Radiative transfer models (RTM) have been successfully used to simulate the effect of forest structural and biochemical characteristics, such as tree sizes and shapes, leaf area index (LAI), leaf angle distribution (LAD), on the canopy radiative budget. One particular use of RTM is the analysis of the reflected light by the canopy, which can be measured by remote sensing techniques. RTM allows a physically based interpretation of the reflectance quantity measured by satellite and can help disentangling the multiple source of variation of the reflectance signal. The DART model - Discrete Anisotropic Radiative Transfer - is one of the most complex three-dimensional RTM, since it uses an accurate mathematical approach of physical processes and a great realism of the landscapes under simulation. Its main simulation outputs are the reflectance of the scene (e.g. a forest stand) at particular spectral wavelength from bottom and top of the atmosphere, the simulation of satellite images, and the simulation of localized radiative budget. Despite the DART potential in analyzing biophysical parameters from remote sensing data, few studies report its application in forest plantations in Brazil, which can have a large number of important field measurements to parameterize the model. The main objective of this project is to evaluate if the DART RTM can help understand the satellite-measured canopy reflectance of Eucalyptus plantations and in particular if DART RTM can improve LAI estimation rather than use only empirical models, as spectral vegetation indices. DART model was parameterized using extensive in situ data obtained from a clonal test, part of the EucFlux project. The specific objectives were: i) parameterize the DART model at different growth stages and for different clonal materials of Eucalyptus plantations and compare simulated reflectance with high resolution satellite images acquired on the same site; ii) analyze the relationship between the Leaf Area Index (LAI) and Spectral Vegetation Indices (SVI) based on empirical relationships, and then use the DART model; iii) analyze the advantage and drawbacks of using a generic relationship or a clone-specific relationship between LAI and SVI, and find other criteria for grouping the genotypes in the same. In Chapter 2, we demonstrated the good performance of DART to simulate canopy reflectance of Eucalyptus forest plantations. The simulated reflectance was similar to those measured by very high resolution images from satellite, despite some discrepancies found in the near infrared region. Then, in Chapter 3, we showed that empirical relationships between LAI and SVI were able to give a reasonable precision for generic relationships; however, genotype-scale relationships gave even better results. The same methodology applied on a DART simulated dataset lead to the same conclusions. An intermediate possibility of grouping the genotypes regarding their litter or leaf optical properties gave intermediate performance. We finally concluded about the superiority of NDVI to estimate LAI using a genotype-specific calibration. Overall, DART simulated datasets created in this work enable to calibrate different LAI -SVI relationships in terms of genotypes, sensors and acquisition characteristics. / Modelos de transferência de radiação (MTR) têm sido utilizados com sucesso para simular o efeito das características estruturais e bioquímicas florestais, como tamanhos de árvores e formas, índice de área foliar (IAF), distribuição angular das folhas (DAF) e sobre o balanço de radiação. Um uso particular do MTR é a análise da radiação refletida pela copa, o que pode ser medido através de técnicas de sensoriamento remoto. O MTR pode permitir a interpretação física da quantidade de reflectância medido por satélite, e pode ajudar a diferenciar as múltiplas fontes de variação do sinal de reflectância. O modelo DART - Discrete Anisotropic Radiative Transfer - é um dos modelos tridimensionais de transferência de radiação mais complexos, uma vez que utiliza uma abordagem matemática precisa e um grande realismo na simulação das paisagens. Seus principais resultados de simulação são a reflectância da cena (por exemplo, um povoamento florestal) em determinado comprimento de onda espectral em relação ao topo e à base da atmosfera, a simulação de imagens de satélite e a simulação do balanço de radiação. Apesar do potencial do DART na análise de parâmetros biofísicos de paisagens florestais a partir de dados de sensoriamento remoto, existem poucos estudos sobre sua aplicação em povoamentos florestais