Sensors based on LiDAR (Light Detection and Ranging) technology have the potential to provide accurate 3D models of the trees retrieving information such as canopy volume and height. This information can be used for diagnostics and prescriptions of fertilizers and plant protection products on a site-specific basis. This research aimed to investigate the use of LiDAR sensors in orange crops. Orange is one of the most important tree crop in Brazil. So far, research have developed and tested LiDAR based systems for several tree crops. However, usually individual trees or small field plots have been used. Therefore, several aspects related to data acquisition and processing must still be developed for large-scale application. The first study reported in this document (Chapter 3) aimed to develop and test a mobile terrestrial laser scanner (MTLS) and new data processing methods in order to obtain 3D models of large commercial orange groves and spatial information about canopy geometry. A 2D laser sensor and a RTK-GNSS receiver (Real Time Kinematics - Global Navigation Satellite System) were mounted on a vehicle. The data processing was based on generating a georeferenced point cloud, followed by the filtering, classification and surface reconstruction steps. A 25 ha commercial orange grove was used for field validation. The developed data acquisition and processing system was able to produce a reliable point cloud of the grove, providing high resolution canopy volume and height information. The choice of the type of point cloud classification (by individual trees or by transversal sections of the row) and the surface reconstruction algorithm is discussed in this study. The second study (Chapter 4) aimed to characterize the spatial variability of canopy geometry in commercial orange groves. Understanding such variability allows sensor-based variable rate application of inputs (i.e, applying proportional rates of inputs based on the variability of canopy size) to be considered as a suitable strategy to optimize the use of fertilizers and plant protection products. Five commercial orange groves were scanned with the developed MTLS system. According to the variability of canopy volume found in those groves, the input savings as a result of implementing sensor-based variable rate technologies were estimated in about 40%. The second goal of this study was to understand the relationship between canopy geometry and several other relevant attributes of the groves. The canopy volume and height maps of three groves were analyzed against historical yield maps, elevation, soil electrical conductivity, organic matter and clay content maps. The correlations found between canopy geometry and yield or soil maps varied from poor to strong correlations, depending on the grove. When classifying the groves into three classes according to canopy size, the yield performance and soil features inside each class was found to be significantly different, indicating that canopy geometry is a suitable variable to guide management zones delineation in one grove. Overall results from this research show the potential of MTLS systems and subsequent data analysis in orange crops indicating how canopy geometry information can be used in site-specific management practices. / Sensores baseados em tecnologia LiDAR (Light Detection and Ranging) têm o potencial de fornecer modelos tridimensionais de árvores, provendo informações como o volume e altura de copa. Essas informações podem ser utilizadas em diagnósticos e recomendações localizadas de fertilizantes e defensivos agrícolas. Este estudo teve como objetivo investigar o uso de sensores LiDAR na cultura da laranja, uma das principais culturas de porte arbóreo no Brasil. Diversas pesquisas têm desenvolvido sistemas LiDAR para culturas arbóreas. Porém, normalmente tais sistemas são empregados em plantas individuais ou em pequenas áreas. Dessa forma, diversos aspectos da aquisição e processamento de dados ainda devem ser desenvolvidos para viabilizar a aplicação em larga escala. O primeiro estudo deste documento (Capítulo 3) focou no desenvolvimento de um sistema LiDAR (Mobile Terrestrial Laser Scanner - MTLS) e nova metodologia de processamento de dados para obtenção de informações acerca da geometria das copas em pomares comerciais de laranja. Um sensor a laser e um receptor RTK-GNSS (Real Time Kinematics - Global Navigation Satellite System) foram instalados em um veículo para leituras em campo. O processamento de dados foi baseado na geração de uma nuvem de pontos, seguida dos passos de filtragem, classificação e reconstrução da superfície das copas. Um pomar comercial de laranja de 25 ha foi utilizado para a validação. O sistema de aquisição e processamento de dados foi capaz de produzir uma nuvem de pontos representativa do pomar, fornecendo informação sobre geometria das plantas em alta resolução. A escolha sobre o tipo de classificação da nuvem de pontos (em plantas individuais ou em seções transversais das fileiras) e sobre o algoritmo de reconstrução de superfície, foi discutida nesse estudo. O segundo estudo (Capítulo 4) buscou caracterizar a variabilidade espacial da geometria de copa em pomares comerciais. Entender tal variabilidade permite avaliar se a aplicação em taxas variáveis de insumos baseada em sensores LiDAR (aplicar quantias de insumos proporcionais ao tamanho das copas) é uma estratégia adequada para otimizar o uso de insumos. Cinco pomares comerciais foram avaliados com o sistema MTLS. De acordo com a variabilidade encontrada, a economia de insumos pelo uso da taxa variável foi estimada em aproximadamente 40%. O segundo objetivo desse estudo foi avaliar a relação entre a geometria de copa e diversos outros parâmetros dos pomares. Os mapas de volume e altura de copa foram comparados aos mapas de produtividade, elevação, condutividade elétrica do solo, matéria orgânica e textura do solo. As correlações entre geometria de copa e produtividade ou fatores de solo variaram de fraca até forte, dependendo do pomar. Quando os pomares foram divididos entre três classes com diferentes tamanhos de copas, o desempenho em produtividade e as características do solo foram distintas entre as três zonas, indicando que parâmetros de geometria de copa são variáveis úteis para a delimitação de unidades de gestão diferenciada em um pomar. Os resultados gerais desta pesquisa mostraram o potencial de sistemas MTLS para pomares de laranja, indicando como a geometria de copa pode ser utilizada na gestão localizada de pomares de laranja.

