Córdoba, Mariano - Marzo 2014

201 Pages·2014·3.06 MB·Spanish

Universidad Nacional de Córdoba
Facultad de Ciencias Agropecuarias
Escuela para Graduados

HERRAMIENTAS ESTADÍSTICAS PARA EL
MONITOREO Y USO DE LA VARIABILIDAD
ESPACIAL DEL RENDIMIENTO Y PROPIEDADES
DE SUELO INTRALOTE

Ing. Agr. Mariano Augusto Córdoba

Tesis
Para optar al Grado Académico de
Doctor en Ciencias Agropecuarias

Febrero, 2014

i
HERRAMIENTAS ESTADÍSTICAS PARA EL
MONITOREO Y USO DE LA VARIABILIDAD
ESPACIAL DEL RENDIMIENTO Y PROPIEDADES
DE SUELO INTRALOTE

Mariano Augusto Córdoba

Comisión Asesora de Tesis
Director: Ing. Agr. (PhD) Mónica Balzarini
Asesores: Ing. Agr. (PhD) José L. Costa
I n g. Agr. (Dr) Edgar A. Rampoldi

Tribunal Examinador de Tesis
Ing. Agr. (Dr) Cecilia Bruno
Ing. Agr. (Dr) Gabriel Espósito
Ing. Agr. (Dr) Edgar A. Rampoldi

Presentación formal académica
Marzo 2014
Facultad de Ciencias Agropecuarias
Universidad Nacional de Córdoba
II
AGRADECIMIENTOS
Esta tesis ha sido posible gracias a numerosas personas e instituciones que me han
brindado su apoyo a lo largo de los últimos cinco años.
En primer lugar quisiera agradecr a mi directora de tesis, Dra. Monica Balzarini
por su constante y paciente seguimiento y asistencia compartiendo su tiempo de manera
generosa durante el desarrollo del presente trabajo, por su generosidad al brindarme la
oportunidad de recurrir a su capacidad y experiencia científica permitiéndome crecer
tanto profesional como personalmente.
A la Dra. Cecilia Bruno, por guiarme constantemente, por su ayuda desinteresada,
sus consejos, paciencia y motivación.
A los Profesores Julio Di Rienzo, Laura González y Margot Tablada de la Cátedra
de Estadística y Biometría por estar siempre a disposición para atender mis consultas. A
mi compañeros y amigos becarios por su ánimo y compañía.
A los investigadores que facilitaron sus datos para ser utilizados en esta
ilustración; al Dr. José Luis Costa y Dr. Nahuel Peralta del INTA Balcarce.
A la Facultad de Ciencias Agropecuarias de la Universidad Nacional de Córdoba
por brindar un espacio de trabajo.
Al Consejo de Investigación Científica y Tecnológica por permitir llevar a cabo
este trabajo de investigación a través del otorgamiento de la beca.
Agradezco a los Miembros del Comité Evaluador por aceptar gentilmente formar
parte del tribunal examinador y por dedicar su valioso tiempo a la revisión de este
trabajo.
A mi familia por permitirme recorrer este camino libremente acompañando mis
logros
A mis amigos, incondicionales por su aliento y por que siempre están.

A todos MUCHAS GRACIAS.