no Brasil; que podem dispor de um elevado número de medições de campo importantes para a parametrização do modelo. O principal objetivo deste estudo foi avaliar se o DART pode ajudar a compreender o comportamento da reflectância do dossel das plantações de eucalipto oriunda de dados de imagens de satélite e, em particular, se DART pode melhorar a estimativa do IAF ao invés do uso somente de modelos empíricos como índices espectrais da vegetação. O DART foi parametrizado com extensos dados de campo adquiridos em um experimento com testes clonais do Projeto Eucflux. Os objetivos específicos foram: i) parametrizar o modelo DART em diferentes idades e com diferentes materiais genéticos de plantações de eucalipto e comparar a refletância simulada com imagens de satélite de alta resolução adquiridas no mesmo local; ii) analisar a relação entre o Índice de Área Foliar (IAF) e Índices Espectrais de Vegetação (IEV\'s) com base em relações empíricas, e, em seguida, usando o modelo DART; iii) analisar as vantagens e as limitações do uso de uma relação genérica ou uma relação específica do genótipo entre IAF e IV e encontrar outros critérios para agrupar os genótipos. No Capítulo 2 foi demonstrado bom desempenho do DART para simular a reflectância do dossel das florestas plantadas de eucalipto. As refletâncias simuladas foram semelhantes com as obtidas pelas imagens de satélite de alta resolução, apesar de algumas discrepâncias encontradas na região do infravermelho próximo. No Capítulo 3, foi mostrado que as relações empíricas entre os IEV\'s e os IAF\'s foram capazes de estimar com razoável precisão para as relações genéricas dos plantios. Contudo, as estimativas por genótipo deram resultados superiores. A mesma metodologia foi aplicada em um conjunto de dados simulados pelo DART com as mesmas conclusões. Uma possibilidade intermediária de agrupar os genótipos foi em função das propriedades ópticas da serapilheira ou das folhas, com desempenhos intermediários. Nós concluímos sobre a superioridade do NDVI para estimar o LAI usando uma calibração específica para cada genótipo. Em termos mais gerais, os dados simulados com o modelo DART utilizados neste trabalho permitiram calibrar diferentes relações IAF-IEV em função dos genótipos, sensores e características de aquisição.

Radiative transfer models (RTM) have been successfully used to simulate the effect of forest structural and biochemical characteristics, such as tree sizes and shapes, leaf area index (LAI), leaf angle distribution (LAD), on the canopy radiative budget. One particular use of RTM is the analysis of the reflected light by the canopy, which can be measured by remote sensing techniques. RTM allows a physically based interpretation of the reflectance quantity measured by satellite and can help disentangling the multiple source of variation of the reflectance signal. The DART model - Discrete Anisotropic Radiative Transfer - is one of the most complex three-dimensional RTM, since it uses an accurate mathematical approach of physical processes and a great realism of the landscapes under simulation. Its main simulation outputs are the reflectance of the scene (e.g. a forest stand) at particular spectral wavelength from bottom and top of the atmosphere, the simulation of satellite images, and the simulation of localized radiative budget. Despite the DART potential in analyzing biophysical parameters from remote sensing data, few studies report its application in forest plantations in Brazil, which can have a large number of important field measurements to parameterize the model. The main objective of this project is to evaluate if the DART RTM can help understand the satellite-measured canopy reflectance of Eucalyptus plantations and in particular if DART RTM can improve LAI estimation rather than use only empirical models, as spectral vegetation indices. DART model was parameterized using extensive in situ data obtained from a clonal test, part of the EucFlux project. The specific objectives were: i) parameterize the DART model at different growth stages and for different clonal materials of Eucalyptus plantations and compare simulated reflectance with high resolution satellite images acquired on the same site; ii) analyze the relationship between the Leaf Area Index (LAI) and Spectral Vegetation Indices (SVI) based on empirical relationships, and then use the DART model; iii) analyze the advantage and drawbacks of using a generic relationship or a clone-specific relationship between LAI and SVI, and find other criteria for grouping the genotypes in the same. In Chapter 