Devido à existência de variabilidade espacial nos fatores que afetam o desenvolvimento do algodoeiro, faz-se necessário investigar a hipótese de que existem diferenças na dose de máximo retorno econômico da aplicação de nitrogênio (N) em cobertura e de fitorreguladores em áreas de cultivo de algodão. Assim, esse trabalho teve como objetivo investigar o potencial da utilização de sensores ativos de dossel para detecção da variabilidade espacial do desenvolvimento das plantas e da nutrição nitrogenada existente em áreas de produção de algodão, bem como estabelecer estratégias de gestão da variabilidade com o uso de taxas variáveis na adubação nitrogenada de cobertura e na aplicação de fitorreguladores no algodoeiro. Foram conduzidos experimentos em áreas comerciais de cultivo do algodoeiro localizadas em Chapadão do Céu - GO nas safras 2012/2013 e 2013/2014 e em Campo Verde - MT na safra 2014/2015. Avaliou-se o desempenho de dois modelos de sensores ativos de dossel em predizer a altura de plantas e o acúmulo de biomassa e N no algodoeiro, considerando dois sistemas de produção (espaçamento convencional e adensado) e vários estádios de desenvolvimento da cultura. Foram instaladas parcelas para calibração das curvas de dose resposta do algodoeiro ao nitrogênio em cobertura em diferentes condições de desenvolvimento da cultura relacionadas a variações no solo ou no histórico de produtividades no interior do talhão. Com base nos resultados dos experimentos foram desenvolvidos e validados algoritmos para aplicação em taxas variáveis de N e fitorreguladores, adotando-se o conceito de experimentos em nível de fazenda, com o modelo estatístico considerando a condutividade elétrica do solo como uma covariável e uma matriz de variância-covariância espacial, que foi ajustada pelo método da máxima verossimilhança. O desempenho geral dos sensores foi satisfatório, sendo capazes de predizer a altura de plantas e o acúmulo de biomassa e N no algodoeiro com valores de R2 acima de 0,90. Observou-se interação significativa com o espaçamento das fileiras e a fase de desenvolvimento da cultura, com performance inferior em situações de pequena variabilidade na cultura ou de acúmulo de biomassa muito grande. A resposta do algodoeiro ao nitrogênio aplicado em cobertura variou de acordo com as condições de cultivo de cada experimento. Maiores respostas foram observadas em áreas de médio e baixo potencial produtivo, existindo talhões e partes de talhões em que a aplicação de N não proporcionou incremento de produtividade, enquanto que em outras áreas observou-se aumento de produtividade expresso por uma relação quadrática entre a dose aplicada e a produtividade. No talhão com as maiores diferenças, a dose de máximo retorno econômico foi de 0 kg ha-1 na região de alto potencial produtivo, 165 kg ha-1 na região de médio potencial produtivo e 280 kg ha-1 na região de baixo potencial produtivo. Na análise dos experimentos em nível de fazenda, o melhor ajuste foi obtido no modelo que considera a dependência espacial dos resíduos, evidenciando que em experimentos dessa dimensão não se deve assumir que os princípios da estatística clássica são sempre satisfeitos. Em três áreas não foram observadas diferenças significativas entre a aplicação do N em cobertura em taxa fixa ou usando os algoritmos para aplicação em taxa variável, devido à homogeneidade da área e da interferência de outros fatores. Em uma das áreas observou-se vantagem para a aplicação em taxas variáveis usando o algoritmo que recomenda aplicação de maiores doses de N nos locais em que as plantas apresentam menor desenvolvimento vegetativo, com produtividade cerca de 100 kg ha-1 que a aplicação em taxa fixa e cerca de 300 kg ha-1 superior à obtida com a aplicação em taxas variáveis usando o algoritmo que recomenda aplicação de maiores doses de N nos locais em que as plantas apresentam-se mais vigorosas. A aplicação de fitorreguladores em taxas variáveis não apresentou efeito significativo na produtividade de algodão em caroço, entretanto o volume consumido dos produtos foi em média 18% menor na aplicação em taxa variável, principalmente em função das áreas que não foram aplicadas por apresentarem desenvolvimento vegetativo reduzido. / Due to the existence of spatial variability in factors affecting cotton development, it is necessary to investigate the hypothesis that there are differences in the economic optimum fertilizer rates of top dressing nitrogen (N) and plant growth regulators (PGR) applications in cotton fields. Thus, the objective of this study was to investigate the potential of using active crop canopy sensors to detect the spatial variability of plant development and nitrogen nutrition in cotton fields and to establish strategies for managing spatial variability using variable rate technology to apply N and PGR in cotton. We conducted experiments in commercial cotton production fields located in the state of Goiás, in 2012/2013 and 2013/2014 seasons, and in the state of Mato Grosso, in 2014/2015 season. We evaluated the performance of two models of active crop canopy sensors to predict the height of plants and the accumulation of biomass and N in cotton, considering two production systems (conventional and narrow row spacing) and various growth stages. Within-field variations in the response curve to the increasing doses of nitrogen was evaluated under different crop development conditions related to variations in soil and historical yields. Based on the results of the experiments we developed and validated algorithms for variable rate application of N and PGR, using on-farm experiments. The statistical model considered the soil electrical conductivity as a covariate and a spatial variance-covariance matrix, which was adjusted by maximum likelihood. The overall performance of the sensors was satisfactory, predicting the height of plants and the accumulation of biomass and N in cotton with R2 values above 0.90. There was a significant interaction with the row spacing and the development stage of the crop, with lower performance in situations of low variability or very large biomass accumulation. The cotton response to top dressing nitrogen varied according to growing conditions of each experiment. Major responses were observed in areas of medium and low yield potential. There were fields and plots within fields in which the application of N did not increased yields, while in other areas there was a quadratic relationship between the dose applied and yield. In the field with the biggest differences, the economic optimum fertilizer rates of top dressing N was 0, 165 and 280 kg ha-1 in the high, medium and low yield potential zones, respectively. In the analysis of on-farm experiments, the best fit was obtained in the model that considered the spatial dependence of the residues, showing that experiments of this size we should not assume that the principles of classical statistics are always satisfied. In three areas, there was no significant differences between the application of N in fixed rate or using the algorithms for variable rate application, due to the homogeneity of the areas and the interference of external factors. In one of the areas, there was an advantage for application at variable rates using the algorithm that recommends application of higher doses of N in places where the plants have low vegetative development. The yields were about 100 kg ha-1 higher than the application of a fixed rate and 300 kg ha-1 higher than that obtained with the application of variable rates using the algorithm that recommends applying higher doses of N in places where the plants were more vigorous. The variable rate application of PGR had no significant effect on cottonseed yield, however the amount of products used was on average 18% lower in the variable rate application, mainly due to the not applied areas.

