coorientador: Terra, Fabrício da Silva
Palavras-chave em português: Sensoriamento próximo;Comportamento espectral;Quantificação;Salinidade;Sodicidade
Palavras-chave em inglês: Near-surface sensing;Spectral behavior;Quantification;Salinity;Sodicity
CNPq: CNPQ::CIENCIAS AGRARIAS::AGRONOMIA::CIENCIA DO SOLO
Data do documento: 2025
Citação: SOUZA, Francisca Evelice Cardoso de. Espectroscopia de reflectância vis-NIR-SWIR-MIR na caracterização de perfis e avaliação de atributos de solos típicos do Nordeste do Brasil. 2026. 157 f. Tese (Doutorado em Ciência do Solo) - Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2025.
Resumo: O solo é essencial para a existência da vida na Terra e para o desempenho de serviços ecossistêmicos, tornando imperativo o monitoramento eficiente dos seus atributos . Tradicionalmente, o solo é avaliado por meio de análises laboratoriais de química úmida, todavia, esta técnica tem se mostrado onerosa e demorada. Como alternativa promissora , o sensoriamento próximo com a técnica de espectroscopia de reflectância destaca-se por permitir realizar análises pedológicas rápidas e de baixo custo, sendo especialmente vantajosa para o estudo de regiões heterogêneas e susceptíveis à degradação , como o Nordeste brasileiro. Diante desse contexto, o presente estudo teve como objetivos: explorar o potencial dos espectros do visível ao infravermelho médio para caracterizar o comportamento espectral de solos da região Nordeste; quantificar os atributos físico-químicos desses solos, incluindo a salinidade e a sodicidade por meio da espectroscopia na faixa de 350 - 15000 nm e algoritmos de estatística multivariada. Foram avaliadas 114 amostras de solo, abrangendo nove ordens , coletadas em 24 perfis pedológicos distribuídos por 13 municípios do Ceará . Por meio das análises de química úmida foram determinado s os atributos: carbono orgânico, nitrogênio total, fósforo disponível, potássio, cálcio, magnésio, sódio e alumínio trocáveis, condutividade elétrica, pH , soma de bases, capacidade de troca catiônica, saturação de bases e a percentagem de saturação por sódio. A análise espectral avaliou a reflectância do solo nas faixas do visível, infravermelho próximo, infravermelho de ondas curtas (vis Nir SWIR) e infravermelho médio (MIR), tendo sido esses dados pré-processados com as técnicas de suavização com o filtro Savitzky-Golay e conversão para absorbância . O resultado da análise convencional foi avaliado com estatística descritiva. Os dados suavizados foram submetidos a análise de componentes principais (ACP), e os escores da ACP foram utilizados para análise de agrupamento com o algoritmo de classificação não supervisionada Fuzzy K-médias. Para a quantificação dos atributos, o s modelos preditivos foram desenvolvidos com os espectros brutos e pré-processados, utilizando se os algoritmos de Regressão por Mínimos Quadrados Parciais, Máquina de Vetor Suporte com funções Kernel lineares e radiais e Algoritmo Cubista . O desempenho dos modelos preditivos foi avaliado pelas métricas de R², RMSE, RPD e RPIQ. Os resultados da análise qualitativa revelaram comportamentos espectrais com padrões distintos entre as ordens de solo. A classificação não supervisionada agrupou amostras com base nas características dos horizontes, com a região MIR demonstrando maior sensibilidade para identifi car variações mais sutis entre os horizontes. Na análise quantitativa , todos os atributos foram preditos com desempenho, no mínimo, satisfatório, com exceção do cálcio que exibiu desempenho insatisfatório com R² inferior a 0,50. Os modelos desenvolvidos com dados do MIR superaram consistentemente o desempenho daqueles da faixa vis-NIR-SWIR para a maioria dos atributos. As predições da condutividade elétrica e da percentagem de saturação por sódio apresentaram desempenho razoável, evidenciando o potencial da técnica para o diagnóstico da salinidade e sodicidade dos solos. Esses resultados ratificam o potencial da espectroscopia de reflectância como uma uma ferramenta eficiente e alternativa para a caracterização e predição de atributos em solos heterogêneos
Abstract: Soil is essential for life on Earth and for the performance of ecosystem services, making efficient monitoring of its attributes essential. Traditionally, soil is evaluated through wet chemistry laboratory analyses, but this technique has proven to be costly and time consuming. As a promising alternative, remote sensing using reflectance spectroscopy stands out for allowing rapid and low cost pedological analyses, which is especially advantageous for the study of heterogeneous regions susceptible to degradation, such as Northeast Brazil. Given this context, the objectives of this study were: to explore the potential of visible to mid-infrared spectra to characterize the spectral behavior of soils in the Northeast region; to quantify the physical and chemical attributes of these soils, including salinity and sodicity, using spectroscopy in the 350 - 15000 nm range and multivariate statistical algorithms. A total of 114 soil samples were evaluated, covering nine orders, collected from 24 soil profiles distributed across 13 cities in Ceará. Through wet chemistry analyses, the following attributes were determined: organic carbon, total nitrogen, available phosphorus, exchangeable potassium, calcium, magnesium, sodium, and aluminum, electrical conductivity, pH, base sum, cation exchange capacity, base saturation, and sodium saturation percentage. Spectral analysis evaluated soil reflectance in the visible, near infrared, short wave infrared (vis-Nir-SWIR), and mid infrared (MIR) ranges, with data preprocessed using Savitzky Golay smoothing and conversion to absorbance. The results of the conventional analysis were evaluated using descriptive statistics. The smoothed data were subjected to principal component analysis (PCA), and the PCA scores were used for cluster analysis with the unsupervised Fuzzy K means classification algorithm. To quantify the attributes, predictive models were developed with raw and preprocessed spectra using Partial Least Squares Regression, Support Vector Machine with linear and radial kernel functions, and Cubist Algorithm algorithms. The performance of the predictive models was evaluated by the metrics R², RMSE, RPD, and RPIQ. The results of the qualitative analysis rev ealed spectral behaviors with distinct patterns between soil orders. Unsupervised classification grouped samples based on horizon characteristics, with the MIR region showing greater sensitivity to identify more subtle variations between horizons. In the quantitative analysis, all attributes were predicted with at least satisfactory performance, except for calcium, which showed unsatisfactory performance with R² below 0.50. The models developed with MIR data consistently outperformed those in the vis NIR SW IR range for most attributes. The predictions of electrical conductivity and sodium saturation percentage showed reasonable performance, highlighting the potential of the technique for diagnosing soil salinity and sodicity. These highlighting the potential of the technique for diagnosing soil salinity and sodicity. These results confirm the potential of reflectance spectroscopy as an efficient and alternative tool for characterizing and predicting attributes in heterogeneous soils.
URI: http://repositorio.ufc.br/handle/riufc/86069
ORCID do(s) Autor(es): https://orcid.org/0000-0002-5565-4031
Currículo Lattes do(s) Autor(es): https://lattes.cnpq.br/0787229746420725
ORCID do Orientador: https://orcid.org/0000-0001-5585-6832
Currículo Lattes do Orientador: https://lattes.cnpq.br/4361739592184749
ORCID do Coorientador: https://orcid.org/0000-0002-8901-7970
Currículo Lattes do Coorientador: https://lattes.cnpq.br/5947801599029550
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Aparece nas coleções:PPCS - Teses defendidas na UFC

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