2, we demonstrated the good performance of DART to simulate canopy reflectance of Eucalyptus forest plantations. The simulated reflectance was similar to those measured by very high resolution images from satellite, despite some discrepancies found in the near infrared region. Then, in Chapter 3, we showed that empirical relationships between LAI and SVI were able to give a reasonable precision for generic relationships; however, genotype-scale relationships gave even better results. The same methodology applied on a DART simulated dataset lead to the same conclusions. An intermediate possibility of grouping the genotypes regarding their litter or leaf optical properties gave intermediate performance. We finally concluded about the superiority of NDVI to estimate LAI using a genotype-specific calibration. Overall, DART simulated datasets created in this work enable to calibrate different LAI -SVI relationships in terms of genotypes, sensors and acquisition characteristics. / Modelos de transferência de radiação (MTR) têm sido utilizados com sucesso para simular o efeito das características estruturais e bioquímicas florestais, como tamanhos de árvores e formas, índice de área foliar (IAF), distribuição angular das folhas (DAF) e sobre o balanço de radiação. Um uso particular do MTR é a análise da radiação refletida pela copa, o que pode ser medido através de técnicas de sensoriamento remoto. O MTR pode permitir a interpretação física da quantidade de reflectância medido por satélite, e pode ajudar a diferenciar as múltiplas fontes de variação do sinal de reflectância. O modelo DART - Discrete Anisotropic Radiative Transfer - é um dos modelos tridimensionais de transferência de radiação mais complexos, uma vez que utiliza uma abordagem matemática precisa e um grande realismo na simulação das paisagens. Seus principais resultados de simulação são a reflectância da cena (por exemplo, um povoamento florestal) em determinado comprimento de onda espectral em relação ao topo e à base da atmosfera, a simulação de imagens de satélite e a simulação do balanço de radiação. Apesar do potencial do DART na análise de parâmetros biofísicos de paisagens florestais a partir de dados de sensoriamento remoto, existem poucos estudos sobre sua aplicação em povoamentos florestais no Brasil; que podem dispor de um elevado número de medições de campo importantes para a parametrização do modelo. O principal objetivo deste estudo foi avaliar se o DART pode ajudar a compreender o comportamento da reflectância do dossel das plantações de eucalipto oriunda de dados de imagens de satélite e, em particular, se DART pode melhorar a estimativa do IAF ao invés do uso somente de modelos empíricos como índices espectrais da vegetação. O DART foi parametrizado com extensos dados de campo adquiridos em um experimento com testes clonais do Projeto Eucflux. Os objetivos específicos foram: i) parametrizar o modelo DART em diferentes idades e com diferentes materiais genéticos de plantações de eucalipto e comparar a refletância simulada com imagens de satélite de alta resolução adquiridas no mesmo local; ii) analisar a relação entre o Índice de Área Foliar (IAF) e Índices Espectrais de Vegetação (IEV\'s) com base em relações empíricas, e, em seguida, usando o modelo DART; iii) analisar as vantagens e as limitações do uso de uma relação genérica ou uma relação específica do genótipo entre IAF e IV e encontrar outros critérios para agrupar os genótipos. No Capítulo 2 foi demonstrado bom desempenho do DART para simular a reflectância do dossel das florestas plantadas de eucalipto. As refletâncias simuladas foram semelhantes com as obtidas pelas imagens de satélite de alta resolução, apesar de algumas discrepâncias encontradas na região do infravermelho próximo. No Capítulo 3, foi mostrado que as relações empíricas entre os IEV\'s e os IAF\'s foram capazes de estimar com razoável precisão para as relações genéricas dos plantios. Contudo, as estimativas por genótipo deram resultados superiores. A mesma metodologia foi aplicada em um conjunto de dados simulados pelo DART com as mesmas conclusões. Uma possibilidade intermediária de agrupar os genótipos foi em função das propriedades ópticas da serapilheira ou das folhas, com desempenhos intermediários. Nós concluímos sobre a superioridade do NDVI para estimar o LAI usando uma calibração específica para cada genótipo. Em termos mais gerais, os dados simulados com o modelo DART utilizados neste trabalho permitiram calibrar diferentes relações IAF-IEV em função dos genótipos, sensores e características de aquisição.

