Ciência de DadosUFC31 de dezembro de 2023

Desenvolvimento de equipamento óptico para avaliação nutricional em plantas: aplicação na cultura do milho

O trabalho apresenta o desenvolvimento e validação do MSPAT, um equipamento óptico de baixo custo para avaliação nutricional de nitrogênio na cultura do milho. Através do uso de eletrônica, programação e impressão 3D, o protótipo atingiu performance (R² ajustado de 0,78) comparável a equipamentos comerciais de alto custo (SPAD e FieldSpec), validando-o como uma ferramenta viável para agricultura de precisão.

Inovação7/10
Aplicabilidade9/10
Potencial econômico8/10
MaturidadeMédia

Ideia de startup ou produto

Criação de uma startup de hardware agrícola focada na fabricação e comercialização de sensores ópticos portáteis baseados no MSPAT, integrados a um aplicativo móvel que converte os dados espectrais em recomendações de adubação.

Aplicações práticas

Implementação em serviços de agricultura de precisão para diagnose foliar em tempo real, integração com plataformas de manejo variável de fertilizantes e uso por cooperativas agrícolas para calibração de adubação nitrogenada.

Potencial de mercado

Alto potencial no setor de AgTech, especialmente no contexto do agronegócio brasileiro e cearense, onde a demanda por soluções de baixo custo para otimização de insumos é crescente. A tecnologia viabiliza o acesso ao monitoramento espectral para pequenos e médios produtores.

Problema abordado

A necessidade de tecnologias acessíveis e eficientes para monitoramento nutricional em larga escala, visando otimizar o uso de fertilizantes nitrogenados, reduzir custos de produção e minimizar impactos ambientais na agricultura.

Metodologia

Desenvolvimento de hardware (placas de referência, eletrônica, impressão 3D) e software para o MSPAT. Realização de experimentos em campo com milho (UFC) sob diferentes doses de nitrogênio. Coleta de dados espectrais, correlação com análises laboratoriais (Kjeldahl) e validação estatística via regressão linear e validação cruzada (k-fold) contra equipamentos padrão de mercado.

Principais descobertas

O MSPAT demonstrou alta eficácia na estimativa de nitrogênio foliar, destacando-se o modelo utilizando bandas de 900nm e 560nm (índice NRI). A tecnologia alcançou R² ajustado de 0,7871 e RMSE competitivo, provando que instrumentos otimizados e de menor custo podem substituir equipamentos importados em certas aplicações de campo.

Abstract originalIdioma e formato da publicação de origem

Título: Desenvolvimento de equipamento óptico para avaliação nutricional em plantas: aplicação na cultura do milho Autor(es): Nogueira, Felipe Hermínio Meireles Abstract: The search for technologies that promote more sustainable and efficient practices is an increasingly important priority on the global agricultural scene. With this in mind, the use of spectroradiometry techniques to assess nitrogen concentration in maize crops has proved to be a promising alternative for conducting precision agriculture practices. In addition, the development of new instruments with optical sensors for agricultural applications has become increasingly important given the challenges of maintaining the sustainability of production systems. With this in mind, this work sought to improve elements of the use of MSPAT (Multispectral Soil Plant Analysis Tools) to determine reflectance. The improvements involved the development of a reference plate with sintered barium sulphate, new approaches using programming techniques, electronics and 3D printing. In addition, the performance of the optical instruments used to estimate leaf nitrogen in the maize crop was also assessed. With this in mind, an experiment was carried out in the experimental area of the Agricultural Electronics and Mechanisation Laboratory (LEMA), located at the Federal University of Ceará (UFC), with AG-1051 maize planted under treatments N0, N60, N90, N120, N150 and N180 (0, 60, 90, 120, 150 and 180 kg.ha-1 of N, respectively) with four replications, in two crop cycles and a Completely Randomized Design (CRD). The assessments took place during the V5, V10 and R2 phenological stages and were carried out using the MSPAT, SPAD and FieldSpec PRO FR 3 equipment. The spectroradiometer was used under the conditions provided by the dark-room of the UFC Geoprocessing Laboratory. The samples were then prepared for nitrogen (N) determination according to the methodology proposed by Kjeldah. In addition to leaf nitrogen, morphological parameters were also assessed throughout plant development, production, biomass and dry matter. The spectral indices (NRI, Normalise Ratio Index) were then correlated with the leaf N data and the individual bands were evaluated using Pearson's coefficient (r). Linear regression was then carried out (p-value < 0.01) with the NRI's to select the models, by optical instrument, that showed the best coefficient of determination (R²) with the leaf N data sets: i) at each stage of development, for the two crop cycles and ii) with the entire data set. Cross-validation (k-fold) was then carried out to assess the error parameters RMSE, MAE and adjusted coefficient of determination (R²adj.). The results for the best predictive models reveal different patterns for the selected bands between the data sets, as well as low generalisation capacity. However, it was possible to validate relevant models with MSPAT, SPAD and FieldSpec, which showed an R²adj. of 0.7871; 0.6959; 0.7199 and RMSE of 0.0425; 4.47; 0.0214 g.kg-1; respectively. From the model that showed the best performance with MSPAT, when using the NRI with the 900 and 560nm bands, the application in an agricultural area provided an RMSE of 2.73 g.kg-1 and MAE of 2.47 g.kg-1. However, it is clear that the use of new technologies has great potential for assessing leaf N in maize crops. Tipo: Dissertação

