New approach for predicting nitrogen and pigments in maize from hyperspectral data and machine learning models

Fast diagnostics from hyperspectral data and machine learning (ML) models to predict nitrogen (N) and pigment content in maize crops is challenging to optimize nitrogen fertilization. This research assessed the efficiency of the five ML algorithms, the best phenological stage, and the sensitivity of the 90 spectra to estimate N and pigment content. Therefore, this field research proposes as a novelty to test which of the five ML algorithms accurately estimates nitrogen, chlorophyll, and carotenoid content in maize leaves at different phenological stages using hyperspectral band data. The treatments were arranged in a factorial scheme with four N doses (0, 54, 108, and 216 kg ha−1) combined with five leaf collection seasons at phenological stages V6 to V14. The ML models tested were artificial neural networks – ANN, decision tree adapted for prediction problems – M5P, REPTree decision tree, random forest - RF, polynomial support vector machine – PSVM, and ZeroR - ZR (control). Spectral bands 530–560 nm and 690–750 nm are effective wavelengths because the visible region with lower reflectance (530–560 nm) affects N uptake and chlorophyll and carotenoid content, while the red-edge and near-infrared region affects N and chlorophyll content. The random forest (RF) model performed better with higher correlation (r) and mean absolute error (MAE) between predicted and observed values for all variables, with the correlation coefficient (r) value being around 0.6 and the MAE below 0.5 for the prediction of chlorophyll a+b. For the prediction of flavonoids, the r was around 0.6 and the error was 0.07. Support vector machine (SVM) and RF efficiently predicted nitrogen content, in predicting of NF, the r values for both algorithms were above 0.35 and the error was below 2.75.

Palavras-chave

Leaf N content Nutritional diagnosis Precision agriculture Zea mays

Idioma

Inglês

Citação

Remote Sensing Applications: Society and Environment, v. 33.

URI

https://hdl.handle.net/11449/298903

Financiadores

Universidade Federal de Mato Grosso do Sul

Gaussian

Fundação de Apoio ao Desenvolvimento do Ensino, Ciência e Tecnologia do Estado de Mato Grosso do Sul

Coleções

Ilha Solteira - FEIS - Faculdade de Engenharia

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Prado, Renato de Mello

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O zinco (Zn) é micronutriente cuja deficiência é frequente em Latossolos tropicais, afetando o metabolismo e a produtividade da soja. Objetivou-se estabelecer níveis críticos de suficiência e toxicidade de Zn no solo e na folha para a soja TMG 7063 IPRO, avaliando efeitos fisiológicos e bioquímicos. O experimento foi conduzido na FCAV/UNESP, Jaboticabal-SP, em Latossolo Vermelho Eutroférrico com teor inicial alto de Zn (2,7 mg dm⁻³ DTPA). Utilizou-se delineamento em blocos casualizados, com cinco doses residuais de Zn (0, 12, 24, 48 e 96 kg ha⁻¹) aplicadas em dezembro de 2023 como sulfato de zinco monoidratado (33% Zn), e quatro repetições. Após cultivo de milho, a soja foi cultivada na safra 2024/2025 (17/11/2024 a 08/03/2025, 663 mm de chuva). Avaliaram-se acúmulo de nutrientes, concentração foliar e nos grãos, trocas gasosas (A, Gs, Ci, E), eficiência do fotossistema II (Fv/Fm), pigmentos, índices de flavonoides/antocianinas, MDA, SOD, ácido ascórbico, fenóis, sacarose, açúcares e aminoácidos, além da produtividade para determinação dos níveis críticos. A produtividade apresentou resposta quadrática, com máxima de 3.666 kg ha⁻¹ na dose de 46,3 kg ha⁻¹ de Zn. Os níveis críticos no solo foram 8,24 mg dm⁻³ (ótimo) e 12,69 mg dm⁻³ (toxicidade - 95% da produção máxima). Na planta, 52,8 mg kg⁻¹ (ótimo) e 76,4 mg kg⁻¹ (toxicidade). O acúmulo de Zn na parte aérea foi quadrático, com estabilização a partir de 48 kg ha⁻¹, enquanto o Fe reduziu linearmente. Zn foliar e nos grãos aumentou linearmente (18 para 92 mg kg⁻¹ na folha e 31 para 44 mg kg⁻¹ nos grãos), aumento de aproximadamente 40% no teor de Zn dos grãos. MDA, SOD e ácido ascórbico aumentaram linearmente, indicando estresse oxidativo moderado nas maiores doses, com ativação do sistema antioxidante. Fenóis totais apresentaram máximo em 44,5 kg ha⁻¹ e sacarose reduziu com as doses. A fotossíntese líquida apresentou máximo em 31,4 kg ha⁻¹ (47,2 μmol CO₂ m⁻² s⁻¹), com redução nas maiores doses por limitação não estomática, com leve queda de Fv/Fm (0,81 para 0,79). Propõe-se como faixa adequada para manejo os teores de Zn no solo entre 3,80 e 8,24 mg dm⁻³ e na folha diagnóstica entre 29,2 e 52,8 mg kg⁻¹ em R2, associada à dose residual de 13,9 a 46,3 kg ha⁻¹ de Zn.