Submitted by Nathália Faria da Silva (nathaliafsilva.ufv@gmail.com) on 2017-06-29T12:22:22Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 477656 bytes, checksum: cea2de70b65934a2e11243d6f2e56b4e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-06-29T12:22:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 477656 bytes, checksum: cea2de70b65934a2e11243d6f2e56b4e (MD5) Previous issue date: 2005-10-31 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Os ecossistemas florestais representam uma alternativa viável para mitigar o aumento da concentração de CO 2 na atmosfera, via fixação do C pelas árvores e seu armazenamento na biomassa e no solo como matéria orgânica. A quantificação do carbono (C) imobilizado nesses sistemas é uma das principais necessidades na região Tropical. Este trabalho teve como objetivo comparar três métodos analíticos de determinação do carbono do solo e estimar o estoque de carbono no solo e na biomassa de plantações de eucalipto na região Centro-Leste do Estado de Minas Gerais, abrangendo cinco regiões: Cocais (CO), Rio Doce (RD), Sabinópolis (SA), Santa Bárbara (SB) e Virginópolis (VI). Foram comparados três métodos de determinação de carbono do solo: Walkley- Black, Yeomans & Bremner e combustão seca (CHNS/O), utilizando amostras de diferentes classes e profundidades de solo, a fim de estimar o estoque de carbono no solo. Avaliaram-se, também, a biomassa e o estoque de C orgânico dos componentes das árvores (parte aérea e raízes) e da manta orgânica depositada sobre o solo. Foi calculado o estoque de C no solo até 100 cm de profundidade em plantações de eucalipto implantadas em áreas com predomínio de seis classes de solo: Cambissolo Háplico (CX), Latossolo Amarelo (LA), Latossolo Vermelho (LV), Latossolo Vermelho-Amarelo (LVA), Neossolo Flúvico (RU) e Plintossolo Pétrico (FF). Os resultados obtidos dos métodos de determinação de carbono correlacionam-se positiva e significativamente entre si, nas classes de solos e profundidades analisadas. Os métodos Walkley-Black e Yeomans & Bremner tenderam a subestimar os teores de C em relação ao método de referência, CHNS/O, tanto no que se refere às camadas superficiais quanto àquelas mais profundas, com menores teores de C. Quanto ao estoque de carbono no solo e à produção de biomassa, os resultados demonstraram haver diferenças entre as referidas regiões. A região mais produtiva, em termos de biomassa média anual da parte aérea e raízes, aos 84 meses de idade, foi SA, com 32,80 t/ha/ano, decrescendo nos anos subseqüentes, até atingir 31,18 t/ha/ano aos 120 meses de idade. Fato semelhante ocorreu nas regiões de RD e SB, com produtividades de 29,92 e 29,70 t/ha/ano aos 84 meses e 21,09 e 25,21 t/ha/ano aos 120 meses de idade, respectivamente. Constatou-se que a estabilização da produtividade ocorreu após 96 meses de idade em SA e aos 84 meses para as regiões de RD e SB. No tocante às regiões de CO e VI, a produtividade e o estoque de carbono médio anuais mantiveram taxas crescentes até 120 meses de idade, indicando que a maior produtividade ocorre em idades mais avançadas. Do ponto de vista biológico e econômico, o corte desses plantios deve ser prolongado até obter o incremento médio anual máximo. A produtividade e o estoque de carbono médio dessas plantações foram, respectivamente, de 26,96 t/ha/ano de biomassa e 13,64 t/ha/ano de C. No solo, o maior estoque de C ocorreu no LV, com 183,07 t/ha de C, seguido pelas classes de CX, LVA, LA, FF e RU, com 135,65, 130,95, 121,58, x112,01 e 95,08 t/ha de C, respectivamente. Já em relação