3 Simpósio Internacional de Agricultura de Precisão

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1 MAPEAMENTO DA ALTURA DE PLANTAS DE ALGODÃO UTILIZANDO SENSOR ULTRASSOM Luciano Shozo Shiratsuchi, Leonardo Ribeiro Queiros, Cássio Dener Noronha Vinhal RESUMO: O objetivo deste trabalho foi mapear a altura de plantas de algodão utilizando um protótipo baseado em sensores ultrassom, tendo como finalidade otimizar a aplicação de fitorreguladores. Em lavoura comercial de algodão foram escolhidas duas áreas com épocas de plantio diferentes para representar melhor a variabilidade da altura de plantas. Uma área de 50 ha foi mapeada com um espaçamento de 21 m entre passadas do pulverizador autopropelido e outra área de 12 ha foi mapeada com um espaçamento de 1,5 m. Para a análise de dependência espacial as áreas foram subdivididas em quatro subáreas, dividindo duas épocas de plantio em cada área. Para a coleta de alturas foram utilizados sensores ultrasônicos e para a análise e geração dos mapas foi utilizado o cálculo de semivariogramas e o método de interpolação krigagem pontual. Nos dados interpolados foi adotado o método de clusterização k-means para representar as classes de alturas de plantas nos mapas gerados. Na validação do experimento em campo, o sistema protótipo acoplado a um pulverizador terrestre mapeou sem problemas operacionais aproximadamente 62 ha. Os mapas obtidos por krigagem e k-means representaram de forma satisfatória a tendência de altura das plantas de algodão nessa área. Verificou-se, ainda, dependência espacial das alturas de plantas de algodão coletadas em diferentes espaçamentos de pulverização. PALAVRAS-CHAVE: Agricultura de Precisão; Sensores Ultrasônicos; Krigagem Pontual; K-means; Fitorregulador; Sistema Protótipo. ABSTRACT: The objective of this research was mapping the cotton plants height using a prototype based on ultrasonic sensors, tends as purpose optimize plant growth regulator application. In a commercial cotton field two areas were chosen, both with different planting dates to better represent the plants height. A 50 hectare area was mapped using a self-propeler with a spacing tramline of 21 m, other area of 12 hectare was mapped with a spacing of 1,5 m. For geostatistics analysis the experimental areas were subdivided in four subareas, with two planting dates. The readings of plants height was made with ultrasonic sensors. The maps were generated using point kriging interpolation after semivariogram calculation. The cluster k-means method was adopted to represent plant height classes in the generated maps. In the experiment validation at commercial field, the prototype was able to map about 62 hectare without any hardware and software problem. The maps generated by point kriging and k-means showed well the tendency of cotton plants height in that area. It was verified spatial dependence of cotton plants height collected in different tramlines spacing. KEYWORDS: Precision Agriculture, ultrasonic sensors, point kriging, k-means, plant growth regulators. INTRODUÇÃO: A aplicação de reguladores de crescimento no algodoeiro é uma prática comum e rotineira dos agricultores na cultura de algodão, principalmente por produtores altamente tecnificados que utilizam variedades capazes de atingir altas produtividades (Lamas, 1999). Esta operação possibilita um aumento de produtividade expressivo em relação à não utilização destes produtos (York, 1983). O regulador de crescimento aplicado no algodoeiro induz a planta a direcionar e priorizar a disponibilidade de nutrientes para órgãos reprodutivos, que no caso do algodoeiro se traduz em maior produtividade (Ashey et al., 1965), alem de melhorar a eficiência na colheita mecanizada

