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Título: Uso de algoritmos de aprendizado de máquina para a estimativa de propriedades químicas em amostras de solos
Título(s) alternativo(s): Use of machine learning algorithms for predicting chemical properties in soil samples
Autor(es): Marsango, Gustavo Henrique
Orientador(es): Oliva, Jefferson Tales
Palavras-chave: Espectroscopia de infravermelho
Aprendizado do computador
Solos - Análise
Quimiometria
Infrared spectroscopy
Machine learning
Soils - Analysis
Chemometrics
Data do documento: 25-Nov-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Pato Branco
Citação: MARSANGO, Gustavo Henrique. Uso de algoritmos de aprendizado de máquina para a estimativa de propriedades químicas em amostras de solos. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia de Computação) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Pato Branco, 2025.
Resumo: A análise de solos é fundamental para a agricultura, permitindo a determinação da fertilidade e a recomendação correta de fertilizantes. No entanto, os métodos laboratoriais tradicionais (via úmida) são onerosos, demorados e geram resíduos químicos tóxicos. A Espectroscopia no Infravermelho Próximo (NIR) surge como uma alternativa rápida, não destrutiva e sustentável, mas enfrenta desafios devido à complexidade e sobreposição dos sinais espectrais. Este trabalho teve como objetivo desenvolver e avaliar modelos de aprendizado de máquina para estimar propriedades químicas (como Magnésio, Potássio, Fósforo, Cálcio, Matéria Orgânica e pH) em amostras de solos brasileiros utilizando dados espectrais NIR. A metodologia envolveu o pré-processamento dos espectros com técnicas como SNV, MSC e derivadas (Savitzky-Golay), seguido pela aplicação e otimização de algoritmos de regressão: PLSR, SVR, RF, XGBoost e Stacking. Os resultados indicaram um desempenho modesto geral, refletindo a alta heterogeneidade das amostras. Modelos baseados em árvores e ensembles (como XGBoost, RF e Stacking) superaram os métodos lineares clássicos (PLSR) na maioria dos casos, conseguindo capturar parcialmente a variabilidade de atributos como Fósforo e Magnésio. Conclui-se que, embora a técnica seja promissora, a variabilidade dos solos requer estratégias de calibração mais robustas para aplicação prática efetiva.
Abstract: Soil analysis is fundamental for agriculture, enabling fertility determination and proper fertilizer recommendation. However, traditional laboratory methods (wet chemistry) are costly, timeconsuming, and generate toxic chemical residues. Near-Infrared Spectroscopy (NIR) emerges as a fast, non-destructive, and sustainable alternative but faces challenges due to the complexity and overlapping of spectral signals. This work aimed to develop and evaluate machine learning models to estimate the concentration of chemical elements (such as Magnesium, Potassium, Phosphorus, Calcium, Organic Matter, and pH) in Brazilian soil samples using NIR spectral data. The methodology involved spectral pre-processing with techniques such as SNV, MSC, and derivatives (Savitzky-Golay), followed by the application and optimization of regression algorithms: PLSR, SVR, RF, XGBoost, andStacking. The results indicated an overall modest performance, reflecting the high heterogeneity of the samples. Tree-based and ensemble models (such as XGBoost, RF, andStacking) outperformed classical linear methods (PLSR) in most cases, managing to partially capture the variability of attributes like Phosphorus and Magnesium. It is concluded that, although the technique is promising, soil variability requires more robust calibration strategies for effective practical application.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39097
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