Multiple linear regression and random forest to predict and map soil properties using data from portable X-ray fluorescence spectrometer (pXRF) / Regressão linear múltipla e random forest para predição e mapeamento de atributos do solo utilizando dados de espectrômetro portátil de fluorescência de raios-X (pXRF)

ABSTRACT Determination of soil properties ​​helps in the correct management of soil fertility. The portable X-ray fluorescence spectrometer (pXRF) has been recently adopted to determine total chemical element contents in soils, allowing soil property inferences. However, these studies are still scarce in Brazil and other countries. The objectives of this work were to predict soil properties using pXRF data, comparing stepwise multiple linear regression (SMLR) and random forest (RF) methods, as well as mapping and validating soil properties. 120 soil samples were collected at three depths and submitted to laboratory analyses. pXRF was used in the samples and total element contents were determined. From pXRF data, SMLR and RF were used to predict soil laboratory results, reflecting soil properties, and the models were validated. The best method was used to spatialize soil properties. Using SMLR, models had high values of R² (≥0.8), however the highest accuracy was obtained in RF modeling. Exchangeable Ca, Al, Mg, potential and effective cation exchange capacity, soil organic matter, pH, and base saturation had adequate adjustment and accurate predictions with RF. Eight out of the 10 soil properties predicted by RF using pXRF data had CaO as the most important variable helping predictions, followed by P2O5, Zn and Cr. Maps generated using RF from pXRF data had high accuracy for six soil properties, reaching R2 up to 0.83. pXRF in association with RF can be used to predict soil properties with high accuracy at low cost and time, besides providing variables aiding digital soil mapping.

RESUMO A determinação de atributos do solo auxilia no correto manejo da sua fertilidade. O equipamento portátil de fluorescência de raios-X (pXRF) foi recentemente adotado para determinar o teor total de elementos químicos em solos, permitindo inferências sobre atributos do solo. No entanto, esses estudos ainda são escassos no Brasil e em outros países. Os objetivos deste trabalho foram prever atributos do solo a partir de dados do pXRF, comparando-se os métodos de regressão linear múltipla stepwise (SMLR) e de random forest (RF), além de mapear e validar atributos do solo. 120 amostras de solo foram coletadas em três profundidades e submetidas a análises laboratoriais. Utilizou-se o pXRF para leitura das amostras e determinou-se o teor total de elementos. A partir dos dados do pXRF, foram utilizadas SMLR e RF para predizer resultados laboratoriais, que refletem atributos do solo, e os modelos foram validados. O melhor método foi utilizado para espacializar os atributos do solo. Utilizando SMLR, os modelos apresentaram valores elevados de R² (≥0,8), porém maior acurácia foi obtida na modelagem com RF. A capacidade de troca de cátions potencial e efetiva, matéria orgânica do solo, pH, saturação por bases e teores trocáveis de Ca, Al e Mg apresentaram ajustes adequados e predições acuradas com RF. Dos dez atributos do solo preditos por RF a partir de dados do pXRF, sete apresentavam CaO como a variável mais importante para auxiliar as predições, seguido por P2O5, Zn e Cr. Os mapas gerados a partir de dados do pXRF usando RF apresentaram adequados valores de R² para seis atributos do solo, atingindo R2 de até 0,83. O pXRF em associação com RF pode ser usado para prever atributos do solo com elevada acurácia, com rapidez e a baixo custo, além de proporcionar variáveis que auxiliam o mapeamento digital de solos.