2 (Carvalho et al., 1994). Porém, até o momento, as aplicações de reguladores de crescimento no algodoeiro são baseadas em condições generalizadas da altura de plantas. Ou seja, as recomendações agronômicas de aplicação são baseadas na média de altura de plantas de um talhão, desconsiderando esta variabilidade espacial. Esta forma de manejo uniforme pode incorrer em erros, como interferência no crescimento de plantas pequenas e a insuficiência na dose de reguladores de crescimento em regiões onde se tem plantas maiores. A idéia de se acoplar o protótipo em pulverizadores autopropelidos deve-se ao fato de que a maioria dos produtores de algodão já possuem em sua propriedade e também pela vantagem de aproveitar a pulverização de outros produtos para realização do mapeamento da altura de plantas, dispensando uma operação exclusiva para esta atividade. Com a finalidade de melhorar o manejo da aplicação de reguladores de crescimento, o objetivo deste trabalho foi mapear a altura de plantas de algodão utilizando um protótipo baseado em sensores ultrassom. MATERIAL E MÉTODOS: O experimento foi conduzido numa lavoura comercial de algodão em Correntina - BA. Duas áreas, uma de 12 ha e outra de 50 ha, foram escolhidas e mapeadas pelo sistema protótipo. Cada área era compreendida por duas épocas de plantio distintas, assim, as áreas de 50 ha e 12 ha foram divididas em 4 subáreas, sendo referidas neste capítulo por 50a, 50b, 12a e 12b respectivamente. O espaçamento de pulverização da passagem comercial do autopropelido na área de 12 ha foi modificado para uma passagem hipotética com espaçamento de pulverização menor, pois havia o receio de que a passagem comercial do auto-propelido não pudesse representar a dependência espacial de alturas das plantas de algodão e nem permitisse certificar o funcionamento satisfatório do sistema protótipo como precisão dos sensores, imunidade a ruídos elétricos, sensibilidade de vibração da máquina, sensibilidade ao clima, sensibilidade à poeira, entre outros fatores ambientais que pudessem interferir na onda mecânica emitida pelos sensores ultrassônicos. A passagem hipotética foi realizada para obter maior densidade de pontos amostrais. Ao invés de considerar a barra do autopropelido, foi considerada a sua bitola, de forma que, cada passagem do autopropelido correspondeu a 3 linhas de produção sendo que foram utilizadas as medições de somente 2 fileiras externas (2sensores). Na área de 50 ha, foi utilizada a passagem comercial do autopropelido. Para verificar a precisão dos sensores, foram escolhidos três pontos na área de 12 ha que representassem regiões com tendências distintas de altura. Num raio de 20 linhas de produção ou 15 m (pois a distância entre linhas é de 0.75 m), por ponto, foram realizadas 100 medidas manuais e aleatórias sobre as alturas das plantas. A escolha deste raio se justifica por ter sido utilizado o GPS Etrex da Garmin, que trabalha com precisão no intervalo de 5 a 15 m. Para a análise dos dados, partiu-se do pressuposto de que o fenômeno é isotrópico, pois, certamente quase todos os fenômenos são anisotrópicos, principalmente na área agrícola em que se tem um sentido definido de plantio e colheita em função do relevo e da logística interna. Os dados obtidos foram submetidos à análise geoestatística para a confecção dos mapas pelo método de interpolação Krigagem com objetivo de obter mais informações sobre a variabilidade espacial do algodão e estimar a precisão dos sensores. As etapas seguidas foram: (i) análise descritiva dos dados; (ii) análise do semivariograma; (iii) interpolação por krigagem e representação das alturas pelo método de clusterização k-means. Para verificar a precisão dos sensores, foram escolhidos três pontos na área de 12 ha que representassem regiões com tendências distintas de alturas, para isto procedeu-se 100 medidas manuais de alturas de plantas de algodão escolhidas ao acaso que estivessem num raio de 15m.

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO: Verificou-se que a analise descritiva dos valores amostrais para ambos sensores foram muito semelhantes e, por questão de simplicidade, nas análises que se seguem, foram considerados apenas os valores amostrados pelo sensor 1 (Figura 1). Sensores S1 sensor 1 S2 sensor 2 Áreas expeimentais 12a 12b 50a 50b 12a 12b 50a 50b Total de Pontos Media Mediana Valor Mínimo Valor Máximo Variância Desvio Padrão Figura 1. Estatística descritiva dos dados coletados pelos sensores 1 e 2. Os coeficientes de variação tiveram maiores valores para a área de 50 ha, variando de 21,14 a 49,67%, do que para a área de 12 ha que variou de 8.35 a 17.65%. Isto pode indicar que há um maior nível de agregação ou variação de alturas sobre as plantas de algodão para a área de 50 ha. Para as áreas 12a, 12b, 50a as distâncias máximas ou os alcances em que as alturas de algodão possuíram dependência entre si foram de m, m, 53 m, e m (Figura 2). Área Alcance (a) Patamar Variância Contribuição A%* r 2 ** Coeficiente de (C) Nugget (C0) (C1) regressão** 12ª ,27 0,998 12b 249,77 32,51 24,59 7,92 24,36 0,10 0,995 50ª ,43 39,57 48,26 0,60 0,999 50b 249,9 99,48 26, ,38 0,67 0,998 Figura 2. Parâmetros dos Semivariograma Isotrópicos ajustados aos modelos esféricos. *A%, ou autocorrelação, é a proporção da variação explicada pela distância entre as amostras. A% = (patamar variância nugget)/patamar*100 ** Parâmetros da validação cruzada. Isso significa que, para cada área, as amostras seriam independentes entre si para um intervalo de amostragem maior do que seu alcance, pois a semivariância tenderia à variância amostral, implicando em variância aleatória ou ao acaso. O valor de autocorrelação A % foi maior para ás áreas 50a e 50b, implicando que maior parte da variação das alturas existentes é dependente da distância de amostragem. Analisando-se a validação cruzada para os modelos esféricos ajustados aos semivariogramas para as áreas 12a, 12b e 50a, percebeu-se que os modelos superestimaram um pouco as alturas de plantas medidas. Dessa forma, os mapas de alturas resultantes da Krigagem para estas áreas tiveram uma superfície de alturas de plantas ligeiramente superestimada. Entretanto, o modelo esférico ajustado ao semivariograma da área 50b foi o melhor indicado pela validação cruzada, pois a diferença entre os valores reais e os valores estimados pelo modelo foi pequena e isso é refletido pelos valores do coeficiente de regressão estarem próximos de um. As alturas em pontos não amostrados estimados pela krigagem pontual, em seguida, clusterizados pelo k-means foram muito bem representados nos mapas pelo valor dos centróides que cada cluster formado representa (Figura 3).