III
A Maria Marta, mi hijo Octavio
y mis padres

IV
RESUMEN
La agricultura de precisión (AP) debe ser comprendida como un concepto moderno
de gestión agrícola basado en el uso de variables georreferenciadas tanto de características
de suelo y topografia como de rendimientos. El óptimo uso del gran volumen de datos
derivado de maquinarias pecisas depende fuertemente de las capacidades para explorar y
analizar datos de complejas interacciones que subyacen los resultados productivos en cada
sitio. En esta tesis se propone un protocolo integrado para procesar datos espaciales de sitio
en AP. El análisis de la estructura espacial de variables de suelo y endimiento es
investigado desde un enfoque interdisciplinario, que incluye perspectivas agronómicas y
estadística-computacionales. Mediante la revisión y comparación del desempeño de
métodos estadísticos usados para detectar y caracterizar variabilidad espacial se
recomiendan y proponen estrategias de análisis para comprender y manejar mejor la
variabilidad espacial del rendimiento. Se desarrolló un método para delimitar clases de
sitios intralote, denominado KM-sPC, basado en análisis multivariado restringido
espacialmente. El nuevo método es potente para detectar estructuración espacial,
mejorando la delimitación de zonas de manejo (ZM). Los conglomerados de sitio
formados dentre de cada lote tuvieron mayores diferencias de rendimiento que los
obtenidos sin la restricción espacial. Se propusieron también herramientas, basadas en
Modelos Lineales Mixtos (MLM), para analizar la estabilidad temporal de la variación
espacial. Los resultados mostraron que la variación espacial de carcateristicas de suelo no
es permanente. Finalmente, se propuso una estrategia de análisis de ensayos de
fertilización sitio-específica utilizando MLM de clasificación. El procedimiento basado en
la delimitación de ZM y luego el ajuste de un MLM con efectos fijos de tratamiento, zona,
interacción tratamiento-zona y efecto aleatorio de bloque dentro de cada zona, mas
correlación espacial entre parcelas resultó el mas recomendable para comparar efectos de
tratamientos condicionados a las zonas delimitadas.
Palabras clave: agricultura de precisión, modelos mixtos, análisis multivariado espacial,
análisis espacio-temporal.
V
ABSTRACT
Precision agriculture (PA) must be understood as a modern agriculture management
concept based on the use of georeferenced variables both topography and soil
characteristics and yields. Optimal use of the large volume of data derived from machinery
of PA depends heavily on capabilities to explore and to analyze information on complex
interactions underlying yields at each field site. The aim of this work was to develop an
integrated methodology to process spatial data on yield, soil, and terrain, in the PA context.
The analysis of spatial structure of yield and soil variables is investigated with an
interdisciplinary approach, including both the methodological and agronomical
perspectives. Through performance comparison of several statistical methods used to
characterize spatial structure and its temporal stability, we propose analytic strategies to
spatially analyze data variability. We propose and evaluate a method (KM-sPC) based on
spatially constrained multivariate analysis to management zone (MZ) delineation. Using
KM-sPC the degree of spatial structure detected is increased, improving the management
zone delineation. The method delineated management classes with the largest differences
in yield. The proposed algorithm was integrated into an automated protocol for
management zone delineation. A tool set based on Mixed Linear Models (MLM) is
proposed to analyze temporal stability of spatial variation in soil properties. The results
showed that variation of soil variables were not permanent, producing significant changes
to MZ delineation through years. Finally, we propose a statistical strategy for analyzing
site-specific fertilization trials using a classification MLM. The procedure first involves the
MZ delineation, and then the fitting of a MLM with fixed effects of treatment,
treatment*MZ interaction, and random effect of block within each zone. The procedure
was effective to compare treatment effects conditional on MZ in the context of spatial
correlation between plots.
Key words: precision agriculture, mixed models, spatial multivariate analysis, spatio-
temporal analysis.
.
VI
TABLA DE CONTENIDOS
INTRODUCCIÓN GENERAL ............................................................................................... 1
OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................... 8
OBJETIVOS ESPECÍFICOS .................................................................................................. 8
CAPÍTULO I. HERRAMIENTAS ESTADÍSTICAS PARA EL ANÁLISIS DE DATOS
ESPACIALES: APROXIMACIÓN UNIVARIADA .............................................................. 9
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................... 9
MATERIALES Y MÉTODOS .............................................................................................. 11
Datos ...................................................................................................................................... 11
Procedimientos estadísticos para el análisis de variabilidad espacial .................................... 13
Índices de autocorrelación espacial ....................................................................................... 13
Geoestadística ........................................................................................................................ 16
Modelos lineales mixtos ........................................................................................................ 21
Predicción y construcción de mapas ...................................................................................... 26
RESULTADOS ..................................................................................................................... 27
Cálculo del índice de Moran y de Geary ............................................................................... 27
Implementación del análisis basado en semivariograma ....................................................... 29
Ajuste de un MLM a datos espaciales ................................................................................... 33
Mapeo de variabilidad espacial de variables de suelo y rendimiento .................................... 36
DISCUSIÓN .......................................................................................................................... 37
CONCLUSIÓN ...................................................................................................................... 39
CAPÍTULO II. APROXIMACIÓN MULTIVARIADA EN EL ANÁLISIS DE DATOS
ESPACIALES ........................................................................................................................ 40
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 40
MATERIALES Y MÉTODOS .............................................................................................. 43
Procedimientos de análisis multivariado ............................................................................... 43
Análisis de cluster fuzzy k-means .......................................................................................... 43
Análisis de Componentes Principales sin y con restricción espacial ..................................... 48
