RESSALVA Atendendo solicitação do(a) autor(a), o texto completo desta tese será disponibilizado somente a partir de 16/12/2023. UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA – UNESP CÂMPUS DE JABOTICABAL DON’T FORGET THE BELOW-GROUND CROPS: INTRODUCING SWEET POTATOES INTO THE CONCEPT OF DIGITAL AGRICULTURE Danilo Tedesco de Oliveira Mestre em Agronomia 2021 UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA – UNESP CÂMPUS DE JABOTICABAL DON’T FORGET THE BELOW-GROUND CROPS: INTRODUCING SWEET POTATOES INTO THE CONCEPT OF DIGITAL AGRICULTURE Danilo Tedesco de Oliveira Prof. Dr. Rouverson Pereira da Silva Tese apresentada à Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias - Unesp, Câmpus de Jaboticabal, como parte das exigências para a obtenção do tı́tulo de Doutor em Agronomia (Produção Vegetal) 2021 O48d Tedesco de Oliveira, Danilo Don’t forget the below-ground crops: introducing sweet pota- toes into the concept of digital agriculture. / Danilo Tedesco de Oliveira. – – Jaboticabal, 2021 x, 94 p. : il., tabs. Tese (doutorado) – Universidade Estadual Paulista (Unesp), Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias, Jaboticabal Orientador: Prof. Dr. Rouverson Pereira da Silva 1. Agricultura de precisão. 2. Agricultura inteligente. 3. Colheita inteligente. 4. Ipomoea batatas. 5. Predição de produtividade. 6. Sensoriamento remoto. I. Tı́tulo. Sistema de geração automática de fichas catalográficas da Unesp. Biblioteca da Faculdade de Ciências Agrárias e Veterinárias, Jaboticabal. Dados fornecidos pelo autor. E-mail: danilo.tedesco@unesp.br DADOS CURRICULARES DO AUTOR Danilo Tedesco de Oliveira, filho de Lourival Bruno de Oliveira e Roseli Martins Tedesco de Oliveira, nasceu em Tupã no dia 11 de junho de 1995, municı́pio localizado no interior do Estado de São Paulo. Cursou ensino fundamental e médio no municı́pio de Quintana, São Paulo, no perı́odo entre 2002 a 2012. Durante o ensino médio cursou Técnico em Mecânica no SENAI “Shunji Nishimura” concluindo no ano de 2013. Em 2014 iniciou o curso de graduação em Tecnologia em Mecanização em Agricultura de Precisão na FATEC “Shunji Nishimura”. Durante o curso foi membro do Grupo de Estudos de Colheita Mecanizada (GECOM), onde realizou trabalhos e pesquisas em campo, relacionadas a qualidade de operações agrı́colas de semeadura e colheita, sob supervisão do Prof. Me. Edson Massão Tanaka. Obteve o tı́tulo de Tecnólogo em Mecanização em Agricultura de Precisão no ano de 2016. Em 2017 inicio o mestrado no Programa de Pós-graduação em Agronomia (Ciência do Solo) na Universidade Estadual Paulista “Júlio de Mesquita Filho” Faculdade de Ciências Agrarias e Veterinárias Campus Jaboticabal (Unesp/FCAV), sobe a orientação do Prof. Dr. Rouverson Pereira da Silva, onde desenvolveu projetos de pesquisas relacionados a agricultura de precisão, sensoriamento remoto e uso de técnicas de inteligência artificial na agricultura, obtendo o tı́tulo de Mestre em Agronomia (Ciência do Solo) em fevereiro de 2019. No mesmo ano ingressou o curso de Doutorado em Agronomia (Produção Vegetal) na mesma universidade, sob a mesma orientação. Onde dedicou seu tempo para realizar pesquisas relacionadas ao desenvolvimento de ferramentas para avaliar remotamente o crescimento, desenvolvimento, produtividade e qualidade de culturas com a implementação de técnicas de sensoriamento remoto e inteligência artificial. Durante o tempo de pós-graduação realizou dezenas de cursos, treinamentos e palestras relacionadas ao uso de imagens na agricultura de precisão e sistemas de informações geográficas (SIG). No dia de 16 de dezembro de 2021, submeteu esta Tese à banca examinadora para obtenção do tı́tulo de Doutor em Agronomia (Produção Vegetal). ”Eis que estou à porta e bato. Se alguém ouvir a minha voz, e abrir a porta, entrarei em sua casa, e com ele cearei, e ele comigo.” Apocalipse 3:20 ”A verdadeira ciência descobre Deus esperando atrás de cada porta.” Papa Pio XII ”Fizeste-nos, Senhor, para ti, e o nosso coração anda inquieto enquanto não descansar em ti... Santo Agostinho Que alegria ter buscado a ciência em Jaboticabal e encontrado Deus esperando “atrás da porta”. Aos meus Pais, meus Avós e meus Irmãos. Dedico! AGRADECIMENTOS A Deus, pelo incomparável amor com que guiou cada um dos meus passos nesse caminho singular do aperfeiçoamento acadêmico e humano. A Jesus, pela amizade fiel de todos os dias. Ao Espı́rito Santo pelos dons derramados. À Santı́ssima Virgem Maria, minha mãe, pela fortaleza e paciência que me ensinou para vivência desses anos do doutorado. Ao meu anjo da