Hyperspectral remote sensing as an alternative to estimate soil attributes

Abstract

-Minimizing environmental impacts and increasing crop productivity depend mainly on the knowledge of chemical, physical and mineralogical characteristics of the soil attributes. However, traditional methods are timeconsuming and costly. The objective of this study was to determine and validate a method to quantify soil attributes using UV-Vis-NIR Spectroscopy as an alternative to conventional methods of soil analyses. The work comprised two main phases: (1) creation and calibration of statistical models to determine the soil attributes derived from spectral data extracted from soil samples collected in area 1, (2) validation of statistical models in area 2 and correlations between the estimated and observed values (conventional method) for each soil attribute. The equations of the attributes Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 , and clay reached R 2 > 0.80 and may be applied to a different database than the one that was used to generate the equations, provided that they belong to the same study site.Key words: Reflectance. Soil analysis. Remote Sensing.RESUMO -A minimização de impactos ambientais e o aumento da produtividade agrícola dependem, principalmente, do conhecimento de características químicas, físicas e mineralógicas do solo. Os métodos tradicionais utilizados para este fim consomem muito tempo e são de elevado custo financeiro. O objetivo deste trabalho foi o de testar e validar um método de quantificação de atributos do solo pela energia eletromagnética refletida e detectada por espectrorradiometro no visível e infravermelho. Este procedimento surge como apoio ao método convencional de análise de solo. Para sua execução, as etapas de trabalho compreenderam duas fases: (1) criação e calibração de modelos estatísticos de determinação dos atributos do solo obtidos a partir de dados espectrais (obtidos por sensor em laboratório 450-2500 nm) extraídos de amostras de terra em uma área; (2) validação dos modelos estatísticos numa outra área desconhecida e correlações entre os valores estimados e determinados (método convencional). Concluiu-se que as equações dos atributos Fe 2 O 3 , Al 2 O 3 e Argila, atingiram R 2 > 0,80 podendo ser aplicadas a uma base de dados diferente daquela que foi utilizada na geração das equações, desde que pertença a mesma região de estudo.Palavras-Chave: Reflectância. Solos-análise. Sensoriamento Remoto.

Combined Use of Vis-NIR and XRF Sensors for Tropical Soil Fertility Analysis: Assessing Different Data Fusion Approaches

“…There are already portable versions of these equipment that are suitable for in situ applications [ 12 , 13 ]. The vis-NIR diffuse reflectance spectroscopy is a widespread technique in soil science [ 14 , 15 ], with extensive research reporting its potential to predict mineralogical and organic attributes successfully [ 9 , 16 , 17 , 18 ]. Regarding soil fertility, in some cases, good results can be extended for extractable (ex-) nutrients (e.g., ex-K, ex-Ca, and ex-Mg) [ 7 , 19 , 20 ], cation exchange capacity (CEC) [ 19 , 21 ], base saturation (V), soil potential acidity (H + Al 3+ ), and pH [ 19 , 22 ], which are few to mention among others.…”

Multiple Geotechnological Tools Applied to Digital Mapping of Tropical Soils

“…Studies on spectroradiometry show a strong relationship between spectral responses and soil properties, such as cation exchange capacity, organic carbon, Fe oxides, and clay (Chang et al, 2001;Shepherd and Walsh, 2002;Franceschini et al, 2013;Nanni and Demattê, 2006;Demattê et al, 2014a). In fact, this led Demattê et al (2004a) to use a spectroscopy information to aid in pedological mapping.…”

“…Multiple regression equations were fitted to predict values of 19 soil properties from their spectral response (Table 1) Demattê et al (2004a), and Demattê et al (2014a). It is notable that high coefficients for the physical properties such as sand, clay, and Fe 2 O 3 were achieved, since these parameters have a significantly greater influence on the spectral response of the soil.…”

Espectroscopia de reflectância <i>in situ </i>na avaliação da resposta da adubação nitrogenada em cana-de-açúcar

“…Em síntese, o uso de sensores na agricultura permite estimar de forma prática, barata e indestrutível parâmetros biofísicos de culturas agrícolas (ANDRADE et al, 2014) e atributos físicoquímicos do solo (DEMATTÊ et al, 2015;DEMATTÊ et al, 2016). Ao se associar estes dados a informações de posição geográfica, torna-se possível representar e avaliar a variabilidade espacial do campo agrícola, abrindo portas à aplicação de diferentes abordagens de AP.…”

“…A partir de combinações entre estas novas variáveis, é gerado o modelo de regressão linear(VISCARRA ROSSEL;BEHRENS, 2010). Esta técnica supõe que algumas variáveis não contribuam de forma expressiva com a resposta de todo o conjunto(DARVISHZADEH et al, 2008).Desta forma, este método é útil em situações que apresentam grandes bancos de dados com um alto número de variáveis independentes, permitindo identificar pequenos subgrupos de variáveis as quais melhor se correlacionam e determinam o valor da variável dependente(DEMATTÊ et al, 2015).Outro método eficiente para a redução da dimensão de dados altamente correlacionados é a sparse Partial Least Square (sPLS). Ele, ao contrário do Stepwise, pode ser aplicado quando existem mais variáveis que observações.…”