ao estoque médio de C no solo por região, considerando todas as classes de solo, a região de VI foi a que mais estocou carbono, com 141,22 t/ha de C até 100 cm de profundidade, seguida pelas regiões: SA, CO, SB e RD com 135,54, 127,26, 112,89 e 80,79 t/ha de C, respectivamente. Considerando o estoque de C total no sistema solo-biomassa, aos 84 meses de idade, a região de SA foi a que apresentou maior estoque, com 251,61 t/ha, e a região de RD, o menor estoque, com 186,84 t/ha de C, reflexo das condições edafoclimáticas menos favoráveis (baixa fertilidade do solo, déficit hídrico, temperatura e altitude). / Forest ecosystems represent alternatives to mitigate the increase of CO 2 in the atmosphere, by the photosynthetic process and storage of the absorbed carbon (C) in tree biomass and as soil organic matter. Forest growth rate is very high in the tropical region and forest plantations have been considered as an efficient option to reduce CO 2 concentration in the atmosphere. Eucalypt is the main forest species used for planting in Brazil, but very little information is available in the literature on the amount of carbon stored in the soil and in the biomass of these plantation forests. The main objective of this work was to compare three methods of soil carbon determination in the laboratory and to assess the amount of carbon stored in the soil and in the biomass of eucalypt plantations in the Central-East region of Minas Gerais State, Brazil. Eucalypt plantations of five micro- regions (CO, RD, SB, SA, and VI), with varying climatic and soil xiiconditions, were sampled for tree biomass and soil carbon down to 100 cm depth. Soil carbon content was determined by two methods of wet combustion (Walkley-Black and Yeomans & Bremner) and one of dry combustion (CHNS/O Analyser), using samples from six soil classes and different horizons. Carbon in tree components (above and below ground) and in the forest floor was estimated using allometric equations. There was a significant correlation between soil carbon content as determined by three methods tested. However, the wet combustion methods tended to underestimate carbon content as compared to the dry combustion method. The carbon stored in the soil-plant system differed among micro-regions. The highest rate of biomass production was obtained in SA (32.80 t ha -1 yr -1 , at the age of 84 months, and decreased to 31.18 t ha -1 yr -1 at 120 months of age) and the lowest in RD and SB (29,92 e 29,70 t ha -1 yr -1 , at the age of 84 months, respectively). Tree growth regime varied among micro-regions, stabilizing at age 96 months in SA and at 84 months in RD and SB, but still increasing at age of 120 months in CO and VI micro-regions. Soil carbon storage ranged from 183.1 t ha -1 in the Red Latosol to 95.1 t ha -1 in the Inceptisol, and was negatively correlated to soil K, Ca , and Mg content, because the close relation between tree biomass and nutrient uptake, and density of the soil upper layer. Soil carbon was also negatively related with mean annual temperature and water deficit and positively with elevation. As regarding to the micro-regions, VI presented the highest (141.2 t ha -1 ) and Rd the lowest (80.8 t ha -1 ) soil carbon storage. Considering the soil- plant ecosystem and the regular rotation age (84 months), the micro-region SA has the largest carbon storage (251.6 t ha -1 ) and Rd the lowest (186.8 t ha -1 ) which reflects the climatic and soil conditions for this latter site, i.e., lower soil fertility, higher water deficit and higher mean annual temperature.