guarda, por toda proteção. Aos meus Pais Lourival Bruno de Oliveira e Roseli Martins Tedesco de Oliveira. Aos meus Avós João Tedesco e Isabel Martins Tedesco. Aos meus Irmãos Luana Tedesco de Oliveira e Vinı́cius Martins Tedesco. Aos Pe. Paulo Ricardo, Pe. Egg Cabral, Pe. Ermı́nio Ignácio, Pe. Leonardo Wagner e ao Dr. Italo Marsili, pelas orientações e ensinamentos. Ao meu orientador Dr. Rouverson Pereira da Silva pela orientação e tempo dedicado na orientação e elaboração desta tese. Aos professores Dr. Gilson Luiz Volpato e Dr. Abmael da Silva Cardoso. Aos integrantes do Laboratório de Máquinas e Mecanização Agrı́cola (LAMMA). Aos professores e funcionários do Departamento de Engenharia e Ciências Matemáticas. À Universidade Estadual Paulista, Campus de Jaboticabal, em especial ao Programa de Pós-Graduação em Agronomia (Produção Vegetal). O presente trabalho foi realizado com apoio da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nı́vel Superior - Brasil (CAPES) - Código de Financiamento 001. A todos que que estiveram presentes nesta inesquecı́vel fase de minha vida, compartilhando todos os momentos, bons ou ruins, mas que foram essenciais para minha formação acadêmica e pessoal. A vocês, meu muito obrigado. NÃO ESQUEÇAM DAS CULTURAS SUBTERRÂNEAS: INTRODUZINDO A BATATA-DOCE NO CONTEXTO DA AGRICULTURA DIGITAL RESUMO – Produzir alimentos de qualidade para atender a demanda global, em meio às incertezas climáticas com práticas de manejo sustentáveis é um dos maiores de- safios das próximas décadas. Se realmente queremos atender a essa demanda, as ferramentas digitais são a chave para tornar a produção de alimentos mais segura. No entanto, os esforços para desenvolvimento dessas ferramentas estão totalmente focados para as culturas de maior interesse comercial, deixando de lado as de menor interesse, como as culturas subterrâneas. Grande parte das culturas subterrâneas são cultivadas por pequenos produtores rurais. Eles não possuem recursos ou con- hecimento necessários para desenvolver ou adaptar essas ferramentas para suas necessidades. Devido a importância do seu valor nutricional na alimentação diária, nesta tese mostramos que não podemos esquecer das culturas subterrâneas. Para contribuir com a solução desse problema, nós desenvolvemos métodos para avaliar o padrão de crescimento, produção e qualidade da batata-doce. Mostramos que dados de clima e de satélites podem ser usados para detectar mudanças em estágios de crescimento e predizer caracterı́sticas da cultura. Nosso trabalho introduz a cultura da batata-doce no contexto atual da agricultura conectada. Palavras-chave: agricultura de precisão, agricultura inteligente, colheita inteligente, Ipomoea batatas, predição de produtividade, sensoriamento remoto iii DON’T FORGET THE BELOW-GROUND CROPS: INTRODUCING SWEET POTATOES INTO THE CONCEPT OF DIGITAL AGRICULTURE ABSTRACT – To produce quality food to meet global demand amidst climate uncertainty with sustainable management practices is one of the major challenges of the coming decades. If we truly want to meet this demand, digital tools are the key to making food production safer. However, efforts to develop such tools are entirely focused on the crops of greatest commercial interest, while leaving aside crops of minor interest, such as below-ground crops. Most below-ground crops are grown by smallholder’s farmers. These farmers do usually do not have the necessary resources or knowledge to develop or adapt these tools to their needs. Due to the importance of these crops’ nutritional value in day-to-day diets, in this dissertation we show that we cannot forget below-ground crops. To contribute to the solution of this problem, we developed methods to assess the pattern of growth, yield, and quality of sweet potatoes. We show that weather and satel- lite data can be used to detect some changes in growth stages and predict crop traits. Our efforts introduce the sweet potato crop in the current context of e-farming agriculture. Keywords: precision agriculture, smart farming, smart harvesting, yield prediction, remote sensing, Ipomoea batatas v CHAPTER 1 – General considerations 1.1 Introduction Digital technologies are transforming the way society, farmers, and decision- makers look at the agricultural sector and food production. Increasingly accessible climate data and satellite images have enabled the creation of tools to assess the characteristics of the development of many crops. Large-scale crop assessment ensures food security for many families because it makes it possible to determine the impacts