4 Figura 3. Mapas interpolados por krigagem e clusterizados por k-means. Onde: P corresponde ao percentual de alturas no cluster relativos à área total. P+ é o percentual de alturas dentro do cluster com valores maiores ou iguais ao centróide e s é o desvio padrão das alturas de cada cluster sobre seus centróides. Foi observado nos mapas que, à medida que o número de clusters aumenta, a média dos desvios padrões dos centróides diminuem e tende a uma aproximação mais detalhada sobre as alturas de plantas de algodão. Os mapas obtidos com a interpolação por krigagem pontual e a definição dos intervalos de alturas definidos pelo k-means representaram a tendência de alturas das plantas de algodão nas áreas do experimento. Na verificação da precisão dos sensores, os três pontos na área de 12 ha com tendências distintas de alturas, ponto 1 (P1), ponto 2 (P2) e ponto 3 (P3) representaram regiões onde a altura do algodão era mais baixa, mais alta e intermediária respectivamente (Figura 4). Figura 4. Pontos amostrais para afericao das medidas dos sensores. Uma relativização da precisão foi obtida ao comparar a média das medidas manuais com as médias dos clusters centróides. O ponto P1 com média cm e desvio padrão cm pertence ao cluster 5 no mapa da área 12a, cujo centróide é de 54 cm e desvio padrão 0.92 cm (Figura 4 e 5).

5 Média* Desvio Padrão Centróide Desvio Padrão P1 (12a) c5 (54) 0.92 P2 (12b) c9 (77) 1.13 P3 (12a) c9 (70) 2.47 Figura 4. Pontos P1,P2 e P3 escolhidos na área de 12 ha para estimar a precisão dos sensores.*médias das 100 alturas medidas manualmente para os pontos P1, P2, P3 e os valores dos centróides que representam cada ponto nos mapas obtidos pela interpolação. CONCLUSÕES: Os mapas representaram adequadamente e de maneira pratica a tendência de alturas das plantas de algodão nas áreas do experimento. A dependência espacial das alturas coletadas foi representada tanto no espaçamento de pulverização comercial (50 ha) quanto no espaçamento experimental (12 ha), isto facilitará a condução de novos experimentos, pois não será necessário alterar o espaçamento de pulverização normal. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS: ASHEY, D.A.; DOSS, B.D.; BENNETT, O.L. Relation of cotton leaf área index to plant growth and fruiting. Agronomy Journal, v.57, p.61-64, CARVALHO, LH.; CHIAVEGATO, E.J.; CIA,E.; KONDO, J.I.; SABINO, J.C.; PETTINELLI JUNIOR, A.; BORTOLETTO, N.; GALLO, P.B. Fitorreguladores de crescimento e capação na cultura algodoeira. Bragantia, Campinas, v.53, n.2, p , LAMAS, F.M.; ATHAYDE, M.L.F.; BANZATTO, D.A.; FORTUNA, P.A. Cloreto de mepiquat, thidiazuron e ethephon aplicados em algodoeiro em Ponta Pora, MS. Pesquisa Agropecuária Brasileira, v.34, n.10, p , YORK, A.C. Cotton cultivar response to mepiquat chloride. Agronomy Journal, v.75, n.4, p ,1983.