Este trabalho contribui para a evolução dos métodos que lidam com a quantificação de biomassa em plantações florestais em grande escala. Mais especificamente, explora o potencial de novos métodos baseados em sistemas de escaneamento a laser aerotransportado (ALS) que produzem uma representação 3D da estrutura vertical e horizontal acima do solo em plantios de Eucalyptus spp. A abordagem assume que a biomassa acima do solo pode ser estimada de forma precisa quando o perfil vertical da altura do dossel e a área basal são bem conhecidos. Assim, quatro questões foram analisadas: (i) se a função de densidade probabilidade Weibull com dois parâmetros (escala ? e forma ?) consegue descrever com precisão a distribuição vertical de pontos gerada pela tecnologia ALS e gerar um perfil aparente de altura de dossel adequado em plantios de eucalipto; (ii) se quando gerada por tecnologia ALS, a proporção de retornos no subdossel e solo tem relação significativa e positiva com a variável área basal; (iii) qual a qualidade da predição de área basal e de biomassa seca de lenho quando são usadas como variáveis explicativas um percentil baixo de altura da nuvem ALS e o parâmetro de escala da distribuição Weibull ajustada para definir o perfil vertical do dossel; e (iv) qual a qualidade dos mapas de biomassa de lenho de plantios de eucaliptos quando produzidos a partir de dois métodos diferentes, um de interpolação de dados das parcelas de campo (krigagem ordinária) e outro que usa a nuvem de pontos ALS para calibrar as informações das parcelas de campo (regressão linear). Os resultados mostraram que a função Weibull de dois parâmetros ajustou com precisão adequada o perfil das alturas do plantio de eucalipto. Do ponto de vista prático, esse resultado reforça as estratégias de uso dos parâmetros da função Weibull (escala e forma) como métricas que caracterizam adequadamente a estrutura vertical dos povoamentos florestais. A estimativa de área basal em função da proporção de retornos no subdossel e no solo mostrou-se moderada (R² = 0.42 e rRMSE = 7.6%), sendo necessários mais estudos que investiguem essa relação. As predições de área basal e biomassa do lenho foram aprimoradas em função do parâmetro ? da função Weibull, usado como estimador de escala para as alturas do dossel (área basal, R² = 0.77 e rRMSE = 4.8% e biomassa do lenho, R² = 0.89 e rRMSE = 5.1%). As variáveis, percentil 30 e parâmetro de forma (?) da função Weibull, também produziram boas estimativas (R² = 0.82 para área basal e R² = 0.93 para biomassa de lenho). Os mapas de predição de biomassa de lenho mostraram-se mais precisos quando derivados a partir de dados ALS (rRMSE = 5.5% versus 12.7% na interpolação por krigagem ordinária). / This work contributes to the evolution of methods dealing with the quantification of biomass in large-scale forest plantations. More specifically, it explores the potential of new methods based on airborne laser scanning systems to produce a 3D representation of the vertical and horizontal structure of above ground Eucalyptus spp plantations. The approach assumes that above ground biomass can be precisely estimated when the vertical profile of canopy heights and basal area are well known. Thus, four questions are examined: (i) can the Weibull probability density function (pdf) with two parameters (? scale and ? shape) describe accurately the vertical distribution of points generated by the ALS technology and generate an adequate apparent profile of canopy heights for the eucalyptus plantation?; (ii) when generated by the ALS technology, is the proportion of understory returns to ground returns significantly and positively related with basal area?; (iii) how well are basal area and dry stem biomass predicted by models using low height percentile values of the ALS point cloud and the scale parameter of the Weibull distribution describing the vertical canopy profile?; and (iv) how accurate are stem biomass maps of the eucalyptus plantation when two different methods are used, one based on interpolation that uses sample plots information (ordinary kriging) and another that uses the ALS point cloud to calibrate the sample plot information (linear regression)? The results showed that the Weibull pdf with two parameters fitted with adequate accuracy the plantation\'s height profiles. From a practical standpoint, this result reinforces the strategies of using the Weibull parameters (scale and shape) as metrics that adequately characterize the vertical structure of forest stands. Basal area estimates derived from the proportion of understory and ground returns presented only moderated accuracy (R² = 0.42 e rRMSE = 7.6%) and more research is needed to investigate such relationship. Good results were obtained when basal area and stem biomass were fitted as a function of the Weibull ? parameter, as a proxy for the scale of canopy heights (basal area, R² = 0.77 e rRMSE = 4.8%, and stem biomass, R² = 0.89 and rRMSE = 5.1%). The explanatory variables percentile 30 and the Weibull shape parameter (?) also produced good estimates (R² = 0.82 for basal area and R² = 0.93 for stem biomass). Stem biomass prediction maps showed to be more accurate when derived from ALS data (rRMSE = 5.5% against 12.7% derived from ordinary kriging interpolation).

