Multimodal spectroscopic analysis for erosion assessment in agricultural soils

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dc.contributor.advisorAndrello, Avacir Casanova
dc.contributor.authorLopes, João Marcos Fávaro
dc.contributor.bancaJussiani, Eduardo Inocente
dc.contributor.bancaParreira, Paulo Sérgio
dc.contributor.bancaSantos, Felipe Rodrigues dos
dc.contributor.bancaDu, Lina
dc.contributor.coadvisorMelquiades, Fábio Luiz
dc.coverage.extent146 p.
dc.coverage.spatialLondrina
dc.date.accessioned2026-08-26T20:36:22Z
dc.date.available2026-08-26T20:36:22Z
dc.date.issued2026-06-25
dc.description.abstractResumo: A erosão do solo em áreas agrícolas é um fenômeno natural caracterizado pela perda da camada fértil, podendo ser agravada por atividades humanas e resultando em impactos sociais e econômicos significativos. Dada a importância da conservação do solo, a adoção de práticas de manejo sustentável e o desenvolvimento de metodologias capazes de avaliar tais práticas de maneira rápida e precisa são essenciais. Nos últimos anos, técnicas de análise espectral têm se consolidado como ferramentas capazes de fornecer informações relevantes sobre a saúde e o manejo do solo, exigindo preparação mínima de amostras e sem a geração de poluentes. Nesse contexto, este trabalho apresenta dois objetivos principais: (i) desenvolver metodologias baseadas em Espectrometria de Raios Gama (GRS) que permitam o uso de detectores de baixa resolução na avaliação da redistribuição do solo; e (ii) empregar GRS, Fluorescência de Raios X por Dispersão de Energia (EDXRF) e Espectroscopia de Infravermelho Médio (MIRS) para avaliar a composição nuclear, elementar e molecular de solos e, por meio de fusão de dados e técnicas de aprendizado de máquina, aprimorar a compreensão dos processos erosivos e sua relação com a composição do solo. Para o primeiro objetivo, foram desenvolvidas duas metodologias: uma baseada na desconvolução espectral de medidas realizadas com detectores de NaI(Tl) para a quantificação de 7Be; e outra baseada na transferência de calibração entre detectores de HPGe e NaI(Tl) via Target Transformation Factor Analysis (TTFA), visando aumentar a acurácia das análises conduzidas com detectores de baixa resolução. Para o segundo objetivo, quatro abordagens foram aplicadas: (i) análise de componentes principais (PCA) para avaliar correlações entre os resultados quantitativos de GRS e EDXRF, indicando comportamento semelhante entre a redistribuição do solo e a concentração de elementos oriundos de fertilizantes; (ii) fusão de dados espectrais de GRS e EDXRF utilizando Análise de Dimensões Comuns (ComDim), demonstrando potencial para a determinação da proveniência do solo; (iii) fusão de dados quantitativos de GRS, EDXRF e química analítica via PCA multibloco, revelando correlações entre marcadores de redistribuição, composição elementar e parâmetros de fertilidade; e (iv) fusão de dados MIRS e EDXRF para a construção de modelos preditivos de parâmetros de fertilidade, oferecendo uma alternativa rápida aos métodos convencionais de química analítica. Esta abordagem integrada demonstra que a sinergia entre diferentes técnicas espectrométricas e análise multivariada amplia significativamente a capacidade de avaliação da dinâmica do solo e da produtividade agrícola
dc.description.abstractother1Abstract: Soil erosion in agricultural areas is a natural phenomenon characterized by the loss of fer tile soil, which can be exacerbated by human activities and result in significant social and economic impacts. Given the importance of soil conservation, the adoption of sustainable management practices and the development of methodologies capable of evaluating such practices in a rapid and accurate manner are essential. In recent years, spectral analysis techniques have become established as tools capable of providing relevant information on soil health and management, requiring minimal sample preparation and generating no pollutants. In this context, this work presents two main objectives: (i) to develop methodologies based on Gamma-Ray Spectrometry (GRS) that enable the use of low-resolution detectors for the assessment of soil redistribution; and (ii) to employ GRS, Energy-Dispersive X-Ray Fluorescence (EDXRF), and Mid-Infrared Spectroscopy (MIRS) to evaluate the nuclear, elemental, and molecular composition of soils and, through data fusion and machine learn ing techniques, to improve the understanding of erosive processes and their relationship with soil composition. For the first objective, two methodologies were developed: one based on the spectral deconvolution of measurements performed with NaI(Tl) detectors for the quantification of 7Be; and another based on calibration transfer between HPGe and NaI(Tl) detectors using Target Transformation Factor Analysis (TTFA), aiming to increase the accuracy of analyses conducted with low-resolution detectors. For the second objective, four distinct approaches were applied: (i) principal component analysis (PCA) to evaluate correlations between quantitative GRS and EDXRF results, which indicated similar behavior between soil redistribution and the concentration of elements originating from fertilizers; (ii) fusion of GRS and EDXRF spectral data using Common Dimensions Analysis (ComDim) for soil provenance determination; (iii) fusion of quantitative GRS, EDXRF, and wet chemistry data via multiblock PCA to identify correlations among erosion markers and fertility parameters; and (iv) the fusion of MIRS and EDXRF data to build predictive models for soil fertility parameters, providing a faster alternative to traditional wet chemistry methods. This integrated approach demonstrates that the synergy between different spectrometric techniques and multivariate analysis significantly enhances the assessment of soil dynamics and agricultural productivity
dc.identifier.urihttps://repositorio.uel.br/handle/123456789/19637
dc.language.isoeng
dc.relation.departamentCCE - Departamento de Física
dc.relation.institutionnameUniversidade Estadual de Londrina - UEL
dc.relation.ppgnamePrograma de Pós-Graduação em Física
dc.subjectRedistribuição de Solo
dc.subjectFusão de Dados
dc.subjectEspectrometria de Raios Gama
dc.subjectFluorescência de Raios X
dc.subjectEspectroscopia do Infravermelho Médio
dc.subject.capesCiências Exatas e da Terra - Física
dc.subject.cnpqCiências Exatas e da Terra - Física
dc.subject.keywordsSoil Redistribution
dc.subject.keywordsData Fusion
dc.subject.keywordsGamma-ray Spectrometry
dc.subject.keywordsX-Ray Fluorescence
dc.subject.keywordsMid-Infrared Spectroscopy
dc.subject.keywordsMultisensor Integration
dc.titleMultimodal spectroscopic analysis for erosion assessment in agricultural soils
dc.title.alternativeAnálise espectroscópica multimodal aplicada à avaliação da erosão em solos agrícolas
dc.typeTese
dcterms.educationLevelDoutorado
dcterms.provenanceCentro de Ciências Exatas

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