Plant canopy sensors have emerged as a new tool for in field on-the-go spatially localized prediction of plant biomass and nitrogen (N) uptake by crops in an indirectly and plant indestructible way as base for N variable rate fertilization. Sensors based on the combination of specific reflectance bands from the electromagnetic spectrum constitute the vast majority of canopy sensors, and this principle has already been validated in many crops. Alternatively to this concept, the use of ultrasonic distance sensors to measure crop canopy height has been presented as an option to estimate biomass. Based on that, the aim of this thesis was to validate and refine canopy sensor systems on automated diagnosis of plant parameters aimed the application of N fertilizer according sugarcane needs. Therefore, it was necessary to: 1) validate the prior calibration made for the reflectance sensor (Portz et al., 2012) and to establish the best time to use the sensor over the crop; 2) test the use of the reflectance sensor in comparative strips trials of uniform and sensor based N variable rate application testing algorithms with positive and negative slope and measuring productivity at the end of the season; 3) obtain the relationship between crop canopy height with accumulated biomass and N uptake by the crop during the initial growing season; 4) explore the plant height measured with an ultrasonic sensor comparing the results of biomass and N uptake prediction with those obtained with the reflectance sensor. The experiments were conducted on commercial sugarcane fields, and in strips of the crop with N variable rate application. The experiments were installed over clayey and sandy soils in dry and rainy seasons being all evaluated with the reflectance sensor Yara N-Sensor model ALS (N-Sensor® ALS, Yara International ASA) and partly in comparison with an ultrasonic sensing system Polaroid 6500 (Polaroid, Minnetonka, MN, USA), when the crop had stalk height between 0.2 and 0.9 m. The reflectance sensor calibration fitted with the previous published data showing the interval between 0.3 - 0.5m as the most appropriate to use this sensor over sugarcane. The positive slope algorithm was superior to the negative, except in the situation of clayey soil in rainy season where the response from the negative slope algorithm was higher. The sugarcane plant height was highly correlated with biomass and N uptake by the crop, being possible to estimate the plants canopy height indirectly by the use of an ultrasonic sensor. Comparing the sensor systems, canopy reflectance was better in the early stages of crop as canopy height was more suitable for estimating the cultural parameters when the plants already covered soil in between the rows (+ 0.6 m stalk height), being the sensor systems complementary when fertilization is widely spread in the early crop growth period. / Sensores de dossel tem se apresentado como uma nova ferramenta para a predição espacialmente localizada, em tempo real, de forma indireta e indestrutiva da biomassa vegetal e extração de nitrogênio (N) pelas culturas como base para a aplicação de fertilizantes nitrogenados em taxas variáveis. Sensores baseados na combinação de faixas específicas de reflectância do espectro eletromagnético constituem a grande maioria dos sensores de dossel sendo este princípio já validado para uso em muitas culturas. Alternativamente a este conceito, a medição da altura do dossel cultural com o uso de sensor ultrassónico se apresenta como uma alternativa para a estimativa de biomassa vegetal. Com base nisso o objetivo desta tese foi de validar e aperfeiçoar sistemas sensores para a automação do diagnóstico visando à aplicação de fertilizante nitrogenado em função da necessidade da cana-de-açúcar. Para tanto, foi necessário: 1) validar a previa calibração feita ao sensor de reflectância (PORTZ et al., 2012) assim como estabelecer o melhor momento para uso do sensor na cultura; 2) ensaiar o uso do sensor em faixas comparativas entre taxa fixa e variável testando algoritmos de aplicação com inclinação positiva e negativa para dose de N mensurando produtividade; 3) obter a relação entre altura de dossel da cultura com, biomassa acumulada e extração de nitrogênio pela planta; 4) explorar a altura de plantas mensurada com um sensor ultrassónico comparando os resultados de predição de biomassa e extração de nitrogênio com aqueles obtidos com sensor de refletância. Os experimentos foram conduzidos em talhões comerciais de cana-de-açúcar e em forma de faixas da cultura, com aplicação em taxa variada de doses de N. Os experimentos foram instalados em solos de textura argilosa e arenosa nas épocas seca e chuvosa do ano sendo todos avaliados com o sensor Yara N-Sensor, modelo ALS (N-Sensor® ALS, Yara International ASA), e em parte comparando com um sistema sensor ultrassónico Polaroid 6500 (Polaroid, Minnetonka, MN, EUA) quando a cultura apresentava altura de colmos entre 0,2 e 0,9 m. Os dados coletados para a calibração do sensor de reflectância se encaixaram exatamente aos dados já publicados mostrando-se o intervalo entre 0.3 e 0.5 m o mais indicado ao uso deste sensor. O algoritmo com inclinação positiva se mostrou superior ao negativo exceto na situação de solo argiloso em estação chuvosa onde a resposta do algoritmo negativo foi maior. A altura de planta de cana-de-açúcar se mostrou altamente correlacionável com biomassa e extração de nitrogênio pela cultura, sendo possível estimar a altura do dossel das plantas de forma indireta pelo uso do sensor ultrassónico. Comparando-se os sistemas sensores, reflectância de dossel se mostrou melhor em estádios iniciais da cultura enquanto altura de dossel se mostrou mais indicada para estimar os parâmetros culturais quando as plantas já recobriam as entrelinhas (+0.6 m colmo), mostrando-se os sistemas sensores complementares quando o período de fertilização for mais amplo na fase inicial da cultura.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:IBICT/oai:teses.usp.br:tde-17092015-101022 |
| Date | 09 June 2015 |
| Creators | Gustavo Portz |
| Contributors | Jose Paulo Molin, Thiago Liborio Romanelli, Paulo Cesar Ocheuze Trivelin, Carlos Alberto Vettorazzi |
| Publisher | Universidade de São Paulo, Engenharia de Sistemas Agrícolas, USP, BR |
| Source Sets | IBICT Brazilian ETDs |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis |
| Source | reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP, instname:Universidade de São Paulo, instacron:USP |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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