Hyperspectral data to predict sugarcane leaf nitrogen content

Uma das alternativas bastante abordada na literatura para a melhoria do gerenciamento da adubação nitrogenada nas culturas é o sensoriamento remoto, tendo destaque a utilização de sensores espectrais na região do visível e infravermelho. Neste trabalho, buscou-se estabelecer as relações existentes entre variações no teor foliar de nitrogênio (TFN) e a resposta espectral da folha de cana-de-açúcar, utilizando um sensor hiperespectral, com avaliações em três áreas experimentais do estado de São Paulo, com diferentes solos e variedades. Cada experimento foi alocado em blocos ao acaso, com parcelas subdividas e quatro repetições. Foram aplicadas doses de 0, 50, 100 e 150 kg de nitrogênio por hectare. A análise espectral foi realizada na folha \"+1\" em laboratório, sendo coletadas 10 folhas por subparcela, estas foram posteriormente submetidas a análise química para o TFN. Observou-se que existe correlação significativa entre o TFN e as variações na resposta espectral da cana-de-açúcar, sendo que a região do verde e de transição entre o vermelho e o infravermelho próximo (\"red-edge\") foram as mais consistentes e estáveis entre as áreas em estudo e safras avaliadas. A análise de componentes principais permitiu reforçar estes resultados, uma vez que as pontuações (\"scores\") dos componentes que apresentaram correlações significativas com o TFN, tiveram maiores pesos (\"loadings\") nas regiões espectrais citadas anteriormente. A partir das curvas espectrais foram também realizados os cálculos dos índices de vegetação já descritos em literatura, e estes submetidos a análise de regressão simples para predição do TFN, sendo os modelos calibrados com dados da safra 2012/13 e validados com os dados da safra 2013/14. Índices espectrais calculados com a combinação dos comprimentos de onda do verde e/ou \"red-edge\" com comprimentos de onda do infravermelho próximo tiveram bom desempenho na fase de validação, sendo que os cinco mais estáveis foram os índices BNi (500, 705 e 750 nm), GNDVI (550 e 780 nm), NDRE (790 e 720 nm), RI-1db (735 e 720 nm) e VOGa (740 e 720 nm). A variedade SP 81 3250 foi cultivada nas três áreas experimentais, o que permitiu a comparação do potencial de modelos calibrados por área, com um modelo generalista para uma mesma variedade cultivada em diferentes condições edáficas. Observou-se que embora o modelo generalista apresente parâmetros estatísticos significativos, existe redução expressiva da sensibilidade de predição quando comparado aos modelos calibrados por área experimental. Empregou-se também nesta pesquisa a análise de regressão linear múltipla por \"stepwise\" (RLMS) que gerou modelos com boa precisão na estimativa do TFN, mesmo quando calibrados por área experimental, independentes da variedade, utilizando de 5 a 6 comprimentos de onda. Concluímos com a presente pesquisa que comprimentos de onda específicos estão associados a variação do TFN em cana-de-açúcar, e estes são reportados na região do verde (próximos a 550 nm) e na região de transição entre os comprimentos de onda do vermelho e infravermelho próximo (680 a 720 nm). Apesar da baixa correlação entre a região do infravermelho próximo com o TFN, índices de vegetação calculados a partir destes comprimentos de onda ou a inserção destes na geração de modelos lineares foram importantes para melhorar a precisão da predição.An alternative method, quite cited in literature to improve nitrogen fertilization management on crops is the remote sensing, highlighted with the use of spectral sensors in the visible and infrared region. In this work, we sought to establish the relationship between variations in leaf nitrogen content and the spectral response of sugarcane leaf using a hyperspectral sensor, with assessments in three experimental areas of São Paulo state, Brazil, with evaluations in different soils and varieties. Each experimental area was allocated in randomized block, with splitted plots and four repetition, hence, receiving doses of 0, 50, 100 and 150 kg of nitrogen per hectare. Spectral analysis was performed on the \"+1\" leaf in laboratory; we collected 10 leaves per subplots; which were subsequently subjected to chemical analysis to leaf nitrogen content determination. We observed a significant correlation between leaf nitrogen content and variations in sugarcane spectral response, we noticed that the region of the green light and red-edge were the most consistent and stable among the studied area and the crop seasons evaluated. The principal component analysis allowed to reinforce these results, since that the scores for principal components showed significant correlations with the leaf nitrogen content, had higher loadings values for the previous spectral regions mentioned. From the spectral curves were also performed calculations of spectral indices previously described in literature, being these submitted to simple regression analysis to direct prediction of leaf nitrogen content. The models were calibrated with 2012/13 and validated with 2013/14 crop season data. Spectral indices that were calculated with green and/or red-edge, combined with near-infrared wavelengths performed well in the validation phase, and the five most stable were the BNi (500, 705 and 750 nm), GNDVI (550 and 780 nm), NDRE (790 and 720 nm), IR-1dB (735 and 720 nm) and VOGa (740 and 720 nm). The variety SP 81 3250 was cultured in the three experimental areas, allowing to compare the performance of a specific site model with a general model for the same variety growing on different soil conditions. Although the general model presents meaningful statistical parameters, there is a significant reduction in sensitivity to predict leaf nitrogen content of sugarcane when compared with specific site calibrated models. We also used on this research the stepwise multiple linear regression (SMLR) that generated models with good precision to estimate the leaf nitrogen content, even when models are calibrated for an experimental area, regardless of spectral differences between varieties, using 5 to 6 wavelengths. This study shows that specific wavelengths are associated with variation in leaf nitrogen content of sugarcane, and these are reported in the region of green (near to 550 nm) and red-edge (680 to 720nm). Despite the low correlation observed between the infrared wavelengths to the leaf nitrogen content of sugarcane, vegetation indices calculated from these wavelengths, or its insertion on linear models generation were important to improve prediction accuracy