Orientador: Salatier Buzetti / Resumo: O desenvolvimento radicular em plantações de eucalipto tem sido apontado como uma das estratégias cruciais para sua adaptação e crescimento, em especial, em condições tropicais, que possuem solos pobres em nutrientes. Neste contexto, torna-se extremamente importante avaliar o perfil do solo nestas plantações, a luz de uma perspectiva de fornecimento de nutrientes e água para as plantações de eucalipto. Tendo isto em vista, especificamente nesta tese, dois trabalhos foram conduzidos para avaliar os atributos do solo e o desenvolvimento radicular em plantações de eucalipto no brasil, a saber: 1) Disponibilidade de Água no Solo em Plantios de Eucalipto em uma Cronossequência, e suas Relações com a Produtividade e Densidade Básica da Madeira e suas Estimativas Através de Redes Neurais Artificiais no Brasil; 2) Padrões e Distribuição Vertical dos Atributos do Solo na Plantação de Eucalipto no Brasil. A rede experimental completa possui 34 experimentos plantados em um gradiente climático no Brasil e 2 locais no Uruguai, com 36 locais experimentais no total. Avaliaram-se sítios desde baixo incremento médio anual (13,7 m³ ha-1 ano-1, 61% abaixo da média nacional de produtividade), até sítios com elevada produtividade com IMA de 67,2 m³ há-1 ano-1 (92% acima da média nacional de produção de madeira). No trabalho 1, avaliaram-se14 experimentos, e no trabalho 2, 4 experimentos, todos eles ao longo de um forte gradiente climático no Brasil. No caso do trabalho 1 foram avaliados atributos... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: The root development in eucalyptus plantations has been pointed out as one of the crucial strategies for their adaptation and growth, especially in tropical conditions, which have nutrient poor soils. In this context, it is extremely important to evaluate the soil profile in these plantations, considering a nutrient and water supply perspective for eucalyptus plantations. With this in mind, specifically in this thesis, two studies were conducted to evaluate soil attributes and root development in eucalyptus plantations in Brazil, namely: 1) Availability of Soil Water in Eucalyptus Plantations in a Chronosequence, and their Relationships with the Productivity and Basic Density of Madeira and its Estimates through Artificial Neural Networks in Brazil; 2) Patterns and Vertical Distribution of Soil Attributes in Eucalyptus Plantation in Brazil. The complete experimental network has 34 experiments planted in a climatic gradient in Brazil and 2 sites in Uruguay, with 36 experimental sites in total. Sites were evaluated from low average annual increment (13.7 m³ ha-1 year-1, 61% below the national average of productivity), to sites with high productivity with an IMA of 67.2 m³ ha-1 year -1 (92% above the national average of wood production). In work 1, 14 experiments were evaluated, and in the work 2, 4 experiments, all of them along a strong climatic gradient in Brazil. In the case of work 1, physical attributes of the soils (clay, silt, total sand, field capacity, permanent wiltin... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

Este trabalho contribui para a evolução dos métodos que lidam com a quantificação de biomassa em plantações florestais em grande escala. Mais especificamente, explora o potencial de novos métodos baseados em sistemas de escaneamento a laser aerotransportado (ALS) que produzem uma representação 3D da estrutura vertical e horizontal acima do solo em plantios de Eucalyptus spp. A abordagem assume que a biomassa acima do solo pode ser estimada de forma precisa quando o perfil vertical da altura do dossel e a área basal são bem conhecidos. Assim, quatro questões foram analisadas: (i) se a função de densidade probabilidade Weibull com dois parâmetros (escala ? e forma ?) consegue descrever com precisão a distribuição vertical de pontos gerada pela tecnologia ALS e gerar um perfil aparente de altura de dossel adequado em plantios de eucalipto; (ii) se quando gerada por tecnologia ALS, a proporção de retornos no subdossel e solo tem relação significativa e positiva com a variável área basal; (iii) qual a qualidade da predição de área basal e de biomassa seca de