Hybrid kriging methods for interpolating sparse river bathymetry point data / Métodos híbridos de krigagem para interpolação de levantamentos batimétricos fluviais

ABSTRACT Terrain models that represent riverbed topography are used for analyzing geomorphologic changes, calculating water storage capacity, and making hydrologic simulations. These models are generated by interpolating bathymetry points. River bathymetry is usually surveyed through cross-sections, which may lead to a sparse sampling pattern. Hybrid kriging methods, such as regression kriging (RK) and co-kriging (CK) employ the correlation with auxiliary predictors, as well as inter-variable correlation, to improve the predictions of the target variable. In this study, we use the orthogonal distance of a (x, y) point to the river centerline as a covariate for RK and CK. Given that riverbed elevation variability is abrupt transversely to the flow direction, it is expected that the greater the Euclidean distance of a point to the thalweg, the greater the bed elevation will be. The aim of this study was to evaluate if the use of the proposed covariate improves the spatial prediction of riverbed topography. In order to asses such premise, we perform an external validation. Transversal cross-sections are used to make the spatial predictions, and the point data surveyed between sections are used for testing. We compare the results from CK and RK to the ones obtained from ordinary kriging (OK). The validation indicates that RK yields the lowest RMSE among the interpolators. RK predictions represent the thalweg between cross-sections, whereas the other methods under-predict the river thalweg depth. Therefore, we conclude that RK provides a simple approach for enhancing the quality of the spatial prediction from sparse bathymetry data.

RESUMO Modelos de terreno de rios são usados para análise de mudanças geomorfológicas e para simulações hidrológicas. Estes modelos são interpolados a partir de pontos batimétricos. A batimetria fluvial é geralmente conduzida através de seções transversais, o que pode acarretar em uma malha amostral esparsa. Métodos híbridos de krigagem, como krigagem por regressão (KR) e co-krigagem (CK), empregam a correlação com preditores auxiliares, além da auto-correlação entre variáveis, na predição da variável resposta. Neste estudo, sugere-se que a distância ortogonal de um ponto até a linha de centro do talvegue de um rio pode ser usada como covariável para KR e CK. Considerando-se que a variabilidade da cota do leito do rio é abrupta transversalmente a direção do fluxo, espera-se que quanto maior a distância euclidiana de um ponto até o talvegue, maior será sua elevação. O objetivo deste estudo foi avaliar o uso da covariável proposta em métodos híbridos de krigagem para a predição espacial da topografia do leito de rios. Para tanto, foi realizada uma validação externa, em que seções transversais foram usadas para interpolação e dados levantados entre as seções consistiram na amostra de teste. Os resultados da KR e CK foram comparados aos da krigagem ordinária. A KR apresentou a menor REQM. No mapa resultante da KR, o talvegue foi preservado nas lacunas não amostradas entre as seções, enquanto os demais métodos subestimaram a profundidade do talvegue nestes espaços. Assim, conclui-se que a KR pode melhorar a predição espacial de dados batimétricos fluviais.

Levantamento pedológico e sistema de informações geográficas naavaliação do uso das terras em sub-bacia hidrográfica de Minas Gerais / Pedologic survey and geographic information system for evaluation of land use within a small watershed, Minas Gerais State, Brazil

A aptidão agrícola das terras consiste em uma classificação técnica que identifica o potencial agrícola de utilização das mesmas, considerando as limitações do solo em níveis de manejo diferenciados a partir das informações geradas em um levantamento pedológico. O cruzamento dos dados de aptidão agrícola e uso atual das terras em ambiente SIG (Sistema de Informações Geográficas) consiste numa ferramenta adequada de planejamento, pois permite determinar a inadequação entre uso e aptidão agrícola, dando bases sustentáveis à exploração. Neste estudo, foram realizadas a avaliação da aptidão agrícola das terras e seu uso atual com auxílio de imagens de satélite e observações de campo, e a identificação de Áreas de Preservação Permanente (APPs) em uma sub-bacia hidrográfica da Bacia do Alto Rio Grande, MG. Com base no levantamento de solos, a utilização do sensoriamento remoto, por meio de imagens de satélites, aliado ao ambiente SIG, constituem-se em ferramentas adequadas para avaliação da aptidão agrícola e uso atual das terras, e permitem o monitoramento das áreas da sub-bacia hidrográfica. O levantamento pedológico forneceu uma base segura e real para que, com o auxílio de ferramentas de geoprocessamento, os mapas resultantes tivessem melhor qualidade e representassem com acurácia os diferentes ambientes naturais na paisagem da sub-bacia hidrográfica. Ocorreu o predomínio de usos da terra menos intensivos que os das classes de aptidão agrícola encontradas. As Áreas de Preservação Permanente (APPs) estão recebendo os mais diferentes usos agrícolas, caracterizando uma inadequação entre a legislação ambiental e o uso atual da terra.

