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https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/25369| Tipo de Documento: | Dissertação |
| Título: | Fenotipagem por Vant e aprendizado de máquina para predição da produtividade de milho em ambientes contrastantes de nitrogênio em região semiárida |
| Título(s) alternativo(s): | UAV phenotyping and machine learning for predicting corn productivity in contrasting nitrogen environments in a semi-arid region |
| Autor(es): | Santos, Barbara Nascimento |
| Data do documento: | 26-Jan-2026 |
| Orientador: | Oliveira, Gustavo Hugo Ferreira de |
| Resumo: | A fenotipagem de alto rendimento tem contribuído substancialmente para os avanços na agricultura e nos programas de melhoramento de plantas. Sua aplicação, por meio de veículos aéreos não tripulados (VANTs), possibilitou a aquisição rápida de dados fenotípicos com alta confiabilidade e resolução espacial, promovendo sua adoção em diversos contextos agrícolas. Apesar desses avanços, diversas limitações metodológicas permanecem insuficientemente exploradas, particularmente quando essa abordagem é aplicada em condições de estresse ambiental e de alta homogeneidade espectral. Este estudo teve como objetivo avaliar a acurácia preditiva de quatro modelos preditivos, utilizando métodos de regressão e de aprendizado de máquina para estimar a produtividade de grãos de progênies de meios-irmãos de milho cultivadas sob condições contrastantes de nitrogênio, utilizando imagens multiespectrais obtidas por VANT. Os experimentos foram conduzidos durante a safra de 2024, em duas áreas experimentais localizadas nos municípios de Nossa Senhora da Glória e de Graccho Cardoso, Sergipe, Brasil. Adotou-se o delineamento experimental em blocos casualizados, com parcelas subdivididas e três repetições, no qual os níveis de nitrogênio (alto e baixo) foram atribuídos às parcelas principais e as progênies de meios-irmãos, às subparcelas. Imagens multiespectrais de drone foram adquiridas durante três voos a alturas de 60 e 80 m ao longo do ciclo da cultura, correspondentes a diferentes estágios fenológicos. Quatorze índices de vegetação multiespectral associados à estrutura do dossel, ao teor de clorofila e ao estado nutricional das plantas foram calculados. Quatro abordagens preditivas foram avaliadas: um modelo linear clássico, um modelo de regressão penalizada (LASSO) e dois algoritmos baseados em árvores de decisão, Floresta Condicional (cforest) e Máquina de Impulso Gradiente (GBM). O desempenho dos modelos foi avaliado utilizando o erro quadrático médio (RMSE) e o erro absoluto médio (MAE), além de análises diagnósticas das premissas do modelo linear e das avaliações da importância das variáveis e dos valores SHAP para os modelos GBM e cforest. Em ambas as áreas experimentais e em ambas as condições de nitrogênio, os modelos cforest e GBM apresentaram consistentemente maior acurácia preditiva do que as abordagens lineares. De modo geral, as imagens adquiridas a 60 m resultaram em desempenho superior dos modelos, destacando a importância de uma resolução espacial mais alta para aumentar a sensibilidade à variabilidade fisiológica dentro do dossel. As análises de importância das variáveis e dos valores SHAP indicaram que as contribuições preditivas se concentraram em um subconjunto limitado de índices de vegetação, particularmente aquelas sensíveis à estrutura do dossel e ao teor de clorofila. Além disso, observaram-se respostas preditivas distintas entre os genótipos, dependendo da abordagem de modelagem e das condições ambientais. Esses resultados sugerem que a aquisição e o processamento de dados espectrais podem ser otimizados priorizando índices de vegetação específicos e estágios fenológicos estrategicamente selecionados. Para a predição da produtividade de grãos de milho, recomenda-se o uso combinado dos modelos cforest e GBM com índices de vegetação como TCARI, MCARI e MSAVI2. Para aumentar a robustez e a extrapolação desses resultados, estudos futuros devem avaliar o desempenho desses índices em uma gama mais ampla de níveis de nitrogênio, genótipos e condições edafoclimáticas. |