A população de plantas é um dos fatores que impacta fortemente na produtividade da cultura do milho (Zea mays); justá-la localmente é uma das estratégias para gerenciar a variabilidade das lavouras e otimizar o uso de recursos do ambiente que não estão sob o controle do produtor rural, como o tipo de solo e a capacidade de retenção de água. O objetivo desse estudo foi investigar a produtividade de híbridos de milho submetidos à semeadura em taxas variáveis (STV) em unidades de gestão diferenciada (UGD). Foi utilizado o total de dez híbridos de milho testados em cinco níveis de populações de plantas a partir da população regularmente recomendada (60%, 80%, 100%, 120% e 140%). Foram conduzidos cinco experimentos em talhões comerciais entre os anos de 2012 e 2015, no Brasil, na região Centro-Oeste (Maracajú -MS), durante a segunda safra de verão (safrinha) e na região Sul (Piraí do Sul - PR), durante a safra de verão. A pesquisa foi dividida em duas etapas principais: (1) delimitação das UGD e (2) implantação dos experimentos em faixas variando híbridos e população de plantas ao longo das UGD. Foram utilizados mapas históricos de produtividade (MP), mapa de condutividade elétrica do solo (CE) e mapa de altitude como atributos que deram origem às UGD. Dois métodos distintos de agrupamentos foram analisados: o método de \"cluster\" por \"K-means\" e o método pela média normalizada. As análises das UGD foram realizadas com base na estatística descritiva. Os experimentos em faixas tiveram os dados de produtividade referentes aos híbridos, população e UGD submetidos às análises de variância pelo F-teste e ANOVA e análise de regressão em função dos níveis de população de plantas por área. Foi possível discriminar, através das UGD, diferentes níveis de produtividade, CE do solo e concentração de nutrientes (CE, pH, CTC Efetiva, Argila, Areia, V%, M.O, e K), indicando que os procedimentos utilizados nesse estudo para a definição de UGD foram eficientes. O método de formação de UGD pela média normalizada proporcionou maior homogeneidade interna das UGD comparativamente ao método de \"Cluster K-means\". A qualidade da distribuição longitudinal medida pelo espaçamento entre plantas (indicador da efetividade dos níveis de população) variou de 81% a 90% de espaçamentos aceitáveis entre os locais avaliados. A análise de variância foi significativa (P<0,05) para interação tripla entre híbridos, população de plantas e UGD assim com as regressões foram significativas e os melhores modelos tiveram ajuste quadrático para população e produtividade na área da região Centro-Oeste - MS. Nas áreas da região Sul os experimentos não foram significativos. A população de plantas ótima pode diferir em até 5743 pl ha-1 entre as diferentes UGD dentro de um mesmo talhão. Quanto menor a média de produtividade do talhão, mais restritiva é a faixa de população ótima. No entanto, não há uma recomendação simples a respeito da população de plantas ótima para cada UGD. / Plant population per unit area is one of the most important aspects under the farmer\'s control that can influence maize grain yield. As the availability of resources for the growth of plants (like water availability and soil attributes) are not uniform along the fields, and considering the unfeasibility to change the environment setting, plant population per area is a key aspect under the farmer\'s control to optimize the use of these resources. This study aims to carry a comprehensive study of the strategy of variable rate seeding (VRS) within zones of distinct resource availability (management zones - MZ). A seasonal experimental design was set consisting in selecting ten different hybrids and five ranks of plant populations starting with a local recommended seeding rate and offsetting it in 40% and 20% below and above this reference. Five field experiments were conducted in commercial fields from 2012 to 2015 in two regions with distinct growing seasons in Brazil. In the Midwest region (Maracaju - MS) where corn is grown as a secondary crop following soybean within one season, and in the Southern region (Piraí do Sul - PR) where corn is grown as primary crop during the summer season; both under rain fed and no-tillage system. This research was split into two main stages: (1) definition of management zones (MZ) within agricultural fields and (2) implementation of strip tests varying hybrids and plant populations across MZ. The attributes used to delineate MZ were soil electrical conductivity (EC), yield maps (YM) and elevation. Two methods were analyzed to delineate MZ: cluster K-means and standardized average. MZ were analyzed by descriptive statistics. On the experimental data gathered from each seasonexperiment, yield of the hybrids, plant density and MZ were submitted to analysis of variance by F-test, ANOVA and regression analysis. MZ were able to differentiate levels of yield, and soil properties (EC, pH, Effective CTC, clay, sand, V%, MO, and K), suggesting that the procedures to define MZ used in this study were efficient. The standardized average provides greater internal homogeneity of MZ compared with the Cluster K-means. The quality of regular spacing between plants (indicator of seed rate quality) was 90% to 81% at all locations. The analyses of variance were significant (P < 0.05) for triple interaction between hybrids, plant population, and for the MZ at the Midwest region. For fields studied in the South the tests were not significant. The optimal plant population at the Midwest region can vary by up to 5743 pl ha-1 across MZ within the same field. Lower yield averages have a narrow optimal plant population interval. However, there is no simple recommendation regarding the optimal plant population across MZ.

