Integrating remote sensing and crop modeling for enhanced sugarcane yield predictions in the main production region of Brazil

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2024
Autor(a) principal: Rosa, Juliano Mantellatto
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
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:
TED
Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/11/11152/tde-12032025-154152/
Resumo: Sugarcane is a crucial raw material for producing sugar and ethanol, making effective strategies for monitoring its quantity and availability essential. Various methods have been developed for yield estimation, particularly those combining process-based crop models (PBMs) with data assimilation (DA). These methods leverage two different sources of information, each with its own uncertainties, to enhance yield estimation accuracy. However, a comprehensive framework for analyzing sugarcane data at regional scales using DA has yet to be established. This study aimed to improve sugarcane yield prediction accuracy in Brazil\'s primary production regions by integrating Leaf Area Index (LAI) data into a stochastic crop simulation model. The LAI data, sourced from Landsat 7 ETM+ sensor, were extracted at the pixel level for sugarcane blocks across São Paulo state. Approximately 167,000 remotely sensed LAI data points were assimilated into the SAMUCA model using a DA method known as Ensemble Smoother (ES) to minimize estimation uncertainties. Spanning the 2003-2013 period across São Paulo\'s sugarcane-growing regions, the study employed the Technology Extrapolation Domains (TEDs) to segment areas based on biophysical characteristics. Results show significant improvements in prediction accuracy: the DA method reduced the Root Mean Square Error (RMSE) from 43.98 Mg ha-1 to 17.83 Mg ha-1, an improvement of up to 59%, while the Mean Absolute Error (MAE) decreased from an average of 41.85 Mg ha-1 to 11.65 Mg ha-1 across the 22 TEDs. Notably, individual TEDs consistently showed reductions, with average RMSE reductions of 57% and MAE reductions reaching up to 96% in specific areas. These findings underscore the value of incorporating LAI data into operational yield estimation frameworks, with implications for regional-scale production resource optimization and strategic agricultural management. This approach establishes a robust foundation for regional crop yield estimation.
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However, a comprehensive framework for analyzing sugarcane data at regional scales using DA has yet to be established. This study aimed to improve sugarcane yield prediction accuracy in Brazil\'s primary production regions by integrating Leaf Area Index (LAI) data into a stochastic crop simulation model. The LAI data, sourced from Landsat 7 ETM+ sensor, were extracted at the pixel level for sugarcane blocks across São Paulo state. Approximately 167,000 remotely sensed LAI data points were assimilated into the SAMUCA model using a DA method known as Ensemble Smoother (ES) to minimize estimation uncertainties. Spanning the 2003-2013 period across São Paulo\'s sugarcane-growing regions, the study employed the Technology Extrapolation Domains (TEDs) to segment areas based on biophysical characteristics. Results show significant improvements in prediction accuracy: the DA method reduced the Root Mean Square Error (RMSE) from 43.98 Mg ha-1 to 17.83 Mg ha-1, an improvement of up to 59%, while the Mean Absolute Error (MAE) decreased from an average of 41.85 Mg ha-1 to 11.65 Mg ha-1 across the 22 TEDs. Notably, individual TEDs consistently showed reductions, with average RMSE reductions of 57% and MAE reductions reaching up to 96% in specific areas. These findings underscore the value of incorporating LAI data into operational yield estimation frameworks, with implications for regional-scale production resource optimization and strategic agricultural management. This approach establishes a robust foundation for regional crop yield estimation.A cana-de-açúcar é uma matéria-prima essencial para a produção de açúcar e etanol, tornando indispensáveis as estratégias eficazes de monitoramento de sua quantidade e disponibilidade. Diversos métodos foram desenvolvidos para a estimativa de produtividade, especialmente aqueles que combinam modelos de cultura baseados em processos (MBPs) com assimilação de dados (DA). Esses métodos aproveitam duas fontes de informação distintas, cada uma com suas próprias incertezas, para melhorar a precisão das estimativas de produtividade. No entanto, ainda não foi estabelecida uma estrutura abrangente para analisar dados de cana-de-açúcar em escalas regionais utilizando DA. Este estudo teve como objetivo aprimorar a precisão das previsões de produtividade da cana-de-açúcar nas principais regiões produtoras do Brasil, integrando dados de Índice de Área Foliar (LAI) em um modelo de simulação de culturas estocástico. Os dados de LAI, provenientes do sensor Landsat 7 ETM+, foram extraídos em nível de pixel para áreas de cultivo de cana no estado de São Paulo. Aproximadamente 167.000 pontos de dados de LAI de sensoriamento remoto foram assimilados ao modelo SAMUCA usando o método de DA conhecido como Ensemble Smoother (ES), para minimizar as incertezas de estimativa. Abrangendo o período de 2003 a 2013 nas regiões produtoras de cana de São Paulo, o estudo empregou os Domínios de Extrapolação de Tecnologia (TEDs) para segmentar áreas com base em características biofísicas. Os resultados mostram melhorias significativas na precisão das previsões: o método DA reduziu o Erro Quadrático Médio (RMSE) de 43,98 Mg ha-1 para 17,83 Mg ha-1, uma melhoria de até 59%, enquanto o Erro Médio Absoluto (MAE) diminuiu de uma média de 41,85 Mg ha-1 para 11,65 Mg ha-1 em todos os 22 TEDs. Notavelmente, TEDs individuais apresentaram reduções consistentes, com reduções médias de RMSE de 57% e de MAE chegando a até 96% em áreas específicas. Esses achados ressaltam o valor da incorporação de dados de LAI em frameworks operacionais de estimativa de produtividade, com implicações para a otimização de recursos de produção em larga escala e para o manejo estratégico agrícola. Essa abordagem estabelece uma base robusta para a estimativa regional de produtividade agrícola.Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USPMarin, Fábio RicardoRosa, Juliano Mantellatto2024-12-18info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/11/11152/tde-12032025-154152/reponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USPinstname:Universidade de São Paulo (USP)instacron:USPReter o conteúdo por motivos de patente, publicação e/ou direitos autoriais.info:eu-repo/semantics/openAccesseng2025-03-18T14:46:10Zoai:teses.usp.br:tde-12032025-154152Biblioteca 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:27212025-03-18T14:46:10Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da USP - Universidade de São Paulo (USP)false
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