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Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO
AGRONOMIA (CIÊNCIAS DO SOLO) (31002013002P7)
Educação Presencial
Mapeamento Digital de Atributos do Solo em Áreas Remotas sob Floresta Amazônica: Um Estudo de Caso na Formação Solimões
ANA CAROLINA DE SOUZA FERREIRA
TESE
28/02/2022

Atualmente a procura do mapeamento digital de solos (MDS) tem crescido consideravelmente nos estudos ambientais. Diante dessas demandas e a falta de informações sobre os solos em escala adequada, é mais que necessário o desenvolvimento de pesquisas, técnicas e métodos que permitam auxiliar no estudo de solos e seus atributos. Este estudo foi divido em dois capítulos, a saber: O primeiro capítulo teve como objetivo avaliar a aplicação de modelos de aprendizagem de máquina (ML) na predição de estoque de carbono do solo a 30cm e 100cm de profundidade e no segundo capítulo na predição da composição granulométrica do solo em superfície e subsuperfície. Os objetivos específicos foram; Comparar duas formas de distribuição de dataset; área de referência (RA) e área total (TA), avaliar duas categorias de seleção de covariável: "método wrapper" e "seleção prévia de covariável" como etapa de pré-processamento, antes da calibração do ML e avaliar o desempenho de três algoritmos de ML: árvore de regressão (RT), floresta aleatória (RF) e máquina de vetores de suporte (SVM) na modelagem dos atributos do solo. O local do estudo foi dividido em três blocos, denominados blocos Urucu, Araracanga e Juruá. O conjunto de dados consistiu em 120 observações de estoque de carbono e 151 observações de composição granulométrica combinadas com 21 covariáveis (20 covariáveis de relevo e 1 índice derivado da banda P) que foram abordadas nos dois datasets diferentes: (RA) e (TA). A similaridade entre a RA e a paisagem dos blocos foi avaliada por meio do índice geral de Gower e a estatística descritiva das covariáveis. Os resultados mostraram que o uso da seleção de covariáveis anteriores, combinada com o uso de um conjunto de dados do RA, permitiram desenvolver modelos mais precisos para prever na maior parte dos atributos estudados. De acordo com o índice geral de Gower, a RA possui alta similaridade com os blocos Urucu, Araracanga e Juruá. Entretanto, as estatísticas mostraram que aumentando a distância do RA, algumas covariáveis de relevo são mais diferentes. No primeiro capítulo os modelos de previsão desenvolvidos para prever o SOCS100 apresentaram maior precisão e transferibilidade do que aqueles desenvolvidos para prever o SOCS30. O algoritmo RF gerou os mapas mais precisos de SOCS100 para os Blocos de Urucu e Juruá (R² = 0,70 e 0,51, respectivamente). Os valores de SOCS100 dos mapas gerados para a região do Bloco de Urucu variaram de 3,89 kg C. m-² a 10,64 kg C .m-², enquanto para o bloco Juruá variram de 4,97 kg C. m-² a 10,07 kg C. m-². No capítulo 2 o melhor desempenho também foi obtido com o algoritmo RF na predição de silte em superfície e subsuperfície para os Blocos Urucu e Juruá (R² = 0,58 e 0,52, 0,51 e 0,56 respectivamente). Os valores de silte superficial e subsuperficial dos mapas gerados para a região do Bloco Urucu variaram de 195,7 g kg-1 a 582,1 g kg-1 e 206,8 g kg-1 a 517,8 g kg-1, enquanto para o bloco Juruá variaram de 226,1g kg-1 a 560,2 g kg-1 e 222,5 g kg-1 a 462,0 g kg-1, respectivamente. Apesar da baixa densidade de observação do conjunto de dados disponível, os resultados mostram não só a importância dos algoritmos de ML para mapear os atributos do solo, mas também do uso de conhecimento pedológico especializado gerado em uma RA para apoiar uma seleção de covariáveis antes de calibrar os algoritmos de ML.