Irrigated agriculture is the primary consumer of limited worldwide freshwater resources. Drought, growing world populations, and environmental demands compete with irrigation for freshwater resources"”threatening sustainable global food, fuel, and fiber production. This escalating global crisis demands that agriculture produce more food using less water. Traditional irrigation management has used technology to apply uniform irrigation rates across landscapes"”ignoring natural environmental variation. This provides inherent inefficiencies of over- or under- irrigation within individual fields. Variable-rate irrigation (VRI) is modern technology that employs global positioning systems and geographic information systems to match irrigation to spatially variable crop water demands within a field. Although commercially available, VRI lacks scientifically validated decision support systems to determine spatially and temporally variable crop water demand. The purpose of this research is to explore spatial and temporal variations in crop water demand to inform growers utilizing VRI. This research consists of four seasons of winter wheat (Triticum aestivum L.) production on a commercial farm in Idaho that employs a VRI system. In Chapter 1, the spatial variation of crop water productivity (CWP, the grain produced per unit of water consumed), is characterized for two seasons (2016-2017) and we propose a unique conceptual strategy for VRI management targeted at CWP. Observed CWP ranged from 4.1-21 kg ha-1 mm-1 with distinct spatial variation that, when considered together with grain yield, were shown to be useful for VRI management. During the 2017 growing season, VRI zones conserved 25% of irrigation compared to traditional uniform irrigation management. In the second chapter the spatial variation of soil water holding capacity (SWHC) was measured at 90 sampling points throughout the field. Then, during the 2016-2017 growing seasons, the spatial and temporal variation of soil moisture were modelled to characterize crop stress and its influence on grain yield. Soil within the field showed large spatial variation of SWHC, ranging from 147-369 mm. Under uniform irrigation in 2016, the natural variation of TAW created 21 day variation in the onset of crop stress throughout the field and under VRI in 2017 the onset of crop stress spanned 56 d. Surprisingly the variations in TAW did not statistically influence yield in 2016, and in 2017 the rate of irrigation predicted yield and TAW again did not statistically predict yield. This suggests that other environmental variables should be included when delineating irrigation zones and rates for VRI.

Precision management of cotton production can increase profitability by decreasing inputs. The overall objective of this project is to improve cotton production by minimizing seeding rates while still maximizing yields and lint quality in water-limited soils. The research for this study was conducted at the Texas AgriLife Research IMPACT Center located in the Brazos River floodplain. In 2008 and 2009, 27 measurement locations were selected in production-sized center-pivot irrigated fields and planted in cotton variety Deltapine 164 roundup ready flex / bollgard II. Sites were selected based on soil apparent electrical conductivity (ECa) values, in a low, medium, and high ECa zones. Three seeding rates (74,100; 98,800; and 123,500 seeds ha-1) were established in each of the three ECa zones with three replications. In 2009, an additional seeding rate was added at 49,400 seeds ha-1. At each measurement location, soil texture, soil moisture (weekly), lint quantity and quality (High Volume Instrument) were measured. An additional replication for each ECa zone and seeding rate was selected for lint quantity and quality (HVI) measurements. Results indicated that cotton lint yield increased as ECa values, clay content, and water holding capacity of the soil increased. The seeding rates did not consistently affect cotton lint yield or quality. Seeding rates of 74,100 and 49,400 seeds ha-1 in a low and medium ECa zone for IMPACT-08 and -09 yielded more lint (300 kg ha-1), respectively. HVI lint quality parameters, such as, micronaire, fiber length, strength, uniformity, and elongation were significantly better in ECa zone 3. While the seeding rates did not affect the amount of soil water used throughout the season, lint yield variations between ECa zones can be explained by the rate at which soil water was used. Lower rates at which soil water was used within ECa zone 3 resulted in higher lint yields when compared to ECa zones 1 and 2, which used soil water faster and at greater depths. The findings suggest that irrigation applied to the low ECa zone was not sufficient to meet the plants demand, while in a high ECa zone, irrigation could have been reduced, resulting in cost savings through reduced inputs.