lenho quando são usadas como variáveis explicativas um percentil baixo de altura da nuvem ALS e o parâmetro de escala da distribuição Weibull ajustada para definir o perfil vertical do dossel; e (iv) qual a qualidade dos mapas de biomassa de lenho de plantios de eucaliptos quando produzidos a partir de dois métodos diferentes, um de interpolação de dados das parcelas de campo (krigagem ordinária) e outro que usa a nuvem de pontos ALS para calibrar as informações das parcelas de campo (regressão linear). Os resultados mostraram que a função Weibull de dois parâmetros ajustou com precisão adequada o perfil das alturas do plantio de eucalipto. Do ponto de vista prático, esse resultado reforça as estratégias de uso dos parâmetros da função Weibull (escala e forma) como métricas que caracterizam adequadamente a estrutura vertical dos povoamentos florestais. A estimativa de área basal em função da proporção de retornos no subdossel e no solo mostrou-se moderada (R² = 0.42 e rRMSE = 7.6%), sendo necessários mais estudos que investiguem essa relação. As predições de área basal e biomassa do lenho foram aprimoradas em função do parâmetro ? da função Weibull, usado como estimador de escala para as alturas do dossel (área basal, R² = 0.77 e rRMSE = 4.8% e biomassa do lenho, R² = 0.89 e rRMSE = 5.1%). As variáveis, percentil 30 e parâmetro de forma (?) da função Weibull, também produziram boas estimativas (R² = 0.82 para área basal e R² = 0.93 para biomassa de lenho). Os mapas de predição de biomassa de lenho mostraram-se mais precisos quando derivados a partir de dados ALS (rRMSE = 5.5% versus 12.7% na interpolação por krigagem ordinária). / This work contributes to the evolution of methods dealing with the quantification of biomass in large-scale forest plantations. More specifically, it explores the potential of new methods based on airborne laser scanning systems to produce a 3D representation of the vertical and horizontal structure of above ground Eucalyptus spp plantations. The approach assumes that above ground biomass can be precisely estimated when the vertical profile of canopy heights and basal area are well known. Thus, four questions are examined: (i) can the Weibull probability density function (pdf) with two parameters (? scale and ? shape) describe accurately the vertical distribution of points generated by the ALS technology and generate an adequate apparent profile of canopy heights for the eucalyptus plantation?; (ii) when generated by the ALS technology, is the proportion of understory returns to ground returns significantly and positively related with basal area?; (iii) how well are basal area and dry stem biomass predicted by models using low height percentile values of the ALS point cloud and the scale parameter of the Weibull distribution describing the vertical canopy profile?; and (iv) how accurate are stem biomass maps of the eucalyptus plantation when two different methods are used, one based on interpolation that uses sample plots information (ordinary kriging) and another that uses the ALS point cloud to calibrate the sample plot information (linear regression)? The results showed that the Weibull pdf with two parameters fitted with adequate accuracy the plantation\'s height profiles. From a practical standpoint, this result reinforces the strategies of using the Weibull parameters (scale and shape) as metrics that adequately characterize the vertical structure of forest stands. Basal area estimates derived from the proportion of understory and ground returns presented only moderated accuracy (R² = 0.42 e rRMSE = 7.6%) and more research is needed to investigate such relationship. Good results were obtained when basal area and stem biomass were fitted as a function of the Weibull ? parameter, as a proxy for the scale of canopy heights (basal area, R² = 0.77 e rRMSE = 4.8%, and stem biomass, R² = 0.89 and rRMSE = 5.1%). The explanatory variables percentile 30 and the Weibull shape parameter (?) also produced good estimates (R² = 0.82 for basal area and R² = 0.93 for stem biomass). Stem biomass prediction maps showed to be more accurate when derived from ALS data (rRMSE = 5.5% against 12.7% derived from ordinary kriging interpolation).