Aprendizado de máquina;Mapeamento digital de solo;Área de referência
Currently, the demand for digital soil mapping (DSM) has grown considerably in environmental studies. Faced with these demands and the lack of information on soils on an adequate scale, it is more than necessary to develop research, techniques and methods that help in the study of soils and their attributes. This study was divided into two chapters: The first chapter aimed to evaluate the application of machine learning models (ML) in the prediction of soil carbon stock at 30cm (SOCS30) and 100cm (SOCS100) depth and in the second chapter in the prediction in surface and subsurface the soil texture composition. The specific objectives were; Compare two forms of dataset distribution; reference area (RA) and total area (TA), to evaluate two categories of covariate selection: "wrapper method" and "pre-selection of covariate" as a pre-processing step, before ML calibration, and to evaluate the performance of three ML algorithms: regression tree (RT), random forest (RF) and support vector machine (SVM) in the modeling of soil attributes. The study site was divided into three blocks, called Urucu, Araracanga and Juruá blocks. The dataset consisted of 120 carbon stock observations and 151 particle size composition observations combined with 21 covariates (20 relief covariates and 1 P-band-derived index from radar) that were addressed in the two different datasets: (RA) and (TA). The similarity between the RA and the landscape of the blocks was evaluated using the Gower general index and the descriptive statistics of the covariates. The results showed that the use of the previous covariates selection, combined with the use of an RA dataset, allowed the development of more accurate models to predict most of the attributes studied. According to Gower's general index, the RA has high similarity with the Urucu, Araracanga and Juruá blocks. However, statistics showed that increasing the distance from the RA, some relief covariates are more different. In the first chapter, the prediction models developed to predict SOCS100 showed greater accuracy and transferability than those developed to predict SOCS30. The RF algorithm generated the most accurate SOCS100 maps for the Urucu and Juruá Blocks (R² = 0.70 and 0.51, respectively). The SOCS100 values of the maps generated for the Urucu Block region ranged from 3.89 kg C. m-² to 10.64 kg C. m-², while for the Juruá block they ranged from 5.03 kg C. m -² to 10.42 kg C. m-². In chapter 2, the best performance was also obtained with the RF algorithm in the prediction of surface and subsurface silt for the Urucu and Juruá Blocks (R² = 0.58 and 0.52, 0.51 and 0.56 respectively). The surface and subsurface silt values of the maps generated for the Urucu Block region ranged from 208.97 g kg-1 to 576.68 g kg-1 and 215.32 g kg-1 to 517.06 g kg-1, while for the Juruá block they ranged from 236.10g kg-1 to 555.70 g kg-1 and 229.83 g kg-1 to 460.56 g kg-1, respectively. Despite the low observation density of the available dataset, the results show not only the importance of ML algorithms to map soil attributes, but also the use of specialized pedological knowledge generated in an RA to support a selection of covariates before calibrate the ML algorithms.
Machine learning;Digital soil mapping;Reference area
1
99
PORTUGUES
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO
O trabalho possui divulgação autorizada
(Doutorado-2022) Ana Carolina de Souza Ferreira.pdf

Contexto

PEDOLOGIA E FÍSICA DO SOLO
MORFOLOGIA, GÊNESE E CLASSIFICAÇÃO DE SOLOS
TÉCNICAS DE MAPEAMENTO DIGITAL APLICADAS À PEDOLOGIA E AO LEVANTAMENTO DE SOLOS

Banca Examinadora

MARCOS BACIS CEDDIA
DOCENTE - PERMANENTE
Sim
Nome Categoria
WALDIR DE CARVALHO JUNIOR Participante Externo
MARCOS BACIS CEDDIA Docente - PERMANENTE
DIEGO NUNES BRANDAO Participante Externo
ELIAS MENDES COSTA Egresso - Doutorado
HELENA SARAIVA KOENOW PINHEIRO Docente - PERMANENTE

Financiadores

Financiador - Programa Fomento Número de Meses
CONS NAC DE DESENVOLVIMENTO CIENTIFICO E TECNOLOGICO - Auxílio à Pesquisa 48
UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIRO - Infraestrutura 48

Vínculo

Bolsa de Fixação
Instituição de Ensino e Pesquisa
Pesquisa
Sim
Capes
  • Compatibilidade
  • . . .
  • Versão do sistema: 3.88.7
  • Copyright 2022 Capes. Todos os direitos reservados.

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