In order to increase their profitability, producers have constantly looked for ways to improve resources usage. The introduction of technologies and Precision Agriculture methods has demonstrated good results in the production costs reduction. With this background this dissertation presents an economic viability analysis comparing the soybeans seeding made with fertilizer fixed rate in the furrow with the soybeans seeding with fertilizer variable rate in the furrow. The main purposes of this study were to check the fixed and variable costs involved since the soybeans seeding until its commercialization, determine the profit gathered in each scenario and finally, calculate the area required to pay the investment associated to the fertilizer variable rate kit acquisition. During the study execution, the seeding and harvesting operations were made with automatic pilot system installed in the tractor and the combine in order to guarantee the parallelism between the repetitions. It was used an area of 10,54 ha in the city of Nova Mutum MT, divided in ten parts, being five to each scenario. With the results analysis, it was concluded that the seeding with fertilizer variable rate had a cost of R$6,29 ha-1 (0,4%) lower than the seeding with fertilizer fixed rate and the profit found on the seeding with fertilizer variable rate was R$101,52 ha-1 (7,2%) higher than the other treatment. The payback for the fertilizer variable rate kit acquisition is gotten after seeding 122 ha, demonstrating its viability in the studied conditions. / Visando aumentar sua lucratividade, produtores têm constantemente buscado maneiras de melhorar a utilização de seus recursos. A introdução de tecnologias e práticas de Agricultura de Precisão tem mostrado bons resultados na diminuição dos custos de produção. Neste contexto, o presente trabalho apresenta uma análise de viabilidade econômica comparando uma semeadura de soja realizada à taxa fixa de fertilizante formulado na linha com uma semeadura de soja feita à taxa variável deste mesmo insumo também na linha. Os principais objetivos do estudo foram verificar os custos fixos e variáveis envolvidos desde a semeadura até a comercialização do produto, determinar o lucro obtido com cada um dos tratamentos analisados bem como calcular a área necessária para o retorno do investimento relacionado à aquisição de um kit para semeadura em taxa variável de fertilizante. Durante o desenvolvimento do estudo foram feitas as operações de semeadura e colheita utilizando-se sistema de piloto automático no trator e colhedora a fim de garantir a precisão e paralelismo das repetições. Foi utilizada uma área de 10,54 hectares (ha) na cidade de Nova Mutum MT, dividida em 10 parcelas, sendo 5 para cada tratamento. Da análise dos resultados obtidos com o estudo, concluiu-se que a realização da semeadura à taxa variável teve um custo R$6,29 ha-1 (0,4%) menor em relação à semeadura à taxa fixa de fertilizante, que o lucro apresentado pela semeadura à taxa variável foi R$101,52 ha-1 (7,2%) maior do que o lucro obtido com a semeadura à taxa fixa de fertilizante e que os resultados calculados demonstram que a área a ser semeada para o retorno do investimento do kit de taxa variável de fertilizantes é de 122 ha, demonstrando a viabilidade do mesmo na condição analisada.

Sensors based on LiDAR (Light Detection and Ranging) technology have the potential to provide accurate 3D models of the trees retrieving information such as canopy volume and height. This information can be used for diagnostics and prescriptions of fertilizers and plant protection products on a site-specific basis. This research aimed to investigate the use of LiDAR sensors in orange crops. Orange is one of the most important tree crop in Brazil. So far, research have developed and tested LiDAR based systems for several tree crops. However, usually individual trees or small field plots have been used. Therefore, several aspects related to data acquisition and processing must still be developed for large-scale application. The first study reported in this document (Chapter 3) aimed to develop and test a mobile terrestrial laser scanner (MTLS) and new data processing methods in order to obtain 3D models of large commercial orange groves and spatial information about canopy geometry. A 2D laser sensor and a RTK-GNSS receiver (Real Time Kinematics - Global Navigation Satellite System) were mounted on a vehicle. The data processing was based on generating a georeferenced point cloud, followed by the filtering, classification and surface reconstruction steps. A 25 ha commercial orange grove was used for field validation. The developed data acquisition and processing system was able to produce a reliable point cloud of the grove, providing high resolution canopy volume and height information. The choice of the type of point cloud classification (by individual trees or by transversal sections of the row) and the surface reconstruction algorithm is discussed in this study. The second study (Chapter 4) aimed to characterize the spatial variability of canopy geometry in commercial orange groves. Understanding such variability allows sensor-based variable rate application of inputs (i.e, applying proportional rates of inputs based on the variability of canopy size) to be considered as a suitable strategy to optimize the use of fertilizers and plant protection products. Five commercial orange groves were scanned with the developed MTLS system. According to the variability of canopy volume found in those groves, the input savings as a result of implementing sensor-based variable rate technologies were estimated in about 40%. The second goal of this study was to understand the relationship between canopy geometry and several other relevant attributes of the groves. The canopy volume and height maps of three groves were analyzed against historical yield maps, elevation, soil electrical conductivity, organic matter and clay content maps. The correlations found between canopy geometry and yield or soil maps varied from poor to strong correlations, depending on the grove. When classifying the groves into three classes according to canopy size, the yield performance and soil features inside each class was found to be significantly different, indicating that canopy geometry is a suitable variable to guide management zones delineation in one grove. Overall results from this research show the potential of MTLS systems and subsequent data analysis in orange crops indicating how canopy geometry