Management zones for irrigated and rainfed grain crops based on data layer integration

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Sterle, Luiz Gustavo de Goes
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/11/11152/tde-18092025-145520/
Resumo: The precision agriculture (PA) cycle involves the analysis of fields spatial variability and is characterized by the steps of data collection, information manement, site-specific intervention, and performance evaluation. Management Zones (MZs) represent an approach that simplifies the spatial resolution of within-field variability management. They support agricultural decision- making by identifying areas where crop yield may be limited and require differentiated management practices. This study evaluated the effectiveness of two methods for delineating MZs (i.e., fuzzy c-means (FCM) and hierarchical) in an 54.6 ha irrigated and 7.9 ha rainfed areas of comercial sorghum and soybean field in Brazil. The historical records of yield maps, apparent soil electrical conductivity (ECa) at two depths and terrain atributes were used to delineate MZs by using multivariate estatistical analyses (PCA and cluster) and the variance reduction of the analised atributes in the field were used as reference data to evaluate the delineation methods. Results showed distinct spatial variability patterns between irrigated and rainfed systems. Rainfed areas exhibited higher variability in yield (CV 912%) and soil properties (ECa CV 2027%) compared to irrigated fields (yield CV <7%, ECa CV ~5%). Geostatistical analysis shows moderate to strong spatial dependence for both ECa and yield data. PCA revealed that elevation and subsoil ECa dominated irrigated field variability (48% PC1), while topography and surface ECa were key in rainfed systems (66% PC1). FCM clustering produced more homogeneous MZs, particularly in irrigated fields (soybean CV <6%), requiring fewer zones for effective variance reduction. Hierarchical clustering captured extreme values better but needed more zones (5 MZs for 54% variance reduction). In rainfed areas, hierarchical clustering improved internal homogeneity, though FCM remained viable for operational simplicity. Yield determinants also differed: irrigation minimized topographic effects, while rainfed yields were strongly influenced by slope (sorghum r = -0.40) and low-lying moisture (soybean r = -0.34). The study concludes that MZ delineation should align with production system characteristicsadjusting water application rates (VRI) by MZs for irrigated fields and moisture conservation for rainfed systems. FCM offers practical advantages for routine implementation, while hierarchical clustering provides higher precision where economically justified.
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spelling Management zones for irrigated and rainfed grain crops based on data layer integrationUnidades de gestão diferenciada para culturas de grãos irrigados e de sequeiro com base em integração de camadas de dadosAgricultura de precisãoAnálise de agrupamentoCluster analysisEstatística multivariadaGeoestatísticaGeostatisticsMultivariate statisticsPrecision agricultureSpatio-temporal variabilityVariabilidade espaço-temporalThe precision agriculture (PA) cycle involves the analysis of fields spatial variability and is characterized by the steps of data collection, information manement, site-specific intervention, and performance evaluation. Management Zones (MZs) represent an approach that simplifies the spatial resolution of within-field variability management. They support agricultural decision- making by identifying areas where crop yield may be limited and require differentiated management practices. This study evaluated the effectiveness of two methods for delineating MZs (i.e., fuzzy c-means (FCM) and hierarchical) in an 54.6 ha irrigated and 7.9 ha rainfed areas of comercial sorghum and soybean field in Brazil. The historical records of yield maps, apparent soil electrical conductivity (ECa) at two depths and terrain atributes were used to delineate MZs by using multivariate estatistical analyses (PCA and cluster) and the variance reduction of the analised atributes in the field were used as reference data to evaluate the delineation methods. Results showed distinct spatial variability patterns between irrigated and rainfed systems. Rainfed areas exhibited higher variability in yield (CV 912%) and soil properties (ECa CV 2027%) compared to irrigated fields (yield CV <7%, ECa CV ~5%). Geostatistical analysis shows moderate to strong spatial dependence for both ECa and yield data. PCA revealed that elevation and subsoil ECa dominated irrigated field variability (48% PC1), while topography and surface ECa were key in rainfed systems (66% PC1). FCM clustering produced more