| Abstract: | High-throughput phenotyping has contributed substantially to advances in agriculture and plant breeding programs. By using unmanned aerial vehicles (UAVs), its application has enabled the rapid acquisition of phenotypic data with high reliability and spatial resolution, promoting its adoption across diverse agricultural contexts. Despite these advances, several methodological limitations remain insufficiently explored, particularly when this approach is applied under conditions of environmental stress and high spectral homogeneity. This study aims to evaluate the accuracy of four predictive models, using regression and machine learning approaches to estimate the grain yield of maize half-sib progenies grown under contrasting nitrogen conditions, based on multispectral images obtained by UAV. The experiments were conducted during the 2024 growing season in two experimental areas located in the municipalities of Nossa Senhora da Glória and Graccho Cardoso, Sergipe, Brazil. A randomized block design with split plots and three replications was adopted, in which nitrogen levels (high and low) were assigned to the main plots and the half-sib progenies to the subplots. Multispectral drone images were acquired during three flights at heights of 60 and 80m throughout the crop cycle, corresponding to different phenological stages. Fourteen multispectral vegetation indices associated with canopy structure, chlorophyll content, and plant nutritional status were calculated. Four predictive approaches were evaluated: a classical linear model, a penalized regression model (LASSO), and two decision tree-based algorithms, Conditional Forest (Cforest) and Gradient Boosting Machine (GBM). Model performance was evaluated using the root mean square error (RMSE) and the mean absolute error (MAE), in addition to diagnostic analyses of the linear model assumptions and assessments of variable importance and SHAP values for the GBM and Cforest models. In both experimental areas and nitrogen conditions, the Cforest and GBM models consistently showed higher predictive accuracy than the linear approaches. Overall, images acquired at 60m resulted in superior model performance, highlighting the importance of higher spatial resolution for increased sensitivity to physiological variability within the canopy. Analyses of variable importance and SHAP values indicated that predictive contributions were concentrated in a limited subset of vegetation indices, particularly those sensitive to canopy structure and chlorophyll content. Furthermore, distinct predictive responses were observed among genotypes, depending on the modeling approach and environmental conditions. These results suggest that the acquisition and processing of spectral data can be optimized by prioritizing specific vegetation indices and strategically selected phenological stages. For predicting maize grain yield, the combined use of the Cforest and GBM models with vegetation indices such as TCARI, MCARI, and MSAVI2 is recommended. To increase the robustness and generalizability of these findings, future studies should evaluate the performance of such indices across a broader range of nitrogen levels, genotypes, and edaphoclimatic conditions. |
| Palavras-chave: | Agrobiodiversidade Melhoramento genético no milho Produtividade agrícola Efeitos do nitrogênio nas Plantas Ambientes semiáridos Progênies de meios-irmãos Resposta espectral Melhoramento de plantas Zea mays L. Semi-arid environments Half-sib progenies Spectral response Plant breeding |
| área CNPQ: | CIENCIAS AGRARIAS |
| Agência de fomento: | Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES |
| Idioma: | por |
| Sigla da Instituição: | Universidade Federal de Sergipe (UFS) |
| Programa de Pós-graduação: | Pós-Graduação em Agricultura e Biodiversidade |
| Citação: | SANTOS, Barbara Nascimento. Fenotipagem por Vant e aprendizado de máquina para predição da produtividade de milho em ambientes contrastantes de nitrogênio em região semiárida. 2026. 61 f. Dissertação (Mestrado em Agricultura e Biodiversidade) –— Universidade Federal de Sergipe, São Cristóvão, 2026. |
| URI: | https://ri.ufs.br/jspui/handle/riufs/25369 |
| Aparece nas coleções: | Mestrado em Agricultura e Biodiversidade |
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