information can be used in site-specific management practices. / Sensores baseados em tecnologia LiDAR (Light Detection and Ranging) têm o potencial de fornecer modelos tridimensionais de árvores, provendo informações como o volume e altura de copa. Essas informações podem ser utilizadas em diagnósticos e recomendações localizadas de fertilizantes e defensivos agrícolas. Este estudo teve como objetivo investigar o uso de sensores LiDAR na cultura da laranja, uma das principais culturas de porte arbóreo no Brasil. Diversas pesquisas têm desenvolvido sistemas LiDAR para culturas arbóreas. Porém, normalmente tais sistemas são empregados em plantas individuais ou em pequenas áreas. Dessa forma, diversos aspectos da aquisição e processamento de dados ainda devem ser desenvolvidos para viabilizar a aplicação em larga escala. O primeiro estudo deste documento (Capítulo 3) focou no desenvolvimento de um sistema LiDAR (Mobile Terrestrial Laser Scanner - MTLS) e nova metodologia de processamento de dados para obtenção de informações acerca da geometria das copas em pomares comerciais de laranja. Um sensor a laser e um receptor RTK-GNSS (Real Time Kinematics - Global Navigation Satellite System) foram instalados em um veículo para leituras em campo. O processamento de dados foi baseado na geração de uma nuvem de pontos, seguida dos passos de filtragem, classificação e reconstrução da superfície das copas. Um pomar comercial de laranja de 25 ha foi utilizado para a validação. O sistema de aquisição e processamento de dados foi capaz de produzir uma nuvem de pontos representativa do pomar, fornecendo informação sobre geometria das plantas em alta resolução. A escolha sobre o tipo de classificação da nuvem de pontos (em plantas individuais ou em seções transversais das fileiras) e sobre o algoritmo de reconstrução de superfície, foi discutida nesse estudo. O segundo estudo (Capítulo 4) buscou caracterizar a variabilidade espacial da geometria de copa em pomares comerciais. Entender tal variabilidade permite avaliar se a aplicação em taxas variáveis de insumos baseada em sensores LiDAR (aplicar quantias de insumos proporcionais ao tamanho das copas) é uma estratégia adequada para otimizar o uso de insumos. Cinco pomares comerciais foram avaliados com o sistema MTLS. De acordo com a variabilidade encontrada, a economia de insumos pelo uso da taxa variável foi estimada em aproximadamente 40%. O segundo objetivo desse estudo foi avaliar a relação entre a geometria de copa e diversos outros parâmetros dos pomares. Os mapas de volume e altura de copa foram comparados aos mapas de produtividade, elevação, condutividade elétrica do solo, matéria orgânica e textura do solo. As correlações entre geometria de copa e produtividade ou fatores de solo variaram de fraca até forte, dependendo do pomar. Quando os pomares foram divididos entre três classes com diferentes tamanhos de copas, o desempenho em produtividade e as características do solo foram distintas entre as três zonas, indicando que parâmetros de geometria de copa são variáveis úteis para a delimitação de unidades de gestão diferenciada em um pomar. Os resultados gerais desta pesquisa mostraram o potencial de sistemas MTLS para pomares de laranja, indicando como a geometria de copa pode ser utilizada na gestão localizada de pomares de laranja.

Devido à existência de variabilidade espacial nos fatores que afetam o desenvolvimento do algodoeiro, faz-se necessário investigar a hipótese de que existem diferenças na dose de máximo retorno econômico da aplicação de nitrogênio (N) em cobertura e de fitorreguladores em áreas de cultivo de algodão. Assim, esse trabalho teve como objetivo investigar o potencial da utilização de sensores ativos de dossel para detecção da variabilidade espacial do desenvolvimento das plantas e da nutrição nitrogenada existente em áreas de produção de algodão, bem como estabelecer estratégias de gestão da variabilidade com o uso de taxas variáveis na adubação nitrogenada de cobertura e na aplicação de fitorreguladores no algodoeiro. Foram conduzidos experimentos em áreas comerciais de cultivo do algodoeiro localizadas em Chapadão do Céu - GO nas safras 2012/2013 e 2013/2014 e em Campo Verde - MT na safra 2014/2015. Avaliou-se o desempenho de dois modelos de sensores ativos de dossel em predizer a altura de plantas e o acúmulo de biomassa e N no algodoeiro, considerando dois sistemas de produção (espaçamento convencional e adensado) e vários estádios de desenvolvimento da cultura. Foram instaladas parcelas para calibração das curvas de dose resposta do algodoeiro ao nitrogênio em cobertura em diferentes condições de desenvolvimento da cultura relacionadas a variações no solo ou no histórico de produtividades no interior do talhão. Com base nos resultados dos experimentos foram desenvolvidos e validados algoritmos para aplicação em taxas variáveis de N e fitorreguladores, adotando-se o conceito de experimentos em nível de fazenda, com o modelo estatístico considerando a condutividade elétrica do solo como uma covariável e uma matriz de variância-covariância espacial, que foi ajustada pelo método da máxima verossimilhança. O desempenho geral dos sensores foi satisfatório, sendo capazes de predizer a altura de plantas e o acúmulo de biomassa e N no algodoeiro com valores de R2 acima de 0,90. Observou-se interação significativa com o espaçamento das fileiras e a fase de desenvolvimento da cultura, com performance inferior em situações de pequena variabilidade na cultura ou de acúmulo de biomassa muito grande. A resposta do algodoeiro ao nitrogênio aplicado em cobertura variou de acordo com as condições de cultivo de cada experimento. Maiores respostas foram observadas em áreas de médio e baixo potencial produtivo, existindo talhões e partes de talhões em que a aplicação de N não proporcionou incremento de produtividade, enquanto que em outras áreas observou-se aumento de produtividade expresso por uma relação quadrática entre a dose aplicada e a produtividade. No talhão com as maiores diferenças, a dose de máximo retorno econômico foi de 0 kg ha-1 na região de alto potencial produtivo, 165 kg ha-1 na região de médio potencial produtivo e 280 kg ha-1 na região de baixo potencial produtivo. Na análise dos experimentos em nível de fazenda, o melhor ajuste foi obtido no modelo que considera a dependência espacial dos resíduos, evidenciando que em experimentos dessa dimensão não se deve assumir que os princípios da estatística clássica são sempre satisfeitos. Em três áreas não