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Uma nova abordagem para classificação e avaliação de carbono e nitrogênio de solos por análise de imagem: um caso de estudo com latossolos e cambissolos

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Rinaldi, Juliano Tiago
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Pato Branco
Brasil
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação
UTFPR
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: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38389
Resumo: The accurate classification of soils and the prediction of their chemical properties, such as carbon and nitrogen content, are fundamental in several fields, including agriculture, geology, and environmental management. Traditional methods for soil classification and analysis are often expensive, time-consuming, and dependent on specialized professionals, which limits their sca- lability, especially in regions with diverse terrain or limited resources. This study proposes two complementary approaches based on image analysis and deep learning. In the first study, focused on soil classification, a pre-trained convolutional neural network (ResNet50) achieved a balanced accuracy of 93.73% on the test set. In contrast, applying a majoritarian voting method to the window predictions from the first experiment resulted in an impressive balanced accuracy of 100% in distinguishing between Latosols and Cambisols, two common soil types in southern Brazil. In the second study, we aimed to approximate the predictions of carbon and nitrogen content to the real measured values. For this, a fine-tuned EfficientNetV2-S model was used for regression, with two experiments conducted: one predicting values for segmented windows from the images and another using the median of the window predictions for each soil sample. The latter approach significantly improved performance, achieving an R² of 0.7425 for carbon and 0.7774 for nitrogen. These methods offer faster, non-destructive, and scalable alternatives to traditional laboratory analyses, contributing to sustainable agricultural practices and facilitating soil classification and management in resource-limited contexts.
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spelling Uma nova abordagem para classificação e avaliação de carbono e nitrogênio de solos por análise de imagem: um caso de estudo com latossolos e cambissolosA new approach for classification and assessment of soil carbon and nitrogen through image analysis: a case study with oxisols and inceptisolsSolosCarbonoSolos - Teor de nitrogênioAprendizado do computadorSoilsCarbonSoils - Nitrogen contentMachine learningCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICAEngenharia/Tecnologia/GestãoThe accurate classification of soils and the prediction of their chemical properties, such as carbon and nitrogen content, are fundamental in several fields, including agriculture, geology, and environmental management. Traditional methods for soil classification and analysis are often expensive, time-consuming, and dependent on specialized professionals, which limits their sca- lability, especially in regions with diverse terrain or limited resources. This study proposes two complementary approaches based on image analysis and deep learning. In the first study, focused on soil classification, a pre-trained convolutional neural network (ResNet50) achieved a balanced accuracy of 93.73% on the test set. In contrast, applying a majoritarian voting method to the window predictions from the first experiment resulted in an impressive balanced accuracy of 100% in distinguishing between Latosols and Cambisols, two common soil types in southern Brazil. In the second study, we aimed to approximate the predictions of carbon and nitrogen content to the real measured values. For this, a fine-tuned EfficientNetV2-S model was used for regression, with two experiments conducted: one predicting values for segmented windows from the images and another using the median of the window predictions for each soil sample. The latter approach significantly improved performance, achieving an R² of 0.7425 for carbon and 0.7774 for nitrogen. These methods offer faster, non-destructive, and scalable alternatives to traditional laboratory analyses, contributing to sustainable agricultural practices and facilitating soil classification and management in resource-limited contexts.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)A classificação precisa de solos e a predição de suas propriedades químicas, como o teor de carbono e nitrogênio, são fundamentais em diversas áreas, incluindo agricultura, geologia e gestão ambiental. Métodos tradicionais de classificação e análise de solos são frequentemente caros, demorados e dependem de profissionais especializados, o que limita sua escalabilidade, especialmente em regiões com terrenos diversos ou recursos limitados. Este estudo propõe duas abordagens complementares baseadas em análise de imagens e aprendizado profundo. No primeiro estudo, trabalhamos na classificação de solos, uma rede neural convolucional pré-treinada (ResNet50) alcançou uma acurácia balanceada de 93,73% no conjunto de teste, em contrapartida, aplicamos o método de combinação por votação majoritária às predições das janelas realizadas sobre o primeiro experimento, assim, este método resultou em uma impressionante acurácia balanceada de 100,0% na distinção entre Latossolos e Cambissolos, dois tipos de solo comuns no sul do Brasil. No segundo estudo, objetivamos aproximar as predições dos teores de carbono e nitrogênio dos valores reais medidos, para isso, foi utilizado um modelo EfficientNetV2-S ajustado para regressão, com dois experimentos realizados: um prevendo valores para janelas segmentadas das imagens e outro utilizando a mediana das predições das janelas para cada amostra de solo. Este último melhorou significativamente o desempenho, alcançando um R² de 0,7425 para o carbono e 0,7774 para o nitrogênio. Esses métodos oferecem alternativas mais rápidas, não destrutivas e escaláveis em relação às análises laboratoriais tradicionais, contribuindo para práticas agrícolas sustentáveis e facilitando a classificação e o manejo do solo em contextos com recursos limitados.Universidade Tecnológica Federal do ParanáPato BrancoBrasilPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de ComputaçãoUTFPRCasanova, Dalcimarhttps://orcid.org/0000-0002-1905-4602https://lattes.cnpq.br/4155115530052195Tonial, Larissa Macedo dos Santoshttps://orcid.org/0000-0002-7046-0788https://lattes.cnpq.br/9439814411927273Backes, André Ricardohttp://lattes.cnpq.br/8590140337571249Casanova, Dalcimarhttps://orcid.org/0000-0002-1905-4602https://lattes.cnpq.br/4155115530052195Oliva, Jefferson Taleshttps://orcid.org/0000-0003-1574-1293https://lattes.cnpq.br/5086431818930800Rinaldi, Juliano Tiago2025-09-26T12:21:03Z2025-09-26T12:21:03Z2025-08-29info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfRINALDI, Juliano Tiago. Uma nova abordagem para classificação e avaliação de carbono e nitrogênio de solos por análise de imagem: um caso de estudo com latossolos e cambissolos. 2025. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica e de Computação) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2025.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38389porhttps://creativecommons.org/licenses/by/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPR2025-09-27T06:15:01Zoai:repositorio.utfpr.edu.br:1/38389Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestriut@utfpr.edu.br || sibi@utfpr.edu.bropendoar:2025-09-27T06:15:01Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false
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