Implementación de algoritmos multivariados ........................................................................ 50
VII
Criterios de comparación ....................................................................................................... 51
RESULTADOS ..................................................................................................................... 52
Clasificación de sitios intralote vía cluster fuzzy k-means ..................................................... 52
Clasificación de sitios intralote vía PCA y MULTISPATI-PCA .......................................... 53
DISCUSIÓN .......................................................................................................................... 59
CONCLUSIÓN ...................................................................................................................... 61
CAPÍTULO III. PROPUESTA PARA LA CLASIFICACIÓN DE SITIOS INTRALOTE . 62
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 62
MATERIALES Y MÉTODOS .............................................................................................. 65
Datos ...................................................................................................................................... 65
Propuesta algorítmica para la clasificación de sitios intralote ............................................... 67
Evaluación del algoritmo KM-sPC ........................................................................................ 68
Procedimientos comparados con datos experimentales ......................................................... 68
Evaluación mediante simulación ........................................................................................... 68
RESULTADOS ..................................................................................................................... 70
DISCUSIÓN .......................................................................................................................... 81
CONCLUSIÓN ...................................................................................................................... 84
CAPÍTULO IV. PROTOCOLO DE ANÁLISIS PARA LA DELIMITACIÓN DE ZONAS
DE MANEJO INTRALOTE ................................................................................................. 85
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 85
MATERIALES Y MÉTODOS .............................................................................................. 85
Datos ...................................................................................................................................... 85
Protocolo ................................................................................................................................ 86
Conversión de coordenadas espaciales .................................................................................. 86
Eliminación de outliers .......................................................................................................... 87
Eliminación de inliers ............................................................................................................ 88
Interpolación espacial ............................................................................................................ 90
Clasificación de sitios ............................................................................................................ 92
Delimitación de zonas de manejo .......................................................................................... 93
Validación de las zonas de manejo ........................................................................................ 95
RESULTADOS ..................................................................................................................... 96
VIII
Ilustración de la aplicación del protocolo .............................................................................. 96
Paso 1-Conversión de coordenadas espaciales ...................................................................... 96
Paso 2-Eliminación de outliers .............................................................................................. 97
Paso 3-Eliminación de inliers ................................................................................................ 99
Paso 4-Interpolación espacial de los datos .......................................................................... 102
Paso 5-Delimitación de clases de sitios ............................................................................... 106
Paso 7-Delimitación de zonas de manejo ............................................................................ 108
Paso 8-Validación de zonas de manejo ................................................................................ 114
CAPÍTULO V. ANÁLISIS TEMPORAL DE LA VARIABILIDAD ESPACIAL DE
PROPIEDADES DE SUELOS INTRALOTE .................................................................... 119
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 119
MATERIALES Y MÉTODOS ............................................................................................ 122
Datos .................................................................................................................................... 122
Estrategia de análisis ............................................................................................................ 122
Resumen de los pasos para implementar el algoritmo propuesto ........................................ 125
RESULTADOS ................................................................................................................... 126
CONCLUSIÓN .................................................................................................................... 131
CAPÍTULO VI. MODELOS MIXTOS PARA EL ANÁLISIS DE ENSAYOS DE
FERTILIZACIÓN SITIO-ESPECÍFICA ............................................................................ 133
INTRODUCCIÓN ............................................................................................................... 133
MATERIALES Y MÉTODOS ............................................................................................ 138
Datos .................................................................................................................................... 138
Análisis de ensayo bajo un modelo de clasificación ............................................................ 139
RESULTADOS ................................................................................................................... 140
CONCLUSIÓN .................................................................................................................... 148
CONCLUSIONES ............................................................................................................... 150
BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 155
ANEXO 1 ............................................................................................................................ 169
ANEXO 2 ............................................................................................................................ 171
IX
ANEXO 3 ............................................................................................................................ 175
ANEXO 4 ............................................................................................................................ 179

X