foram observadas diferenças significativas entre a aplicação do N em cobertura em taxa fixa ou usando os algoritmos para aplicação em taxa variável, devido à homogeneidade da área e da interferência de outros fatores. Em uma das áreas observou-se vantagem para a aplicação em taxas variáveis usando o algoritmo que recomenda aplicação de maiores doses de N nos locais em que as plantas apresentam menor desenvolvimento vegetativo, com produtividade cerca de 100 kg ha-1 que a aplicação em taxa fixa e cerca de 300 kg ha-1 superior à obtida com a aplicação em taxas variáveis usando o algoritmo que recomenda aplicação de maiores doses de N nos locais em que as plantas apresentam-se mais vigorosas. A aplicação de fitorreguladores em taxas variáveis não apresentou efeito significativo na produtividade de algodão em caroço, entretanto o volume consumido dos produtos foi em média 18% menor na aplicação em taxa variável, principalmente em função das áreas que não foram aplicadas por apresentarem desenvolvimento vegetativo reduzido. / Due to the existence of spatial variability in factors affecting cotton development, it is necessary to investigate the hypothesis that there are differences in the economic optimum fertilizer rates of top dressing nitrogen (N) and plant growth regulators (PGR) applications in cotton fields. Thus, the objective of this study was to investigate the potential of using active crop canopy sensors to detect the spatial variability of plant development and nitrogen nutrition in cotton fields and to establish strategies for managing spatial variability using variable rate technology to apply N and PGR in cotton. We conducted experiments in commercial cotton production fields located in the state of Goiás, in 2012/2013 and 2013/2014 seasons, and in the state of Mato Grosso, in 2014/2015 season. We evaluated the performance of two models of active crop canopy sensors to predict the height of plants and the accumulation of biomass and N in cotton, considering two production systems (conventional and narrow row spacing) and various growth stages. Within-field variations in the response curve to the increasing doses of nitrogen was evaluated under different crop development conditions related to variations in soil and historical yields. Based on the results of the experiments we developed and validated algorithms for variable rate application of N and PGR, using on-farm experiments. The statistical model considered the soil electrical conductivity as a covariate and a spatial variance-covariance matrix, which was adjusted by maximum likelihood. The overall performance of the sensors was satisfactory, predicting the height of plants and the accumulation of biomass and N in cotton with R2 values above 0.90. There was a significant interaction with the row spacing and the development stage of the crop, with lower performance in situations of low variability or very large biomass accumulation. The cotton response to top dressing nitrogen varied according to growing conditions of each experiment. Major responses were observed in areas of medium and low yield potential. There were fields and plots within fields in which the application of N did not increased yields, while in other areas there was a quadratic relationship between the dose applied and yield. In the field with the biggest differences, the economic optimum fertilizer rates of top dressing N was 0, 165 and 280 kg ha-1 in the high, medium and low yield potential zones, respectively. In the analysis of on-farm experiments, the best fit was obtained in the model that considered the spatial dependence of the residues, showing that experiments of this size we should not assume that the principles of classical statistics are always satisfied. In three areas, there was no significant differences between the application of N in fixed rate or using the algorithms for variable rate application, due to the homogeneity of the areas and the interference of external factors. In one of the areas, there was an advantage for application at variable rates using the algorithm that recommends application of higher doses of N in places where the plants have low vegetative development. The yields were about 100 kg ha-1 higher than the application of a fixed rate and 300 kg ha-1 higher than that obtained with the application of variable rates using the algorithm that recommends applying higher doses of N in places where the plants were more vigorous. The variable rate application of PGR had no significant effect on cottonseed yield, however the amount of products used was on average 18% lower in the variable rate application, mainly due to the not applied areas.

A população de plantas é um dos fatores que impacta fortemente na produtividade da cultura do milho (Zea mays); justá-la localmente é uma das estratégias para gerenciar a variabilidade das lavouras e otimizar o uso de recursos do ambiente que não estão sob o controle do produtor rural, como o tipo de solo e a capacidade de retenção de água. O objetivo desse estudo foi investigar a produtividade de híbridos de milho submetidos à semeadura em taxas variáveis (STV) em unidades de gestão diferenciada (UGD). Foi utilizado o total de dez híbridos de milho testados em cinco níveis de populações de plantas a partir da população regularmente recomendada (60%, 80%, 100%, 120% e 140%). Foram conduzidos cinco experimentos em talhões comerciais entre os anos de 2012 e 2015, no Brasil, na região Centro-Oeste (Maracajú -MS), durante a segunda safra de verão (safrinha) e na região Sul (Piraí do Sul - PR), durante a safra de verão. A pesquisa foi dividida em duas etapas principais: (1) delimitação das UGD e (2) implantação dos experimentos em faixas variando híbridos e população de plantas ao longo das UGD. Foram utilizados mapas históricos de produtividade (MP), mapa de condutividade elétrica do solo (CE) e mapa de altitude como atributos que deram origem às UGD. Dois métodos distintos de agrupamentos foram analisados: o método de \"cluster\" por \"K-means\" e o método pela média normalizada. As análises das UGD foram realizadas com base na estatística descritiva. Os experimentos em faixas tiveram os dados de produtividade referentes aos híbridos, população e UGD submetidos às análises de variância pelo F-teste e ANOVA e análise de regressão em função dos níveis de população de plantas por área. Foi possível discriminar, através das UGD, diferentes níveis de produtividade, CE do solo e concentração de nutrientes (CE, pH, CTC Efetiva, Argila, Areia, V%, M.O, e