homogeneous MZs, particularly in irrigated fields (soybean CV <6%), requiring fewer zones for effective variance reduction. Hierarchical clustering captured extreme values better but needed more zones (5 MZs for 54% variance reduction). In rainfed areas, hierarchical clustering improved internal homogeneity, though FCM remained viable for operational simplicity. Yield determinants also differed: irrigation minimized topographic effects, while rainfed yields were strongly influenced by slope (sorghum r = -0.40) and low-lying moisture (soybean r = -0.34). The study concludes that MZ delineation should align with production system characteristicsadjusting water application rates (VRI) by MZs for irrigated fields and moisture conservation for rainfed systems. FCM offers practical advantages for routine implementation, while hierarchical clustering provides higher precision where economically justified.A agricultura de precisão (AP) envolve a análise da variabilidade espacial das lavouras e é caracterizada pelas etapas de coleta de dados, gestão da informação, intervenção localizada e avaliação de desempenho. As Unidades de Gestão Diferenciada (UGDs) representam uma abordagem que simplifica a resolução espacial da gestão da variabilidade dentro das áreas agrícolas. Elas apoiam a tomada de decisão ao identificar regiões onde a produtividade das culturas pode ser limitado, exigindo práticas de gestão diferenciadas. Este estudo avaliou a eficácia de dois métodos para a delimitação de UGDs fuzzy c-means (FCM) e hierárquico em áreas comerciais de soja e sorgo, irrigado (54,6 ha) e de sequeiro (7,9 ha) no Brasil. Foram utilizados registros históricos de mapas de produtividade, condutividade elétrica aparente do solo (CEa) em duas profundidades e atributos do terreno para a delimitação das UGDs, por meio de análises estatísticas multivariadas (PCA e agrupamento). A redução da variância dos atributos analisados no campo foi adotada como referência para avaliar os métodos de delineamento. Os resultados revelaram padrões distintos de variabilidade espacial entre os sistemas irrigado e de sequeiro. As áreas de sequeiro apresentaram maior variabilidade na produtividade (coeficiente de variação CV de 9 a 12%) e nas propriedades do solo (CEa CV de 20 a 27%) em comparação às áreas irrigadas, que mostraram menor variabilidade (produtividade CV <7%, CEa CV em torno de 5%). A análise geoestatística indicou dependência espacial de moderada a forte tanto para os dados de CEa quanto de produtividade. A análise de componentes principais (PCA) revelou que, nas áreas irrigadas, a elevação e a CEa foram os principais fatores que explicaram a variabilidade (48% no primeiro componente principal PC1). Nas áreas de sequeiro, a elevação e a CEa também se destacaram como determinantes (66% no PC1). O método FCM gerou UGDs mais homogêneas, especialmente nas áreas irrigadas (CV da soja <6%), necessitando de um menor número de classes para alcançar uma redução efetiva da variância. Por outro lado, o método hierárquico foi mais eficiente na captura de valores extremos, porém demandou um maior número de classes (cinco UGDs para uma redução de 54% da variância). Nas áreas de sequeiro, o agrupamento hierárquico promoveu melhor homogeneidade interna, embora o FCM continue sendo uma alternativa viável pela simplicidade operacional. Também foram observadas diferenças nos fatores determinantes da produtividade: a irrigação minimizou os efeitos da topografia, enquanto, nas áreas de sequeiro, a produtividade foi influenciada pela declividade (sorgo, r = - 0,40) e por áreas mais baixas, associadas à umidade (soja, r = -0,34). O estudo conclui que a delimitação de UGDs deve ser alinhada às características do sistema produtivo com ajuste das lâminas de irrigação via taxa variável (VRI) nas áreas irrigadas e estratégias de conservação de umidade nas áreas de sequeiro. O método FCM oferece vantagens práticas para a implementação rotineira, enquanto o agrupamento hierárquico proporciona maior precisão em situações em que esse nível de detalhamento seja economicamente justificável.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPMolin, Jose PauloSterle, Luiz Gustavo de Goes2025-07-28info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/11/11152/tde-18092025-145520/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPLiberar o conteúdo para acesso público.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2025-09-19T14:21:02Zoai:teses.usp.br:tde-18092025-145520Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://www.teses.usp.br/PUBhttp://www.teses.usp.br/cgi-bin/mtd2br.plvirginia@if.usp.br|| atendimento@aguia.usp.br||virginia@if.usp.bropendoar:27212025-09-19T14:21:02Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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