Monitoramento da maturação do café usando imagens aéreas multiespectrais

Abstract

A preocupação dos produtores de café na atualidade não se limita apenas a produtividade das lavouras, pois fatores que visam agregar valor ao produto final também estão sendo levados em consideração dentro do sistema de produção da cultura. O café é um dos poucos produtos agrícolas que tem seu valor acrescido significativamente com a melhoria da qualidade dos frutos. Dentre os diversos fatores que afetam a qualidade do café o estágio de maturação dos frutos tem sido o mais importante, dessa forma, a colheita dos frutos completamente maduros é essencial para se obter cafés com qualidade superior. Por tanto, em sistemas em que se visa a produção de cafés especiais, monitorar a maturação dos frutos de café nas plantas se torna indispensável. Atualmente, metodologias para o monitoramento da maturação dos frutos de café no campo ainda são escassas. O monitoramento da maturação é feito de forma destrutiva com colheitas de algumas plantas no talhão, que, muitas vezes não é representativo. Uma alternativa seria o uso de sensores remotos a bordo de aeronaves remotamente pilotadas (ARPs). As ARPs têm ganhado destaque nos últimos anos, pois, permitem a aquisição de imagens com elevada resolução espacial e resolução temporal ajustável as necessidades do usuário. No entanto, para a aquisição de informações espectrais confiáveis, questões como a calibração radiométrica das imagens devem ser tratadas com muita atenção. O método de calibração mais usado para imagens obtidas por ARPs é o método da linha empírica, este método usa alvos de reflectância conhecidas para ajustar modelos de calibração e assim transformar o número digital da imagem em reflectância. Contudo, um dos empasses para este método é o elevado custo dos alvos de reflectância comerciais. Neste caso, a alternativa seria a construção de alvos a partir de materiais alternativos. Dessa forma, esse trabalho teve como objetivos: (1) avaliar o uso de materiais de baixo custo e de fácil acesso para calibração de imagens multiespectrais obtidas por sensores acoplados a ARPs visando monitorar pequenas lavouras de café na região da Zona da Mata Mineira; (2) avaliar o potencial de um sensor multiespectral de baixo custo, montado em uma ARP, para monitorar o processo de maturação dos frutos de cafeeiro, em lavouras cultivadas na região montanhosa da Zona da Mata Mineira. Para atender o primeiro objetivo foram testados quatro diferentes materiais alternativos para a confecção dos alvos: madeira compensada pintados com tinta fosca; napa sintética cujo material base de construção é Polyvinyl chloride (PVC); Ethylene Vinyl Acetate (EVA) e painéis de lona de PVC. Foi determinada a vida útil de cada um dos materiais, assim como, o erro associado à calibração radiométrica. Em seguida, mapas de índices de vegetação de um talhão cultivado com café foram gerados com a finalidade de avaliar a diferença gerada pelo uso dos quatro materiais na confecção dos painéis de calibração. Os painéis feitos de madeira pintados com tinta fosca e os de madeira revestidos com napa, foram os que apresentaram menores erros no processo de calibração radiométrica, já os painéis de madeira revestido com lona de PVC foram os que resultaram em erros mais elevados de calibração. Os painéis construídos com EVA apresentaram baixa resistência ao uso, visto que sua vida útil foi inferior aos demais, já a madeira pintada foi o material mais resistente sendo assim o mais indicado para uso na calibração radiométrica de imagens multiespectrais. Já para atender o segundo objetivo, um experimento foi montado e cinco talhões distintos cultivados em café arábica foram avaliados. Durante o período de maturação do café quatro voos foram realizados para adquirir informações espectrais do dossel da cultura. Neste trabalho a câmera multiespectral Mapir Survey3W foi usada para adquirir imagens multiespectrais. Após a aquisição das imagens oito índices de vegetação foram calculados. A análise de componentes principais foi utilizada para inferir sobre a importância dos índices para monitorar a maturação do café. As imagens multiespectrais obtidas pelo sensor de baixo custo foram capazes de registrar as mudanças espectrais ocorridas nas plantas de café com o avanço da maturação na maioria dos talhões estudados, no entanto, observou-se que a produtividade e o volume de copa das plantas de café influenciaram no monitoramento da maturação do café. Palavras-chave: Sensoriamento remoto. Câmeras fotográficas. Cafeicultores.

The concern of coffee producers today is not just limited to the productivity of crops since factors that aim to add value to the final product are also being taken into account within the production system. Coffee is one of the few agricultural products that has its value-added significantly by improving the quality of the fruits. Among several factors that affect coffee quality, the stage of fruit maturation has been the most important. Therefore, the harvesting of fully ripe fruits is essential to obtaining superior quality coffee. Thus, in production systems where the production of specialty coffees is aimed, monitoring the maturation of coffee fruits is essential. Currently, methodologies for monitoring the maturation of coffee fruits in the field are still scarce. The monitoring of fruit maturation is done in a destructive way with harvests of some plants in the field, which is often not representative. An alternative would be the use of remote sensors coupled on remotely piloted aircraft (RPAs). RPAs have gained great prominence in recent years, as they allow the acquisition of images with high spatio-temporal resolution adjustable to the user's needs. However, for the acquisition of reliable spectral information, issues such as radiometric calibration of images must be dealt with care. The most used calibration method for images obtained by RPAs is the empirical line method. This method uses known reflectance panels to adjust calibration models and, thus transforming the digital number of the image into reflectance. However, one of the drawbacks of this method is the high cost of commercial reflectance targets. In this case, the alternative would be to build calibration panels from alternative materials. Thus, this work was aimed at: (1) evaluating the use of low- cost and easily accessible materials for calibrating multispectral images obtained by sensors coupled on RPAs to monitor small coffee crops in the Zona da Mata Mineira region; and (2) to evaluate the potential of a low-cost multispectral sensor, coupled on a RPA to monitor the maturation process of coffee fruits, in coffee crops grown in the mountainous region of Zona da Mata Mineira. To meet the first objective, four different alternative materials were tested for making the panels: plywood painted with matte paint; synthetic Nappa whose base construction material is Polyvinyl chloride (PVC); Ethylene Vinyl Acetate (EVA) and PVC canvas panels. The evaluation consisted of determining the useful life of each material, as well as, the error associated with the radiometric calibration. Then, maps of vegetation indices from a coffee crop field were generated to evaluate the difference generated by the use of the four materials used in the manufacture of the calibration panels. Panels made of wood painted with matte paint and those coated with Nappa showed the lowest errors in the radiometric calibrations, whereas those panels coated with PVC canvas resulted in the highest calibration errors. Panels made of EVA showed low resistance to use, since its useful life was shorter than the others, whereas the wood panel painted with matte paint was the most resistant, thus being the most suitable for using in the radiometric calibration of multispectral images. To meet the second objective, an experiment was set up and five different fields grown with arabica coffee were evaluated. During the coffee fruit maturation period, four flights were made to acquire spectral information from the crop canopy. In this study, the Mapir Survey3W multispectral camera was used to acquire the multispectral images. After the acquisition of the images, eight vegetation indexes (VI) were calculated. Then, a principal component analysis was used to infer the importance of the VI to monitor coffee fruit maturation. The multispectral images obtained by the low-cost sensor were able to register the spectral changes that occurred in the coffee plants with the advance of maturation in most of the studied fields. However, it was observed that the productivity and the canopy volume of the coffee plants influenced maturation monitoring. Keywords: Remote sensing. Photo cameras. Coffee producers.