Matéria para leigosVersão editorial para divulgação pública

Para leigos: Olhos inteligentes para medir a saúde do milho

O cenário atual

A agricultura moderna busca constantemente tecnologias que tornem a produção mais sustentável e eficiente. Nesse cenário, a capacidade de avaliar a nutrição das plantas, especificamente o nitrogênio no milho, é crucial para a agricultura de precisão.

O que os pesquisadores fizeram

O trabalho focou no aprimoramento do MSPAT, um equipamento óptico multiespectral. Os pesquisadores desenvolveram uma nova placa de referência feita de sulfato de bário sinterizado e integraram soluções de programação, eletrônica e impressão 3D ao dispositivo.

O objetivo foi testar a capacidade desse equipamento, comparando-o com outros dois (SPAD e FieldSpec PRO FR 3), na estimativa de nitrogênio em folhas de milho. O experimento foi realizado na Universidade Federal do Ceará (UFC) com a cultura de milho submetida a diferentes doses de adubação nitrogenada.

Como funciona na prática

A técnica utiliza a espectrorradiometria, que analisa a luz refletida pelas folhas. As medições foram feitas em três estágios de crescimento da planta: V5, V10 e R2.

Para conferir se as leituras ópticas eram precisas, as folhas foram coletadas e analisadas em laboratório pelo método de Kjeldahl, que determina a quantidade real de nitrogênio. Os dados ópticos e laboratoriais foram cruzados estatisticamente para criar modelos de previsão.

Resultados e evidência

Os modelos gerados pelos equipamentos mostraram-se válidos para prever o nitrogênio foliar. O MSPAT alcançou um coeficiente de determinação ajustado (R²aj.) de 0,7871. O equipamento SPAD obteve 0,6959 e o FieldSpec 0,7199.

O melhor desempenho do MSPAT ocorreu usando o Índice de Razão Normalizada (NRI) com bandas de 900 e 560nm. Na aplicação prática em área agrícola, este modelo apresentou um erro quadrático médio (RMSE) de 2,73 g.kg-1.

Implicações práticas

O desenvolvimento de novos instrumentos ópticos demonstra grande potencial para avaliar o status nutricional do milho. Ferramentas como essas podem auxiliar agricultores a fazerem manejo mais eficiente da adubação, contribuindo para a sustentabilidade dos sistemas de produção.

Limitações e próximos passos

O estudo identificou uma baixa capacidade de generalização dos modelos quando aplicados a diferentes conjuntos de dados, indicando que os padrões de resposta podem variar. Isso sugere que novas tecnologias são promissoras, mas exigem ajustes contínuos para ampliar sua eficácia em diversas condições de campo.

Quem são os pesquisadoresPerfil destilado da equipe por trás do paper

Quem são os pesquisadores

O estudo é de autoria de Felipe Hermínio Meireles Nogueira, vinculado à Universidade Federal do Ceará (UFC). O paper não detalha a formação acadêmica específica, outras afiliações ou a trajetória profissional do autor além de sua atuação neste projeto de pesquisa.

Leitura para gestão públicaComo esta pesquisa pode virar política

Programas de subvenção para modernização agrícola no estado do Ceará, distribuindo estes equipamentos de baixo custo para agricultores familiares e cooperativas para promover a sustentabilidade e eficiência no uso de fertilizantes.

Quem, com quem,
e pra quê

Parceria de transferência de tecnologia entre a UFC (LEMA) e empresas de insumos agrícolas ou fabricantes de máquinas agrícolas para incorporar o sensor MSPAT em suas linhas de produtos ou serviços de consultoria agronômica.

4 direções estratégicas identificadas

  1. Startup

    Spin-off de Sensores Agro de Baixo Custo

    Empresa derivada para produção em escala do MSPAT, focando na democratização da espectroscopia para pequenos produtores e técnicos de campo.

    Impacto alto · Indústria 4.0
  2. Parceria

    Validação em Plataformas de AgTech

    Colaboração entre a UFC e empresas de software agrícola para integrar os dados do MSPAT em sistemas de gestão de fazenda e tomada de decisão.

    Impacto médio · Ciência de Dados
  3. Política Pública

    Programa de Agricultura 4.0 do Ceará

    Utilização da tecnologia desenvolvida na UFC como base para políticas públicas de incentivo à agricultura de precisão e sustentabilidade no estado.

    Impacto médio · Govtech
  4. Produto Corporativo

    Kit de Diagnóstico Portátil

    Desenvolvimento de um produto corporativo (B2B) voltado para revendas de insumos, que utilizam o equipamento para prescrever doses de nitrogênio personalizadas aos clientes.

    Impacto médio · Indústria 4.0