K), indicando que os procedimentos utilizados nesse estudo para a definição de UGD foram eficientes. O método de formação de UGD pela média normalizada proporcionou maior homogeneidade interna das UGD comparativamente ao método de \"Cluster K-means\". A qualidade da distribuição longitudinal medida pelo espaçamento entre plantas (indicador da efetividade dos níveis de população) variou de 81% a 90% de espaçamentos aceitáveis entre os locais avaliados. A análise de variância foi significativa (P<0,05) para interação tripla entre híbridos, população de plantas e UGD assim com as regressões foram significativas e os melhores modelos tiveram ajuste quadrático para população e produtividade na área da região Centro-Oeste - MS. Nas áreas da região Sul os experimentos não foram significativos. A população de plantas ótima pode diferir em até 5743 pl ha-1 entre as diferentes UGD dentro de um mesmo talhão. Quanto menor a média de produtividade do talhão, mais restritiva é a faixa de população ótima. No entanto, não há uma recomendação simples a respeito da população de plantas ótima para cada UGD. / Plant population per unit area is one of the most important aspects under the farmer\'s control that can influence maize grain yield. As the availability of resources for the growth of plants (like water availability and soil attributes) are not uniform along the fields, and considering the unfeasibility to change the environment setting, plant population per area is a key aspect under the farmer\'s control to optimize the use of these resources. This study aims to carry a comprehensive study of the strategy of variable rate seeding (VRS) within zones of distinct resource availability (management zones - MZ). A seasonal experimental design was set consisting in selecting ten different hybrids and five ranks of plant populations starting with a local recommended seeding rate and offsetting it in 40% and 20% below and above this reference. Five field experiments were conducted in commercial fields from 2012 to 2015 in two regions with distinct growing seasons in Brazil. In the Midwest region (Maracaju - MS) where corn is grown as a secondary crop following soybean within one season, and in the Southern region (Piraí do Sul - PR) where corn is grown as primary crop during the summer season; both under rain fed and no-tillage system. This research was split into two main stages: (1) definition of management zones (MZ) within agricultural fields and (2) implementation of strip tests varying hybrids and plant populations across MZ. The attributes used to delineate MZ were soil electrical conductivity (EC), yield maps (YM) and elevation. Two methods were analyzed to delineate MZ: cluster K-means and standardized average. MZ were analyzed by descriptive statistics. On the experimental data gathered from each seasonexperiment, yield of the hybrids, plant density and MZ were submitted to analysis of variance by F-test, ANOVA and regression analysis. MZ were able to differentiate levels of yield, and soil properties (EC, pH, Effective CTC, clay, sand, V%, MO, and K), suggesting that the procedures to define MZ used in this study were efficient. The standardized average provides greater internal homogeneity of MZ compared with the Cluster K-means. The quality of regular spacing between plants (indicator of seed rate quality) was 90% to 81% at all locations. The analyses of variance were significant (P < 0.05) for triple interaction between hybrids, plant population, and for the MZ at the Midwest region. For fields studied in the South the tests were not significant. The optimal plant population at the Midwest region can vary by up to 5743 pl ha-1 across MZ within the same field. Lower yield averages have a narrow optimal plant population interval. However, there is no simple recommendation regarding the optimal plant population across MZ.

Neste trabalho, a automação de um sistema de pulverização a taxa variada com injeção direta é apresentado. A automação do sistema de pulverização montado em uma bancada laboratorial estática foi baseado em um controlador programável com capacidade de tempo real. Os sistemas de pulverização com injeção direta possibilitam o uso de diferentes agroquímicos em uma mesma aplicação, e adicionalmente reduzem os impactos toxicológico e ambiental relacionados com o preparo e descarte da mistura de agroquímico e água. A automação deste sistema envolve o desenvolvimento de placas de interface, a modelagem do pulverizador e o controle das vazões. Um ambiente de simulação baseado no LabVIEW permitiu que os códigos fonte e as rotinas desenvolvidas fossem utilizadas diretamente no controlador programável, exigindo pouca ou nenhuma modificação. Para regular a vazão de injeção do agroquímico, que é dada por uma bomba de pistão, é utilizado um controlador proporcional-integral (PI). Já para regular a vazão da mistura de agroquímico e água, que é dada por uma válvula de controle proporcional de três vias, são implementados dois controladores: um controlador proporcional-integral-derivativo (PID) e um controlador adaptativo do tipo PID fuzzy por escalonamento de ganho. O desempenho dos controladores implementados são analisados via os resultados do erro de aplicação e das vazões. / In this work, the automation of a direct injection sprayer system for variable rate application of agrochemicals is presented. The automation of the sprayer system assembled on a laboratory static bench is based on a programmable controller with real time capabilities. Variable rate sprayer with direct injection systems allow multiple agrochemical application and additionally reduces the toxicologic and environmental risks associated with the carrier-agrochemical mix preparation and discard. The automation of this system comprises the development of interface boards, the sprayer modeling and the control of flow rates. Using a simulation environment based on LabVIEW, the developed source code and routines could be implemented directly in the programmable controller, requiring few or no changes. For the injection flow rate, which is set by a piston pump, a proportional-integral (PI) controller is used. And, to regulate the carrier-agrochemical mix flow rate, which is set by a three-way proportional control valve, two controllers are used: a proportional-integral-derivative (PID) controller and a fuzzy gain scheduling of PID controller. The performance of the implemented controllers is analyzed via the flow rates and the application error results.