The land agricultural suitability is a technical classification that identifies the agricultural potential of land use, considering the soil limitations at differential management levels from the information generated in a pedologic survey. The cross reference of data involving land agricultural suitability and land use in Geographical Information System (GIS) is an adequate tool for planning, because it allows to determine the inadequacy between land use and land agricultural suitability, giving bases to sustainable exploration. Therefore, we evaluated in this work the land agricultural suitability and the current use of the land mediated by satellite images and field observations, for the identification of permanent preservation areas (PPAs) in a small watershed from Alto Rio Grande basin - MG. Based on soil survey, the utilization of remote sensing, by means of satellite images, in association with GIS, constitutes adequate tools to evaluate the land suitability and current use, and allows monitoring areas of the small watershed. The pedologic survey supplied a secure and real basis for this purpose and with the help of geoprocessing tools, the resulting maps had better quality and represented with accuracy the different natural environments in the landscape of the hydrographic small watershed. We observed a dominance of less intensive land use in relation to the agricultural suitability classes found here. The permanent preservation areas (PPAs) are receiving a variety of agricultural uses, which characterizes an inadequacy between the environmental legislation and the current land use.

Levantamento detalhado de solos da microbacia hidrográfica do horto florestal Terra Dura (RS) e considerações sobre escalas de mapeamento / Detailed soil survey of the hydrographic small watershed of Terra Dura (RS) forestry garden and considerations about mapping scales

A utilização adequada de informações contidas em levantamentos de solos fornece subsídios para o planejamento de diversas áreas de atividade, sejam agrícolas ou não-agrícolas. Entretanto, tem-se observado a ampliação dos mapas de solos de microbacias hidrográficas e de municípios, a partir de mapas de pequena escala, sem trabalhos de campo. Essa prática, no entanto, não é aconselhável, podendo levar à interpretações incorretas. Assim, este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de executar o levantamento detalhado de solos de uma microbacia hidrográfica localizada no estado do Rio Grande do Sul e comparar as informações obtidas pelo levantamento detalhado de solos, escala 1:10.000, com aquelas dos mapas ampliados do levantamento de reconhecimento de solos daquele estado, escala 1:750.000, e do levantamento exploratório, escala 1:1.000.000. As unidades de mapeamento de solos foram quantificadas quanto à área de abrangência e porcentagem da área ocupada. O levantamento detalhado permitiu identificar doze unidades de mapeamento de solos na microbacia, ao passo que os mapas ampliados de solos identificaram apenas uma. Em torno de 40 por cento da área da microbacia, atributos relevantes à aptidão silvicultural das terras para o cultivo do eucalipto não puderam ser adequadamente avaliados pelos mapas de escala pequena ampliados.

The adequate utilization of information gathered from soil survey furnishes subsides for planning projects on diverse areas of activity, being agricultural or non-agricultural. However, it is being observed an increase of soil maps of hydrographic small watersheds and counties developed from small-scale maps without fieldwork. This practice is not recommended since it can lead to wrong interpretations. So, this work had the objective to perform the detailed soil survey of a hydrographic small watershed situated in Rio Grande do Sul State and to compare the information obtained from the detailed soil survey (1:10,000 scale) to those from the amplified maps of reconnaissance soil survey of that state, (1:750,000 scale) and of the exploratory soil survey (1:1,000,000 scale). The soil mapping units were quantified in terms of geographical expression area and percentage of total area. The detailed soil survey identified 12 soil mapping units in the small watershed, while the amplified soil maps identified only one. In about 40 percent of the small watershed area, important attributes of forestry suitability for eucalyptus cultivation could not be adequately evaluated from amplified small-scale maps.