of field interventions and direct efforts to inspect and solve problems on-site. Such a comprehensive approach makes production more sustainable and boosts productivity gains. Scientists and companies are focusing on the development of digital tools for the assessment of major crops such as cotton, soybeans, corn, and sugarcane. While this development is promising and the benefits are immeasurable, they forget about minor crops such as fruits, legumes, and vegetables, which are often grown by smallholders farmers. Traditionally, smallholders farmers contribute a significant amount of food to supply the city and regional economy. However, they do not have sufficient resources or training to adapt the use of digital tools to their realities. Moreover, to develop such tools, it is necessary to know how to program, working using databases, and with complex statistical analysis. The challenge for developing these tools is doubled when the crop grown has the development of its raw material of main economic interest undergrounds, such as roots, rhizomes, and tubers. Therefore, when developing digital tools, we cannot forget about the below-ground crops. Sweet potato is an example of such a crop, because its roots grow below ground. Its management, therefore, requires farmers or decision-makers to look closely at the characteristics that determine its productive performance. But to look closely at these characteristics requires intensive fieldwork, due to the need to dig up the soil to visualize the production pattern of the roots. Such practice, increases production costs and does not allow for a detailed understanding of the spatio-temporal dynamics of root development. Against this background, we believe, therefore, that establishing potential relationships between vegetation growth characteristics (above ground) from remotely sensed and weather data with the pattern of root production (below ground) would allow site-specific management strategies to be set. Thus, we propose the elaboration of this dissertation. Our objective is to generate knowledge to assist smallholders farmers and decision-makers in the assessment of sweet potato development characteristics during the crop cycle. Such an approach will allow the introduction of this crop in the current context of e-farming agriculture. 1 87 4.7 Concluding remarks and outlooks Our study clearly demonstrates the possibility of advantageously integrating high-resolution remote sensing and multi-output machine learning into an immersive single framework to accurately predict for the yield of sweet potato by the market class of its tuberous roots upon imagery data on full-scale fields. Straightforward preliminary evidence exists for the exceptional ability of both random forest and k-nearest neighbors to learn from the on-field reflectance at GNDVI and SAVI then output multiple numeric values to the independent variable, without any bias or computational unfeasibility. Our insights are timely and absolutely will open up the horizons for more precisely harvesting high-quality material to fulfill the rigors of commercialization and industrialization. Also, they will do support selecting healthily seedlings to vegetative propagation into new fields in croplands, where heterogeneity makes it difficult for planning and leveling up cost-effectiveness. Thereby, the grower who wishes to use our approach can expect, for the ideal scenario, suitable on-field management to produce sweet potato with more profitability and societal and environmental responsibility. These are key-aspects to food safety, especially in regions where this starch-rich crop structures up the basis of scoping agriculture and human nutrition. Finally, our approach will assist with scaling up this rural food towards an essentially provocative yet emerging transformative agriculture for its supply chain. Future directions are basically to (i) predict daily tuberization for progressively harvesting; and (ii) test if it could be possible for an integrative UAV-SAR imaging system to improve acquiring data with higher spatial-temporal resolution and without any damaging factor. 88 4.8 References ABBAS, F.; AFZAAL, H.; FAROOQUE, A. A.; TANG, S. Crop Yield Prediction through Proximal Sensing and Machine Learning Algorithms. Agronomy, MDPI AG, v. 10, n. 7, p. 1046, jul. 2020. Disponı́vel em: 〈https://doi.org/10.3390/agronomy10071046〉. ALAM, M. K. A comprehensive review of sweet potato (Ipomoea batatas [L.] Lam): Revisiting the associated health benefits. 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